Selected aspects of vibroacoustic interactions analysis in

POJAZDY SZYNOWE NR 1/2019

dr hab. inż. Jarosław Korzeb, prof. PW prof. dr hab. inż. Mirosław Nader dr inż. Przemysław Ilczuk dr inż. Jan Różowicz Politechnika Warszawska

Wybrane aspekty analizy oddziaływań wibroakustycznych w otoczeniu linii tramwajowych

Selected aspects of vibroacoustic interactions analysis in the vicinity of tram lines

The vibroacoustic impacts in the urban agglomeration constitute an important element worsening the comfort of working and resting conditions for the residents. The industrialized zones can be identified as the main surface sources of these impacts, but outside these areas there is a significant number of linear sources such as communication routes. In described areas the point industrial sources and the point moving sources with random or periodic repeatability, which are single journeys of means of transport, can be identified. Dynamic interactions occurring between the superstructure and the exploited transport infrastructure are an important phenomenon and are subject to continuous analysis, due to the multitude of applied solutions of vibroisolation systems. Statistics show that the exposure of urban resi-dents accounts for about 60% of the total population exposed to vibroacoustic impacts. In the paper the attention was paid to the impacts emitted to the environment for selected types of vibroisolation solutions for a selected tramway track and with the same enforcement. A de-tailed analysis of the impact occurring in the area of the tram line was made. The research used software prepared by the authors in the Matlab environment.

Oddziaływania wibroakustyczne w aglomeracji miejskiej stanowią ważny element pogarsza-jący komfort warunków pracy i odpoczynku dla mieszkańców. Jako główne powierzchniowe źródła tych oddziaływań wskazać można strefy uprzemysłowione, ale poza tymi obszarami występuje znacząca liczba źródeł liniowych w postaci szlaków komunikacyjnych. We wska-zanych miejscach zidentyfikować można punktowe źródła przemysłowe oraz punktowe źródła ruchome o losowej lub okresowej powtarzalności, które stanowią pojedyncze przejazdy środ-ków transportu. Interakcje dynamiczne zachodzące pomiędzy suprastrukturą oraz eksplo-atowaną infrastrukturą transportową są zjawiskiem ważnym i podlegają ciągłym analizom, ze względu na mnogość stosowanych rozwiązań systemów wibroizolacji. Statystyki wykazują, iż narażenie mieszkańców miast stanowi około 60% całkowitej populacji społeczeństwa łącz-nego narażenia na oddziaływania wibroakustyczne. W pracy poddano uwadze oddziaływania emitowane do środowiska dla wybranych typów rozwiązań wibroizolacji wybranego torowi-ska tramwajowego z zachowaniem tego samego wymuszenia. Poddano szczegółowej analizie oddziaływania występujące w otoczeniu torowiska. W badaniach wykorzystano autorskie oprogramowanie w środowisku Matlab.

1. WSTĘP

Linie tramwajowe należą do głównych źródeł od-działywań wibroakustycznych w aglomeracjach miej-skich [5, 10]. W procesie identyfikacji źródeł oddzia-ływań wibroakustycznych wskazać należy hałas to-czenia kół stalowych po główkach szyn, zjawiska typu „impact” związane z uderzeniami kół na rozjazdach i skrzyżowaniach linii tramwajowych, pisk kół na łu-kach (ang. squealing noise), hałas jednostek napędo-wych, hałas aerodynamiczny lub efekty oddziaływań wzajemnych środka transportu i infrastruktury pocho-dzące od sił bezwładności [3, 11]. W zakresie 0-100 Hz drgania i hałas przenoszone są bezpośrednio przez

1. INTRODUCTION

Tram lines are among the main sources of vi-broacoustic effects in urban agglomerations [5, 10]. In the identification process of vibroacoustic interactions sources, one should indicate the rolling noise of steel wheels on the rail heads, impact phenomena related to wheels striking against the rail at crossings and tram-way intersections, squealing noise on turns, noise of the drive units, aerodynamic noise or effects of mutual interactions of means of transport and infrastructure originating from forces of inertia [3, 11]. In the range of 0-100 Hz, vibrations and noise are transmitted di-rectly by the tram and track structure, with the highest

1


konstrukcję tramwaju i toru, przy czym największe wartości przyjmują w zakresach częstotliwości mniej-szych niż 50 Hz, a dla wyższych częstotliwości wraz z ich wzrostem coraz szybciej zanikają. W zakresach 30-2000 Hz dominuje hałas związany bezpośrednio z ruchem tramwaju, przy czym dla wyższych częstotli-wości energia procesu wibroakustycznego jest propa-gowana do otoczenia głównie przez koła i szyny [14].

Hałas i drgania generowane ruchem tramwajów można sklasyfikować jako oddziaływania krótkotrwa-łe, przejściowe [8]. Biorąc pod uwagę uciążliwość tego typu oddziaływań, należy również zauważyć, że sieć linii tramwajowych jest znacznie mniejsza niż sieć uliczna, w związku z tym populacja mieszkańców narażonych na oddziaływania wibroakustyczne powo-dowane ruchem tramwajów jest znacznie mniejsza niż ogólna liczba narażonych mieszkańców obszaru miej-skiego [2, 12]. Poziom głośności hałasu generowane-go przez przejazd tramwaju zależy od konstrukcji toru ze względu na rodzaj użytych podkładów, zamocowa-nia szyn, rodzaj toru i rodzaj podłoża i podłoża [13]. Na amplitudę generowanych interakcji ma wpływ lokalizacja toru, gdyż występują duże różnice dla przebiegu linii na mostach, tunelach oraz w poziomie terenu, ale niezaprzeczalnie duży wpływ ma także poziom utrzymania podłoża, szyny i podkładów [9]. W przypadku badanej grupy pojazdów szynowych jednostki napędowe i właściwości aerodynamiczne pojazdów miały niewielki wpływ na generowane przez nie oddziaływania. Ze względu na długość okre-sów narażenia mieszkańców, oddziaływania opisywa-ne w pracy są stosunkowo krótkie, stąd nie można ich uznać za szkodliwe, ale raczej za uciążliwe.

