Loading

Właściwości trakcyjne i energochłonność eksploatowanych i projektowanych elektrycznych zespołów trakcyjnych w warunkach ruchu podmiejskiego PKP

Inż. Alojzy Kiełkiewicz
OBRPS — Poznań

"Trakcja i Wagony" Nr.1/1981

UKD:629.4.016:629.423:656.345

 

Charakterystyka przewozów pasażerskich w ruchu podmiejskim

Przewozy pasażerskie stanowią w całości pracy transportowej PKP pokaźny udział z tendencją do dalszego wzrostu. Elektryfikacja wielu głównych linii o największym nasileniu przewozów powoduje, że już obecnie udział trakcji elektrycznej w przewozach pasażerskich osiąga ponad 60% (pojkm). Należy podkreślić, że w ogólnym ruchu pasażerskim decydującą rolę spełniają przewozy w ruchu podmiejskim i lokalnym, zaś pojazdokilometry wykonane elektrycznymi zespołami trakcyjnymi pracującymi podstawowo w tych ruchach, stanowią ok. 60% tych przewozów, przy rosnącym trendzie w latach następnych pięciolatek, Z prognoz COBiRTK [2] wynika udział przewozów pasażerskich do 1995 roku, przedstawiony w tablicy. Skłania to do specjalnego traktowania rozwoju elektrycznych zespołów trakcyjnych, a szczególnie spraw doboru taboru w ruchu podmiejskim oraz organizacji tego ruchu.
Charakteryzując ruch podmiejski należy stwierdzić, że powinien on zapewniać sprawny transport pasażerów ze stref przyległych do obszarów dużych aglomeracji miejskich z odległości około 50 km, przy czym organizacja tego ruchu powinna maksymalnie umożliwiać korzystanie z tej komunikacji również wewnątrz samej aglomeracji [1]. Warunki bardzo zbliżone do tego wzorcowego modelu komunikacji ruchu podmiejskiego spełniają obecnie w naszym kraju jedynie dwa węzły kolejowe; warszawskii i gdański. W pozostałych węzłach, obejmujących większe aglomeracje miejskie, występuje w zasadzie pomiędzy centrami większych skupisk miejskich tzw. ruch lokalny lub regionalny, który nie spełnia wyżej , przedstawionych cech ruchu podmiejskim. Wynika to z małej częstotliwości kursów pociągów i centrycznej organizacji ruchu, która tym samym uniemożliwia korzystanie z tej komunikacji— przez pasażerów — wewnątrz aglomeracji.

 

Rodzaj ruchu pasażerskiego Przewozy pasażerów [mln]
1985 1990 1995
Ruch międzynarodowy 8,5 9,5 11,0
Ruch ekspresowy 2,5 3,2 4,0
Ruch międzyregionalny 51,5 57,0 63,0
Ruch lokalny 335,9 352,0 372,0
Ruch podmiejski 760,0 777,0 800,0
Razem ruch pasażerski 1158,4 1199,7 1250,0

 

Stan ten z upływem czasu powinien się radykalnie zmieniać, gdyż stale rozbudowujące i rozrastające się aglomeracje miejskie będą wymagały lepszych warunków komunikacyjnych, czego nie będą w stanie zapewnić same środki komunikacji miejskiej. Stanie się więc koniecznością dostosowywanie obecnych systemów Organizacji komunikacji do warunków ruchu podmiejskiego.