2. BADANIA EKSPERYMENTALNE

Badania przedstawione w artykule prowadzone by-ły na wybranym odcinku linii tramwajowej, na którym występuje torowisko wykonane w dwóch różnych rodzajach nawierzchni bezpodsypkowej [10]. Znalazły się tu odcinek wykonany w systemie szyny kotwionej (AR) z punktowym podparciem toków szynowych oraz odcinek wykonany w systemie Rheda-City (RC) pokryty warstwą humusu z porostem roślinnym [15]. Badania eksperymentalne prowadzono w bliskim oto-czeniu połączenia obu typów nawierzchni, rejestrując jednocześnie drgania parasejsmiczne i hałas.

2.1. POLIGON BADAWCZY

Badania prowadzono w dwóch punktach pomiaro-wych rozmieszczonych następująco:

• punkt pomiarowy drgań parasejsmicznych nr 1 (oznaczony dalej w pracy AR) umieszony był w odległości 3,2 m od linii osi toru wykonanego w systemie szyny kotwionej

• punkt pomiarowy drgań parasejsmicznych nr 2 (oznaczony dalej w pracy RC) umieszony był w

values in the frequency ranges of less than 50 Hz, and disappearing faster as their frequencies increase. In the ranges of 30-2000 Hz, the noise directly associated with the tram traffic prevails, with the energy of the vibroacoustic process being propagated to the environment mainly by the wheels and rails for higher frequencies [14].

Noise and vibrations generated by tram traffic can be classified as short-term or temporary [8]. Considering the inconvenience of these vibroacoustic noises, it should also be noted that the network of tram lines is significantly smaller than the road network, therefore the population of people exposed to vibroacoustic noise caused by tram traffic is smaller than the total number of people in the urban area exposed to transport noise [2, 12]. The noise level generated by the passage of a tram depends on the track construction and is a result of: the type of foundations used, rail fastening method, the type of track and ground [13]. The location of the track has a large impact on the amplitude of the generated interactions, as there are large differences between trams driving on bridges, through tunnels and on an even ground level, but the level of maintenance of the ground, rails and sleepers is undeniably also significant [9]. In the case of the tested group of railway vehicles, the vehicle propulsion units and the aerodynamic properties had little influence on the noise these vehicles generated. Due to the short tram noise exposure duration of residents, the noise effects described in the article are relatively short, hence they cannot be considered harmful, but rather as onerous.

2. EXPERIMENTAL TESTS

The research presented in the article was conducted on a selected tram line section, on which two different types of slab track were used [10]. It included a sec-tion made using the anchor rail system (AR) with point support of rail tracks and a section made using the Rheda-City system (RC) covered with a layer of humus with vegetation [15]. Experimental research was performed in close proximity to where both types of track connect, simultaneously recording noise and paraseismic vibrations.

2.1. FIELD TESTS

The tests were performed at two measuring points arranged as follows:

• paraseismic vibration measurement point 1 (fur-ther referred to as AR) was located 3.2 m from the center of the anchor rail type track,

• paraseismic vibration measurement point 2 (fur-ther referred to as RC) was located 3.2 m from the center of the Rheda City type track,

The distance between measuring points 1 and 2 was 15 m.

2


odległości 3,2 m od linii osi toru wykonanego w systemie Rheda City.

Odległość między punktami pomiarowymi 1 i 2 wynosiła 15 m.

W wytypowanych punktach rejestrowano przebiegi przyspieszenia drgań, z zastosowaniem aparatury do akwizycji danych, złożonej z akcelerometrów o czuło-ści 1 V/g, wzmacniaczy sygnału ICP, 16-kanałowej karty przetwornika NI oraz komputera przenośnego, jako rejestratora przebiegów czasowych i analizatora.

Należy zauważyć, że wysoka czułość przetworni-ków piezoelektrycznych wpływa na możliwość dia-gnozowania niskich amplitud mierzonych drgań. Bio-rąc pod uwagę kryterium częstotliwościowe Nyquista, w celu uniknięcia zjawiska aliasingu (nieodwracalne-go zniekształcenia sygnału), częstotliwość próbkowa-nia powinna być co najmniej dwukrotnie wyższa niż najwyższa częstotliwość, dla której zaistnieje ko-nieczność diagnozowania [8]. W prowadzonych bada-niach eksperymentalnych przyjęto następujący układ parametrów rejestracji sygnałów:

fmax – najwyższa częstotliwość, dla której zaistnieje konieczność odtworzenia,

fp min– najmniejsza częstotliwość próbkowania reje-strowanego sygnału,

df – minimalna rozdzielczość częstotliwościowa sygnału (największe znaczenie dla częstotli-wości bliskich 1 Hz),

Ns – minimalna liczba próbek sygnału do zareje-strowania,

tmin – minimalny czas rejestracji dla zadanej często-tliwości próbkowania.

gdzie:

2.2. METODA ANALIZY OTRZYMANYCH WY- NIKÓW BADAŃ

Zarejestrowane sygnały przyspieszenia drgań pod-dawano analizie w dziedzinie czasu i częstotliwości. W tym celu wykorzystano przekształcenie falkowe, którego podstawowym elementem są tzw. falki pod-stawowe ψ – funkcje o zerowej wartości średniej i zwartym nośniku oraz rodziny tych falek, które two-rzone są przez „przesuwanie” (d) i „rozciąganie” (s) falki podstawowej [8, 16]:

−=

sdt

stsd ψψ 1)( (2)

Vibration acceleration characteristics were recorded at selected points using data acquisition equipment which included accelerometers with a sensitivity of 1 V/g, ICP signal amplifiers, a 16-channel NI transducer card and a portable computer as a time characteristics and analyzer.

It should be noted that the high sensitivity of pie-zoelectric transducers gives them the ability to diag-nose low amplitudes of measured vibrations. Taking into account the Nyquist frequency criterion, in order to avoid the aliasing phenomenon (irreversible distor-tion of the signal), the sampling frequency should be at least twice as high as the highest frequency at which diagnosis is necessary [8]. In the experimental studies carried out, the following set of signal registration parameters was adopted:

where: fmax – the highest frequency which needs to be repro-

duced, fp min – the lowest sampling frequency of the re-

corded signal, df – the minimum frequency resolution of the signal

(most important for frequencies close to 1 Hz), Ns – the minimum number of signal samples to

register, tmin – the minimum recording time for a given

sampling frequency.