Charakterystyka taboru eksploatowanego i zamierzenia na przyszłość

Obecnie, w kraju do obsługi ruchu podmiejskiego są wykorzystywane - głównie zespoły trakcyjne 3000 V produkcji krajowej. Tylko niewielka część z nich jest dostosowana do wysokich peronów, a wszystkie pozostałe, które stanowią blisko 90% stanu — to zespoły EN57 zaprojektowane z przeznaczeniem do obsługi ruchu lokalnego (większe odległości międzyprzystankowe) i przystosowane do niskich peronów.
Eksploatowanie tych zespołów — w warunkach ruchu podmiejskiego — stało się konieczne z powodu braku innego, właściwego dla tego ruchu, taboru; powoduje to też określone skutki, takie jak osiąganie stosunkowo małej prędkości komunikacyjnej, ze względu na:
— wydłużeriie czasów zatrzymań na przystankach wskutek małej ilości drzwi i zastosowanych stopni wejściowych,
— ograniczenie prędkości technicznej (szczególnie na krótkich odległościach międzyprzystankowych) ze względu na małą .moc silników, wytrzymałość cieplną oporów rozruchowych itp.
W 1975 roku zostały wykonane trzy prototypowe zespoły serii EW58, które zgodnie z zamierzeniami PKP miały być eksploatowane w pierwszej kolejności w węźle gdańskim. Następnie, zespoły te miały uzupełnić, a potem zastąpić dotychczasowy stary tabor w ruchu podmiejskim w węźle warszawskim. Trójwagonowe zespoły EW58 o układzie wagonów: 2 wagony silnikowe (skrajne) + 1 wagon do-czepny (środkowy) — stanowią początek nowej generacji zespołów trakcyjnych produkcji krajowej 3000 V. Charakteryzują się one prawie 3-krotnie większą mocą silników, w stosunku do zespołów EN57, co pozwala uzyskać dużą prędkość komunikacyjną na odległościach międzyprzystankowych do ok. 1600 m. Wyrazem nowoczesności zespołów EW58 jest zastosowanie w nich — po raz pierwszy w taborze PKP — hamowania elektrodynamicznego.
Zespół ten został zaprojektowany z przeznaczeniem do obsługi ruchu podmiejskiego. Zgodnie z życzeniem zamawiającego zespół ma troje drzwi bocznych w każdym wagonie i prędkość maksymalną 120 km/h. Miało to uwzględniać uniwersalny charakter zastosowania tego zespołu zarówno dla krótkich odległości międzyprzystankowyoh (w węźle gdańskim), jak i dłuższych (w węźle warszawskim i ewentualnie w innych).
Na podstawie eksploatacji próbnej serii 28 zespołów EW58 okazało się, że w specyficznych warunkach ruchu w węźle gdańskim o charakterze kolei miejskiej, nie zdały one w pełni egzaminu. Kwestionowane były głównie następujące czynniki: niedostateczna możliwość szybkiej wymiany pasażerów na przystankach ha skutek małej ilości drzwi i zastosowanych wydzielonych przedsionków oraz duży pobór mocy. Nie bez wpływu na niezadowalającą ocenę tych zespołów, w początkowym okresie eksploatacji w węźle gdańskim, były usterki w prototypowych rozwiązaniach układów i urządzeniach. Spowodowało to konieczność pilnych poszukiwań innych — bardziej dostosowanych do ruchu w specyficznych warunkach węzła gdańskiego i mniej energochłonnych — rozwiązań zespołów trakcyjnych. W rezultacie studiów i analiz ustalono koncepcję nowego zespołu oznaczonego symbolem EW60.
Przy ustalaniu układu i rozwiązań tego zespołu wykorzystano najnowsze wyposażenie elektryczne, którego produkcję uruchomił przemysł elektrotechniczny w latach siedemdziesiątych dla zespołu EW58, zakładając — na podstawie prowadzonych prac modernizacyjnych i usprawniających — że zostanie osiągnięty zadowalający poziom jego jakości. Podobnie, w części mechanicznej przyjęto rozwiązania już poprawione, sprawdzone i zbadane w zespole EW58. Dotyczy to głównie wózków — napędnego i tocznego oraz rozwiązań pudeł i wyposażenia wnętrza.
Przeanalizowano również opracowanie koncepcji zespołu EW60 na podstawie innych rozwiązań, polegających na rozłożeniu całkowitej mocy silników na większą liczbę osi napędnych (przez zastosowanie większej liczby nowych silników o mniejszej mocy lub wózków monosilnikowych), ale nie uznano celowości zastosowania tych rozwiązany ponieważ:
— nie wpłynęłoby to znacząco na poprawę parametrów i zmniejszenie poboru energii przez zespół, przy utrzymaniu tej samej mocy całkowitej silników, gdyż przyjmowana dla wszystkich silników trakcyjnych — w przybliżeniu — stała krotność prądu rozruchowego do znamionowego uniemożliwia podwyższenie siły rozruchowej zespołu,
— wymagałoby to projektowania od podstaw, badań oraz wdrożenia do produkcji nowych wózków i silników trakcyjnych, co nie byłoby łatwe, a ponadto nie gwarantowałoby szybkiej realizacji.
W rezultacie 3-wagonowy zespół EW60 z czworgiem drzwi bocznych, w każdym wagonie, ma jeden środkowy wagon silnikowy z czterema silnikami LKa-435 o mocy 206 kW — każdy i wózki typu 3MNa z prowadzeniem maźnic Alsthoma oraz indywidualnymi blokami hamulcowymi. W celu zapewnienia większego wykorzystania prędkości maksymalnej ustalono jej zmniejszenie w stosunku do zespołu EW58. W wyniku analizy przyjęto dla zespołu EW60 największe możliwe, ze względu na skrajnię, przełożenie silnik — zestaw kołowy, dzięki czemu Umax zespołu dla średniego stanu zużycia obrzeży kół (Dśr = 0,96 m) wynosi 103 km/h.
Siłę maksymalną przy rozruchu dobrano (przez ustalenie prądu rozruchowego silników), tak aby stopień wykorzystania przyczepności zachować taki sam jak w zespole EW58, w którym został on praktycznie sprawdzony i nie ujawnił, w różnych zmiennych warunkach klimatycznych, szczególnych tendencji do poślizgów kół. W zespole EW60 będzie zastosowane hamowanie elektrodynamiczne wagonu środkowego-silnikowego (o największej masie), co gwarantuje, że ok. 55% energii hamowania będzie tracone w oporach; zmniejszy to zużycie klocków hamulcowych. Ostatnio opracowywana jest dokumentacja konstrukcyjna zespołu EW60. Przewiduje się, że na przełomie lat 1982/83 powinna być uruchomiona produkcja seryjna tego zespołu. 