2.2. METHOD OF RESULTS ANALYSIS

The recorded vibration acceleration signals were analyzed in time and frequency domains. Wavelet transformation was used to achieve this, the main ele-ment of which are the so-called basic wavelets ψ - functions with zero average value and compact carrier and families of these wavelets, which are created by "moving" (d) and "stretching" (s) of the basic wavelet [8,16]:

−=

sdt

stsd ψψ 1)( (2)

The scale factor represents the iteration at which the frequency of the wavelet will be obtained. The wave-let transform is defined according to the equation (3):

∫∞

∞

∗

−=

-

)(1),(~ dts

dttus

dsS ψψ , (3)

(1)

(1)

3


Współczynnik skali reprezentuje iterację, w której uzyskana zostanie częstotliwość falki. Transformata falkowa definiowana jest wg zależności (3):

∫∞

∞

∗

−=

-

)(1),(~ dts

dttus

dsS ψψ , (3)

gdzie: S – współczynnik skali (odpowiedzialny za

częstotliwość reprezentowaną przez przyję-tą funkcję falkową, z jego wzrostem często-tliwość maleje),

D – współczynnik przesunięcia, u(t) – analizowany sygnał, Ψ – funkcja falkowa.

W badaniach wykorzystano ciągłą transformatę falkową (CWT w środowisku Matlab) przedstawioną poniżej [1, 6, 16]:

∫∞

∞

−=

-

* )(1),( dts

dttus

dsCTF ts ψ . (4)

Dekompozycji sygnału dokonywano z wykorzysta-niem falki Morlet, której przebieg pokazano na rysun-ku 1.

Fig. 1. The used Morlet wavelet function Rys. 1. Przebieg wykorzystanej funkcji falkowej Morlet

Wykorzystanie transformaty falkowej umożliwia obserwację i analizę sygnałów niestacjonarnych, co pozwala na szybkie wykrywanie nieliniowości w ścieżkach propagacji drgań.

S – scale factor (responsible for the frequency represented by the adopted wavelet function, with its increase the frequency decreases),

D – offset coefficient, u(t) – the analyzed signal, Ψ – wavelet function.

where:

The studies used a continuous wavelet transform (CWT in the Matlab environment) presented below [ 1, 6, 16] :

∫∞

∞

−=

-

* )(1),( dts

dttus

dsCTF ts ψ . (4)

The signal was decomposed using the Morlet wavelet, which is shown in Figure 1.

The use of wavelet transform enables observation and analysis of non-stationary signals, which allows for quick detection of non-linearities in vibration propagation paths.

1 VLF – zgodnie z [8]

)()(=

fafaVLF

dopk

kaak

DkFf t

∀∀∈∈

, (5)

where: f – mid-frequency of the octave band [Hz], Ft – vector of the middle frequency octave bands dim Ft = 1 × n

• when calculating the impact of vibrations on people n = 20, • when calculating the impact of vibrations on a building structure n = 21,

k – direction of vibrations, D – a set of analyzed directions of the effect, ak – value of the vibration acceleration pre-

dicted or measured in experimental research in the direction k [m/s2],

ak dop – the permissible limit value of the vibration acceleration for the selected octave band [m/s2] defined as:

=

maxk_

k_rmsdopk a

aa (6)

2.3. EVALUATION CRITERIA FOR OBTAINED TEST RESULTS

The indicator method was used to assess the obtained test results in the frequency domain. A universal Vibration Load Factor 1 was used, calculated according to (5), using acceleration amplitude (aa), independently for each direction of vibration interaction and each octave frequency band from the spectrum of the analyzed frequencies [7].

2.3. KRYTERIA OCENY OTRZYMANYCH WYNIKÓW BADAŃ

Do oceny otrzymanych wyników badań w dziedzi-nie częstotliwości zastosowano metodę wskaźnikową. Wykorzystano uniwersalny wskaźnik obciążenia drganiami (ang. Vibration Load Factor 1) obliczany wg zależności (5), z wykorzystaniem amplitud przy-spieszeń (aa – ang. acceleration amplitude), niezależ-nie dla każdego kierunku oddziaływania drgań i każ-dego pasma tercjowego z widmie analizowanych czę-stotliwości [7].

4


ak_rms – threshold of human perception of vibra-tions in the direction k, in accordance with PN-B-02171:2017-06,

ak_max – the limit of allowed vibration acceleration values - the value of vibration acceleration lower limit in the direction k that is con-sidered for the dynamic impact on build-ings according to PN-B-02170:2016-12.

The indicators are calculated analogically for all vibration directions or evaluation of the impact of vibrations on the building construction, excluding the rms. values in the case of calculating the impact of vibrations on physical structures. In addition, loga-rithmic indicators were determined as described by (7).

VLFaakl = 20log VLFaak . (7)

The use of logarithmic indicators allows obtaining a much "faster response" of the indicator relative to the traditional method of using vibration to determine the load.

To assess the impact of the generated noise, a vari-able was used that characterized the overall load con-dition using dynamic effects, which also provides direct information on potential exposure [8]. The harmfulness of transport means was determined for the analyzed measurement points as well as at a dis-tance close to the location of physical structures. The scalar physical quantity, denoting the noise impact value at this point, was determined as described by relation (8). The reference level for determining the potential difference between this point and any point belonging to the area covered by the analysis of dy-namic interactions, in which the potential is zero, is the lowest limit value of the assessed physical quantity indicated by the standards 2.

2 for example for the purpose of assessing the impact of vibrations on humans, the limit value of human vibration is the human sensory threshold value.

≤<≤

<=

]dB[ ,2]dB[ 0 ,1 0]dB[ ,0

VLFLdlaLVLFdla

VLFdlaPSO

A

AST , (8)

where AL is the upper limit of the acceptable level, and depends on the limit value under the adopted measurement conditions, i.e. depending on the in-tended purpose of the structures and spaces located within the dynamic effects range. The results obtained were referred to the PN-B-02171:2017-06 standard, which specifies the methods for assessing the impact of vibrations transmitted to people residing in buildings, and an interpretation of the harmful noise impact level ranges in the form of criteria scales based on [8] was adopted for various purpose buildings and structures.

)()(=

fafaVLF

dopk

kaak

DkFf t

∀∀∈∈

, (5)

gdzie: f – częstotliwość środkowa pasma tercjowego [Hz], Ft – wektor częstotliwości środkowych pasm tercjowych dim Ft = 1 × n

• w przypadku obliczania wpływu drgań na ludzi n = 20, • dla wpływu drgań na obiekt inżynierski n = 21,

k – kierunek oddziaływania drgań, D – zbiór analizowanych kierunków oddziały-wania, ak – wartość prognozowanego lub pomierzone-

go w badaniach eksperymentalnych przy-spieszenia drgań w kierunku k [m/s2],

ak dop – wartość dopuszczalna przyspieszenia drgań dla wybranego pasma tercjowego [m/s2] wg zależności:

=

maxk_

k_rmsdopk a

aa (6)

ak_rms – próg odczuwalności przez człowieka drgań w kierunku k, zgodnie z normą PN-B-02171:2017-06,

ak_max – wartość dopuszczalna przyspieszenia drgań – wartość przyspieszenia drgań okre-ślająca dolną granicę uwzględniania wpły-wów dynamicznych na budynek w kierunku k zgodnie z normą PN-B-02170:2016-12.

Wskaźniki liczone są analogicznie dla wszystkich kierunków oddziaływania drgań lub oceny wpływu drgań na konstrukcję obiektu, z wyłączeniem wartości rms. w przypadku obliczania wpływu drgań na kon-strukcje inżynierskie. Dodatkowo wyznaczono loga-rytmiczne wskaźniki zgodnie z zależnością (7).

VLFaakl = 20log VLFaak . (7)

Wykorzystanie wskaźników logarytmicznych pozwala na uzyskanie znacznie „szybszej reakcji” wskaźnika w stosunku do tradycyjnej metody wyznaczania wskaź-nika obciążenia drganiami.

Do oceny wpływu generowanych oddziaływań wykorzystano wielkość charakteryzującą ogólny stan obciążenia oddziaływaniami dynamicznymi, która bezpośrednio informuje o ewentualnym narażeniu [8]. Poziom szkodliwości oddziaływań środków transportu wyznaczano dla analizowanych punktów pomiaro-wych oraz w odległości bliskiego usytuowania obiek-tów inżynierskich. Skalarna wielkość fizyczna, oznaczająca wartość oddziaływania w tym punkcie wyznaczana była zgodnie z zależnością (8). Pozio-mem odniesienia do wyznaczenia różnicy potencjałów pomiędzy tym punktem a dowolnym punktem nale-

5


żącym obszaru objętego analizą oddziaływań dyna-micznych, w którym potencjał wynosi zero, jest naj-niższa graniczna wartość ocenianej wielkości fizycz-nej wskazywanej przez normy 2

np. dla potrzeb dokonania oceny oddziaływania drgań na człowieka, graniczną wartością jest próg odczuwalności drgań przez człowieka.

≤<≤

<=

]dB[ ,2]dB[ 0 ,1 0]dB[ ,0

VLFLdlaLVLFdla

VLFdlaPSO

A

AST , (8)

gdzie AL oznacza górną granicę poziomu akceptowalnego, zależną od wartości dopuszczal-nej w przyjętych warunkach pomiaru, np. zależną od przeznaczenia pomieszczeń obiektu inżynier-skiego zlokalizowanego w strefie wpływów dynamicznych.

Otrzymywane wyniki odnoszono do zapisów normy PN-B-02171:2017-06, w której określono metody oceny wpływu drgań przekazywanych na ludzi prze-bywających w budynkach, a na podstawie pracy [8] przyjęto interpretację zakresów wartości poziomu szkodliwości oddziaływań w postaci skal kryterial-nych dla obiektów inżynierskich o różnym przezna-czeniu.

2.4. WPŁYW TŁUMIENIA GRUNTU

W przypadkach modelowania propagacji drgań w podłożu przyjęto daleko idące uproszczenia. Opierając się na wynikach badań eksperymentalnych prowadzo-nych przez różne ośrodki naukowo-badawcze [8], które potwierdzają możliwość przyjęcia pewnych założeń upraszczających, dla dowolnego podłoża geo-logicznego (α) i w dowolnej odległości (r) od pier-wotnego punktu pomiarowego (r0), w którym zareje-strowano drgania, przy uwzględnieniu tłumienia geo-metrycznego i wskaźnika absorpcji gruntu (w) można wyznaczyć przybliżoną amplitudę powierzchniowej fali drganiowej:

)0 (0

0

rir

w

i

i err

aa −−

= α

(9) gdzie:

a0 – amplituda drgań w referencyjnym punk-cie pomiarowym, r0 – odległość punktu referencyjnego od źró-dła drgań, ai – amplituda drgań zmierzonych w punkcie i, ri – odległość punktu referencyjnego od źródła

drgań, w – współczynnik tłumienia geometrycznego i

absorpcji gruntu, α – współczynnik definiujący rodzaj podłoża

geologicznego. W badaniach przyjęto parametry gruntu odpowiadają-cych warunkom hydrogeologicznym typowym dla Warszawy (gliny piaszczyste i piaski pylaste).

2.4. IMPACT OF GROUND DAMPING

In cases of modeling vibrations propagation in the ground, a wide range of simplifications has been adopted. Based on the results of experimental research conducted by various scientific and research centers [3], which confirm the possibility of adopting certain simplifying assumptions, for any geological substrate (α) and at any distance (r) from the original measure-ment point (r0), in which vibrations were recorded taking into account the geometric suppression and the soil absorption index (w) the approximate amplitude of the surface vibration wave can be determined as:

)0 (0

0

rir

w

i

i err

aa −−

= α

where: a0 – vibration amplitude at the reference

measuring point, r0 – the distance of the reference point from

the vibration source, ai – the amplitude of vibrations measured at

point i, ri – the distance of the reference point from

the vibration source, w – coefficient of geometric damping and

soil absorption, α – coefficient defining the type of geologi-

cal substrate. The studies assumed the soil parameters correspond-

ing to the hydrogeological conditions typical for War-saw (sandy loams and silty sands).