Zestawienie wyników obliczeń dotyczących zespołów trakcyjnych EN57, EW58, EW60

Dla pełnego zobrazowania parametrów i osiągów ruchowych oraz określenia optymalnych warunków eksploatacji zespołu EW60, z punktu widzenia zużycia energii, przeprowadzono wiele obliczeń porównawczych z zespołami EN57 i EW58. Obliczenia przeprowadzono przy wykorzystaniu techniki EMC dla dużego zakresu zadanych parametrów wyjściowych warunków jazdy, a mianowicie:
— odległości nńędzyprzystankowych od 800 m do 7000 m co 400 m,
— procentu drogi jazdy pod prądem od 10% do jazdy forsownej co 10% dla wszystkich odległości międzyprzystankowych.
Dla tych wszystkich parametrów wyliczono prędkości techniczne i zużyscie energii. Wyniki obliczeń zestawiono na 2 wykresach. Jeden wykres zestawia parametry zespołu EW60 w porównaniu z EN57, a drugi — parametry zespołu EW60 i EW58. Wykresy te sporządzono w układzie: zużycie energii [Wh/tkm] w funkcji prędkości technicznej [km/h] dla różnych odległości międzyprzystankowych, przy czym połączono również punkty jednakowych procentów jazdy pod prądem dla charakterystyk każdego z zespołów. Na wykresy naniesiono także krzywe obrazujące obszary wykorzystania mocy silników trakcyjnych, które policzono przyjmując prąd zastępczy silnika równy prądowi ciągłemu, przy założeniu stałego czasu przerw w pracy silnika 40 s jako średniej w wyniku postojów na przystankach i stacjach końcowych.