3. RESULTS

The results were divided into two groups, one ob-tained as a result of CWT and the other as a result of calculations based on indicators.

3.1. MULTI-RESOLUTION ANALYSIS OF SIG-NALS

Figures 2 ÷ 7 present the results of vibration accelera-tions measurements and wavelet transformations of the analyzed signals. At the measuring points for the anchor rail system, with point support of rail tracks, the charts were marked with the AR index, while the results obtained on the section made in the Rheda-City system covered with a layer of humus with vegetation were marked as RC.

6


Fig. 2. Waveforms of recorded vibration accelerations in the longitudinal direction - x

Rys. 2. Przebiegi zarejestrowanych przyspieszeń drgań w kierunku wzdłużnym - x

Figure 3 shows the result of the calculated continuous wavelet transform for vibration accelerations in the longitudinal direction.

Fig. 3. Frequency-time analysis of vibrations generated in the longitudinal direction – x

Figure 4 shows the time characteristic of vibration accelerations in the transverse direction.

Rys. 3. Analiza częstotliwościowo-czasowa drgań generowanych w kierunku wzdłużnym – x

3. WYNIKI BADAŃ

Przykładowe wyniki badań podzielono na grupę rezultatów otrzymanych w wyniku CWT oraz wyniki obliczeń wskaźnikowych.

3.1. ANALIZA WIELOROZDZIELCZA SYGNA-ŁÓW

Na rysunkach 2 ÷ 7 przedstawiono wyniki pomiarów przyspieszeń drgań oraz przekształcenia falkowego analizowanych sygnałów. W punktach pomiarowych dla systemu szyny kotwionej, z punktowym podpar-ciem toków szynowych wykresy oznaczano indeksem AR, natomiast wyniki uzyskane na odcinku wykona-nym w systemie Rheda-City, pokrytego warstwą hu-musu z porostem roślinnym, oznaczano odpowiednio RC. Na rysunku 4 przedstawiono przebieg czasowy przy-spieszeń drgań w kierunku poprzecznym.

Rys. 4. Przebiegi zarejestrowanych przyspieszeń drgań w kierun-ku poprzecznym - y

Fig. 4. The waveforms of recorded vibration accelerations in the transverse direction - y

Fig. 5. Frequency-time analysis of vibrations generated in the transverse direction - y

Rys. 5. Analiza częstotliwościowo-czasowa drgań generowanych w kierunku poprzecznym - y

Figure 5 shows the calculation result of a continuous wavelet transform for vibration acceleration in the transverse direction.

Na rysunku 5 przedstawiono wynik obliczenia ciągłej transformaty falkowej dla przyspieszeń drgań w kie-runku poprzecznym.

Rys. 6. Przebiegi zarejestrowanych przyspieszeń drgań w kierunku pionowym - z

Fig. 6. Waveforms of recorded vibration accelerations in the vertical direction - z

7


Na rysunku 6 przedstawiono przebieg czasowy przy-spieszeń drgań w kierunku pionowym.

Figure 6 shows the characteristic of vibration accel-erations in the vertical direction. Figure 7 shows the calculation result of a continuous wavelet transform for vibration accelerations in the vertical direction.

Fig. 7. Frequency-time analysis of vibrations generated in the vertical direction - z

Rys. 7. Analiza częstotliwościowo-czasowa drgań generowanych w kierunku pionowym - z

3.2. METODA WSKAŹNIKOWA - WSPÓŁ-CZYNNIK OBCIĄŻENIA DRGANIAMI

W tablicach 1 ÷ 2 przedstawiono wyniki obliczeń współczynników obciążenia drganiami VLF, zgodnie z zależnością (4) dla ludzi przebywających w obiek-tach inżynierskich (VLFaax-y-z) oraz dla oceny oddzia-ływań na konstrukcje obiektów inżynierskich VLFb. Przedstawiono również ich wersje logarytmiczne, których indeksy poprzedzono literą l. W obliczeniach przyjęto lokalizację obiektów w odległości 10 m od punktów pomiarowych.

f ax ay az VLFaaxy VLFaaz VLFb VLFaalxy VLFaalz VLFl_b [Hz] [m/s2] [m/s2/m/s2] [dB]

1,00 0,0008 0,0002 0,0003 0,23 0,03 0,03 -12,68 -31,62 -29,52 1,25 0,0004 0,0001 0,0012 0,12 0,14 0,02 -18,14 -17,12 -34,98 1,60 0,0005 0,0001 0,0015 0,15 0,19 0,02 -16,53 -14,37 -33,36 2,00 0,0006 0,0002 0,0011 0,16 0,16 0,02 -15,70 -15,76 -32,53 2,50 0,0006 0,0005 0,0003 0,13 0,05 0,02 -17,75 -25,95 -32,65 3,15 0,0006 0,0006 0,0007 0,11 0,12 0,03 -19,17 -18,21 -32,02 4,00 0,0004 0,0003 0,0003 0,06 0,07 0,02 -25,12 -23,52 -35,93 5,00 0,0013 0,0005 0,0013 0,14 0,26 0,05 -16,95 -11,68 -25,82 6,30 0,0018 0,0006 0,0013 0,16 0,26 0,07 -16,04 -11,79 -22,87 8,00 0,0005 0,0014 0,0007 0,10 0,14 0,05 -20,29 -17,08 -26,37

10,00 0,0005 0,0011 0,0006 0,06 0,09 0,03 -24,07 -20,56 -29,59 12,50 0,0007 0,0003 0,0009 0,03 0,11 0,02 -30,36 -18,82 -35,14 16,00 0,0002 0,0012 0,0011 0,04 0,11 0,03 -27,87 -19,17 -31,90 20,00 0,0008 0,0012 0,0015 0,03 0,12 0,02 -29,54 -18,20 -32,88 25,00 0,0015 0,0009 0,0011 0,03 0,07 0,02 -29,44 -23,13 -32,21 31,50 0,0014 0,0018 0,0008 0,03 0,04 0,03 -29,97 -27,41 -32,03 40,00 0,0046 0,0021 0,0012 0,06 0,05 0,06 -23,88 -26,43 -25,10 50,00 0,0052 0,0012 0,0010 0,06 0,03 0,05 -24,76 -30,29 -25,30 63,00 0,0014 0,0041 0,0052 0,04 0,13 0,04 -28,84 -17,54 -28,53 80,00 0,0020 0,0039 0,0054 0,03 0,11 0,03 -31,37 -19,39 -30,48

100,00 0,0006 0,0033 0,0013 0,02 0,02 0,02 -34,39 -33,35 -33,23 Maksimum 0,23 0,26 0,07 -12,68 -11,68 -22,87

Wartości przyspieszenia drgań w pasmach tercjowych oraz obliczone współczynniki obciążenia drganiami dla ludzi oraz obiektów inżynier-skich, punkcie pomiarowym AR Tablica 1

Vibration acceleration values in octave bands and calculated vibration load factors for people and buildings, at the AR measurement point Table 1

3.2. INDICATOR METHOD – VIBRATION LOAD COEFFICIENT

Tables 1 ÷ 2 present the calculation results of vi-bration load factors VLF, according to (4) for people present in buildings and structures (VLFaax-y-z) and for the assessment of impacts on the construction VLFb of buildings. Their logarithmic versions, whose indexes were preceded by the letter l, were also presented. The location of objects at a distance of 10 m from the measurement points was adopted in the calculations.

Vibration acceleration values in octave bands and calculated vibration load factors for people and buildings, at the RC measurement point Table 2 Wartości przyspieszenia drgań w pasmach tercjowych oraz obliczone współczynniki obciążenia drganiami dla ludzi oraz obiektów inżynier-skich, w punkcie pomiarowym RC Tablica 2

f ax ay az VLFaaxy VLFaaz VLFb VLFaalxy VLFaalz VLFl_b [Hz] [m/s2] [m/s2/m/s2] [dB]

1,00 0,0005 0,0013 0,0012 0,37 0,12 0,05 -8,66 -18,27 -25,49 1,25 0,0004 0,0006 0,0007 0,17 0,07 0,02 -15,64 -22,56 -32,47 1,60 0,0010 0,0003 0,0004 0,29 0,05 0,04 -10,70 -26,78 -27,54 2,00 0,0012 0,0006 0,0005 0,33 0,07 0,05 -9,55 -22,57 -26,39 2,50 0,0005 0,0003 0,0006 0,11 0,09 0,02 -19,30 -21,01 -34,19 3,15 0,0010 0,0002 0,0005 0,17 0,09 0,04 -15,38 -20,92 -28,23 4,00 0,0012 0,0002 0,0009 0,16 0,17 0,05 -15,88 -15,35 -26,69 5,00 0,0004 0,0002 0,0010 0,04 0,20 0,02 -27,12 -13,99 -36,00 6,30 0,0012 0,0006 0,0012 0,11 0,23 0,05 -19,56 -12,76 -26,38 8,00 0,0014 0,0005 0,0006 0,10 0,12 0,05 -20,08 -18,22 -26,16

10,00 0,0006 0,0008 0,0007 0,04 0,11 0,02 -27,27 -19,47 -32,80 12,50 0,0011 0,0007 0,0005 0,05 0,07 0,03 -26,43 -23,65 -31,21 16,00 0,0009 0,0009 0,0007 0,03 0,07 0,02 -30,13 -23,19 -34,17 20,00 0,0015 0,0018 0,0003 0,05 0,02 0,03 -26,18 -33,93 -29,52 25,00 0,0022 0,0016 0,0004 0,05 0,03 0,04 -26,08 -31,92 -28,85 31,50 0,0014 0,0021 0,0020 0,04 0,10 0,03 -28,73 -20,03 -30,79 40,00 0,0021 0,0026 0,0028 0,04 0,11 0,03 -28,70 -18,96 -29,93 50,00 0,0016 0,0017 0,0020 0,02 0,06 0,02 -34,75 -23,78 -35,29 63,00 0,0017 0,0011 0,0031 0,01 0,08 0,02 -36,77 -21,98 -36,46 80,00 0,0016 0,0013 0,0034 0,01 0,07 0,01 -38,86 -23,25 -37,97

100,00 0,0025 0,0016 0,0036 0,01 0,06 0,02 -36,58 -24,64 -35,42 Maksimum 0,37 0,23 0,05 -8,66 -12,76 -25,49

Tablica 2 Table 2

For the obtained results of VLF indicators, the level of harmfulness (PSO) was determined in each case ac-cording to the relationship (7). The resulting values did not exceed the value of 0 in any of the analyzed cases, hence there is no basis for stating that in any of the analyzed cases there was a harmful impact of communication vibrations, at a distance of 10 m from the measurement points.

4. CONCLUSIONS

The impact of a tramway track segment that has been in continuous operation for over a 5-year period was analyzed in the article. The measurement section was subject to observation in the period following its modernization to the point when the measurements

8


were made, no significant change in the technical condition of the surface during this time period was found.

The results of the performed tests clearly show the dominance of vibrations in the transverse direction y, for the case of the RC cross-section, and vibrations in the vertical direction z, in the case of the AR cross-section. The recorded values of vibration accelerations in the vertical direction, for both types of surface were comparable. Vibration accelerations in the horizontal directions, in the case of the AR section reached up to about 60% of the values of similar accelerations re-corded for the RC section.

VLF load indicators calculated for people staying in the vicinity of the tram line did not reach concern-ing values, which indicates that there was no real im-pact on the comfort of neighboring buildings, assum-ing a distance of 10 m between them and the track. Analysis of VLF levels calculated for buildings did not reveal any risk of vibration for the structure located at a distance of 10 m away. The Impact Damage Level calculated based on VLF values did not indicate that the environment was exposed to harmful vibroacoustic effects caused by tram traffic.

The noise and vibration frequency range is related to the interactions and phenomena in the areas of rail-rail contact. The frequency characteristic of the vibra-tion acceleration spectrum at the RC measurement point shows the dominance of the 40-200 Hz band for all vibration propagation directions. The frequency characteristic of the vibration acceleration spectrum at the AR measurement point is dominated by the 30-150 Hz band, with differences for the analyzed directions. In the conducted tests, differences were found, whose detailed analysis will be the subject of further re-search.