Ocena wyników obliczeń i wnioski 

Oceny wyników obliczeń dokonano analizując zużycie energii oraz prędkość techniczną każdego zespołu dla warunków ruchu podmiejskiego, a więc w odniesieniu do odległości międzyprzystankowej 1600 m — uznanej za reprezentatywną dla węzła gdańskiego i odległości 3600 m — uznanej za reprezentatywną dla węzła warszawskiego. Rysunek 1 i 2 przedstawia wynikowe wykresy porównawcze dla zespołów EW60 i EN57 (rys. 1) oraz EW60 i EW58 (rys. 2).
Z wykresu na rysunku 1 wynika, że prędkością krytyczną dla obu zespołów, przy której uzyskują one to samo zużycie energii przy odległości międzyprzystankowej L = 1600 m jest vk = 48 km/h, a przy odległości L = 3600 m — vk = 56 km/h; przy czym dla L = 1600 m zespół EN57 pracowałby z przeciążeniem silników i dlatego jego graniczna prędkość dla tej odległości może wynosić tylko 46 km/h. Natomiast dla L = 3600 m prędkość krytyczna równa 56 km/h leży poniżej możliwości cieplnych silnika zespołu EN57, ale powyżej tej prędkości zużycie energii zwiększa się coraz bardziej w stosunku do zespołu EW60, tak że uzyskiwanie większych prędkości przez zespół EN57 byłoby nieekonomiczne. Krzywa pełnej mocy silników EW60 wskazuje na możliwość wykorzystania tego zespołu do osiągania większych prędkości technicznych, przy mniejszym zużyciu energii.
Podsumowując, można stwierdzić, że zespół EN57 nie powinien być stosowany na krótkich, odległościach międzyprzystankowych charakterystycznych dla ruchu podmiejskiego, a jego stosowanie w tym ruchu będzie powodować, bądź konieczność jazdy z bardzo małymi prędkościami, bądź przy większych prędkościach —przeciążenie silników i zużycie energii znacznie większe niż zespołu EW60 przy tej samej prędkości.
Przykładowo można podać, że zespół EN57 uzyskuje prędkość 49,5 km/h przy L = 1600 m i przy jeździe forsownej (75% drogi pod prądem) przy zużyciu 81,5 Wh/tkm oraz przeciążeniu silników o 29%, podczas gdy zespół EW60 tę samą prędkość uzyskuje przy zużyciu 55 Wh/tkm i stopniu wykorzystania mocy silników 86,7%, a więc z zapasem koniecznym dla jazdy przy „nadganianiu" rozkładu jazd wskutek opóźnień.
Analogiczne porównanie osiągów trakcyjnych i zużycie energii zespołów EW60 i EW58; (rys. 2) wskazują na odmienne niż poprzednio zależności. Zespół EW58 w całym zakresie prędkości zużywa mniej energii niż zespół EW603 Dzieje się to kosztem dwukrotnie większej sumarycznej mocy silników, co wymaga przy rozruchu zasilania mocą szczytową 3 MW, podczas gdy zespół EW60 pobiera w czasie rozruchu moc szczytową 1,33 MW. Wynika z tegoj że zespół EW58 — w celu pełnego wykorzystania mocy silników — powinien kursować przy L = 1600 m z prędkością 60 km/h, a przy L = 3600 m — ok. 80 km/h. 
Przyjmując dla zespołu EW60 (przy L = 1600 m) prędkość techniczną ok. 50 km/h jako optymalną z punktu widzenia czułości na wzrost poboru energii (mała stromość krzywej — rys. 2) i porównując zużycie energii przy tej prędkości z zespołem EW58 przy wymaganej dla niego prędkości technicznej 60 laa/h, można stwierdzić, że zespół EW60 kosztem zmniejszenia o 16% prędkości, uzyskuje oszczędność energii o 28,7% w stosunku do zespołu EW58. Podobne porównanie dla L = 3600 km wykazuje, że zmniejszenie prędkości EW60 o ok. 15% daje oszczędność energii ok. 30%.

 

 

Rys. 1. Krzywe jednostkowego zużycia energii dla zespołów EW60 i EN57

 

Rys. 2. Krzywe jednostkowego zużycia energii dla zespołów EW60 i EW58

 

Z powyższego wynika, że zespół EW60 kosztem kilkunastoprocentowego (15%) obniżenia — w stosunku do EW58 — prędkości technicznej (co na przykład w czasie jazdy na trasie Gdańsk —4 Gdynia spowoduje* wydłużenie czasu przejazdu o ok. 4 min wliczając postoje na przystankach. 30 s) może uzyskać i dwukrotnie wyższą oszczędność zużycia energii (30%), przy czym szczytowe zapotrzebowanie mocy będzie zmniejszone i przeszło 2-krotnie w stosunku do EW58, co zmniejszy również chwilowe maksymalne obciążenie podstacji.
Wnioski końcowe z powyższej analizy są następujące:
— w ruchu podmiejskim w zakresie odległości. międzyprzystankowych 1600-3600 m, reprezentatywnych , dla węzłów gdańskiego i warszawskiego, zespół trakcyjny EW60 uzyskuje znacznie korzystniejsze prędkości techniczne i mniejsze zużycie energii w stosunku do obecnie stosowanych z konieczności zespołów typu lokalnego EN57;
— zastosowanie w ruchu podmiejskim zespołów EW58 jest celowe w przypadku uzasadnionej potrzeby uzyskiwania większych prędkości technicznych.. Należy przy tym brać pod uwagę, że wymaga to przeszło 2-krotnego, w stosunku do EW6Ó, zwiększenia obciążenia podstacji oraz prawie 2-krotnego zwiększenia zdolności naprawczej i obsługowej zaplecza warsztatów elektrycznych lokomotywowni.

Bibliografia:

[1] Wyszomifski O.: Tendencje rozwoju komunikacji pasażerskiej w dużych aglomeracjach. Eksploatacja Kolei 1980 nr 3
[2] Przewidywane zmiany w strukturze i ilości taboru PKP do 2000 r. Warszawa praca COBiRTK temat 343717 czerwiec 1979