Dla otrzymanych wyników wskaźników obciążenia drganiami VLF, każdorazowo wyznaczono zgodnie z zależnością (7) poziom szkodliwości oddziaływań (PSO). W żadnym z analizowanych przypadków nie przekroczył on wartości 0, stąd nie ma podstaw do stwierdzenia, że w którymkolwiek z analizowanych przypadków występowało szkodliwe oddziaływanie drgań komunikacyjnych, w odległości 10 m od punk-tów pomiarowych.

4. WNIOSKI

W pracy przeanalizowano oddziaływanie odcinka torowiska tramwajowego, poddawanego ciągłej eks-ploatacji w okresie 5 lat. Odcinek pomiarowy podlegał obserwacji w okresie od modernizacji do czasu po-miarów, w którym nie stwierdzono znaczącej zmiany stanu technicznego nawierzchni.

Wyniki przeprowadzonych badań jednoznacznie wykazują dominację drgań w kierunku poprzecznym y, dla przypadku przekroju RC, natomiast drgań w kierunku pionowym z, w przypadku przekroju AR. Zanotowane wartości przyspieszeń drgań w kierunku pionowym, dla obydwu rodzajów nawierzchni były porównywalne. Przyspieszenia drgań w kierunkach poziomych, w przypadku przekroju AR stanowiły około 60% wartości przyspieszeń w kierunkach po-ziomych, notowanych dla przekroju RC.

Wskaźniki obciążenia drganiami VLF obliczane dla ludzi przebywających w otoczeniu linii tramwajo-wej nie osiągały niepokojących wartości, co sugeruje brak wpływu na pogorszenie komfortu przebywania w sąsiadujących obiektach, przy założeniu odległości 10 m. Analiza wartości poziomów wskaźników VLF ob-liczanych dla budynków nie wykazała możliwości zagrożenia drganiami dla konstrukcji zlokalizowanych w odległości 10 m. Oparty na wartościach VLF obli-czony Poziom Szkodliwości Oddziaływań – nie wy-kazał narażenia otoczenia na negatywne oddziaływa-nia dynamiczne powodowane ruchem tramwajowym.

Zakres częstotliwościowy oddziaływań związany jest z relacją i zjawiskami kontaktowymi w obszarach styku otulina szyny-szyna. Charakter częstotliwo-ściowy widma drgań w punkcie RC wykazuje domi-nowanie pasma 40-200 Hz dla wszystkich kierunków propagacji drgań. Charakter częstotliwościowy widma przyspieszeń drgań w punkcie AR wykazuje domino-wanie pasma 30-150 Hz, z występowaniem różnic dla analizowanych kierunków. W przeprowadzonych badaniach wykazano występowanie różnic, których szczegółowa analiza będzie przedmiotem kolejnych badań.

[1] Białasiewicz J.T.: Falki i aproksymacje. WNT, Warszawa 2004, ISBN 83-204-2971-4, s. 253.

[2] Cempel Cz.: Wibroakustyka stosowana, PWN, Warszawa 1989.

[3] Ciesielski R., Maciąg E.: Drgania drogowe i ich wpływ na budynki. WKiŁ, Warszawa 1990, s. 248.

[4] Chudzikiewicz A., Korzeb J.: Simulation study of wheels wear in low-floor tram with independently rotating wheels, w: Archive of Applied Mechanics, vol. 419, nr 88, 2018, ss. 175-192, DOI:10.1007/s00419-017-1301-6.

[5] Czechyra B., Kwaśnikowski J., Tomaszewski F.: Możli-wości wykorzystania metod wibroakustycznych w procesie oceny własności eksploatacyjnych tramwaju. Logistyka, 4/2011, Poznań, s. 172–180.

[6] Korzeb J.: Analiza drgań komunikacyjnych z zastoso-waniem teorii falek. Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej, seria Transport, z. 77, OWPW, Warszawa 2011r. str. 45-58.

[7] Korzeb J.: Dobór kryteriów oceny dynamicznych oddzia-ływań transportowych w obszarach aglomeracji miejskich. Logistyka 6/2011, CD, s. 1717–1725.

Bibliography / Bibliografia

[8] Korzeb J.: Predykcja wybranych oddziaływań dynamicz-nych w strefie wpływu infrastruktury transportowej , Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Transport, nr 90, 2013, OW PW, ISBN 978-83-7814-111-2, 1-202 s.

9


[9] Korzeb J., Chudzikiewicz A.: Evaluation of the vibration impacts in the transport infrastructure environment, Archive of Applied Mechanics, vol. Volume 85, nr 9, 2015, s. 1331-1342, DOI:10.1007/s00419-015-1029-0,

[10] Korzeb J., Ilczuk P.: Drgania i hałas w strefie oddziaływania linii tramwajowych. Logistyka 4/2014, CD/ str. 1997-2006.

[11] Nader M.: Drgania i hałas w transporcie. Wybrane zagadnienia. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, ISBN 978-83-7814-543-1, 2016 r., 146 s.

[12] Nader M., Korzeb J.: Dynamic interactions in the transport infrastructure environment. Vibrations in Physical Systems, vol. XXV. Ed. by Cempel Cz., Dobry M. Poznan University of Technology, ISBN 978-83-89333-43-8. Comprint, Poznań, 2012, pp. 459-468.

[13] Nader M., Korzeb J.: Analysis of the dynamic influence of urban transport on the environment. Proc. of 5th IC-SCCE Athens, Patras University Press, ISBN:978-618-80115-0-2, Greece, 2012, pp. 67-74.

[14] Targosz J., Adamczyk J.: Badania i ocena wibroaktywności konstrukcji torowisk tramwajowych stosowanych w Polsce. Logistyka, ISSN 1231-5478, nr 3/2012, s. 2267–2276.

[15] TransEko Sp.j.: Studium wykonalności dla projektu: „Obsługa północnych obszarów Warszawy komunikacją tramwajową w związku z rozbudową sieci metra oraz zakupem taboru”, na zlecenie Tramwajów Warszawskich, Warszawa ,luty 2011.

[16] Zieliński T.P.: Cyfrowe przetwarzanie sygnałów. Od teorii do zastosowań. WKiŁ, ISBN 978-83-206-1640-8, Warszawa 2009, s. 832.

dr inż. Piotr Smoczyński mgr inż. Mateusz Motyl mgr inż. Julian Kominowski Politechnika Poznańska

Analiza procesu dopuszczenia do eksploatacji tramwaju w Republice Czeskiej

Analysis of tram authorization process in the Czech Republic

The analysis presented in the paper has been carried out based on binding legal regulations (i.e. ordinances and other legal acts) and the documents actually used in the authorization process of new types of urban rail vehicles at the area of the Czech Republic. Particular emphasis has been put on presentation of the methods and guidelines for the tests related to driving safety, comfort, ride quality, noise, pantographs and other properties and components affecting the driving safety.

Przedstawiona w artykule analiza została przeprowadzona na podstawie obowiązujących przepisów prawnych (rozporządzeń i innych aktów prawnych) oraz faktycznie stosowa-nych dokumentach w procesie dopuszczenia do eksploatacji nowych typów miejskich pojazdów szynowych na terytorium Republiki Czeskiej. Szczególny nacisk położono na przedstawienie metodyki oraz wytycznych do badania w zakresie: bezpieczeństwa jazdy, komfortu, spokojności biegu, hałasu, odbieraków prądu oraz pozostałych właściwości i elementów mających wpływ na bezpieczeństwo jazdy.

1 Wprowadzenie Analizę wymagań technicznych, których speł-

nienie stawia się nowo wyprodukowanym miejskim pojazdom szynowych, oparto na treści dostępnych na oficjalnych stronach internetowych instytucji pań-stwowych odpowiedzialnych za regulowanie kwestii związanych z transportem szynowym, a także innych związanych organizacji (np. jednostek badawczych, przedsiębiorstw komunikacji miejskiej itp.). Zdobyte

1. Introduction Analysis of technical requirements for newly

manufactured urban rail vehicles is based on official websites of the state institutions responsible for regulating the matters related to rail transport, as well as of other organizations (e.g. research units, municipal transport companies, etc.). The information obtained this way was compared to normative acts (laws, regulations, standards), using the versions

10


w ten sposób informacje odnoszono do treści aktów o charakterze normatywnym (ustawy, rozporządzenia, normy), korzystając z wersji dostępnych na stronach państwowych i/lub w prawniczych serwisach interne-towych. Tam, gdzie było to możliwe, materiał uzupeł-niono o analizę wymagań stawianych nowym pojaz-dom przez zamawiających w dokumentacji przetar-gowej. W Republice Czeskiej możemy wyróżnić 7 działających sieci tramwajowych o łącznej długości prawie 600 km. Zestawienie długości sieci w po-szczególnych miastach zostało przedstawione w tabli-cy 1.

available on state and/or legal websites. Whenever possible, the material was supplemented with analysis of the requirements imposed on new vehicles by the contracting entities in the tender documents. In the Czech Republic, there are 7 operating tram networks of total length of nearly 600 km. Specification of the network length of particular cities is presented in Table 1.

Miasto City

Liczba pojazdów Number of the

vehicles

Długość sieci Network

length Praga 1005 141 km

Brno 379 139 km

Liberec / Jabłoniec n. N.

67 21 km

Most / Litvinov 108 18 km

Ołomuniec 60 38 km

Ostrawa 291 208 km

Pilzno 106 20 km

Tram network in Czech Republic Table 1 Sieci tramwajowe w Czechach Tabela 1

2 Podstawa prawna Aspekty prawne dopuszczenia nowych pojaz-

dów tramwajowych do eksploatacji w Republice Cze-chach reguluje ustawa o kolejach [1], obejmująca oprócz kolei „żelaznej”, także tramwaje, trolejbusy i koleje linowe. Zgodnie z zapisami § 43 ust. 4 tej ustawy, podstawą decyzji Urzędu Kolejowego (Drážní Úřad) o dopuszczeniu typu pojazdu kolejowego (w tym tramwajowego) jest wynik badania przeprowa-dzonego na koszt wnioskodawcy przez jeden z pod-miotów upoważnionych przez Ministerstwo Transpor-tu. Obecnie takie upoważnienia posiadają podmioty wymienione w tablicy 2.

Szczegółowe wytyczne dotyczące pojazdów zawiera dekret Ministerstwa Transportu z dnia 22 czerwca 1995 r. określający zasady ruchu kolejowego [2]. W § 61 ust. 6 powtórzono, że dopuszczenie typu pojazdu kolejowego następuje na podstawie raportu o zakresie i wynikach badań. Ponadto sprawdzeniu pod-lega dokumentacja techniczna, która musi gwaranto-wać spełnienie przez pojazd wymagań technicznych wymienionych w załącznikach do dekretu, tj. maksy-malnych dróg hamowania oraz szeregu własności, np.

- użycie hamulca awaryjnego musi powodować uruchomienie sygnału alarmowego

- podłogi w pojazdach kolejowych muszą chro-nić przed poślizgnięciem

- minimalna szerokość podwójnych drzwi wyno-si 1300 mm. Bardziej szczegółowo unormowano sposób

dopuszczenia kolejnego egzemplarza tego samego typu. Zgodnie z § 59 oraz 60 ust. 1 przedmiotowego dekretu [3], sprawność techniczną takiego pojazdu stwierdza się na podstawie oświadczenia producenta o zgodności z typem oraz wyniku badań technicznych i bezpieczeństwa, prowadzonych przez upoważnione jednostki. Dalej doprecyzowuje się, że badanie składa się z dwóch części: quasi-statycznej i dynamicznej. W zakres badania quasi-statycznego wchodzą:

- kompletność i poprawność dokumentacji po-jazdu, w tym certyfikatu zgodności wydanego przez producenta

- zgodność pomiędzy dokumentacją techniczną, konstrukcją danego pojazdu i dopuszczonym typem

2. Legal basis Legal aspects of authorization of new trams

operating in the Czech Republic are regulated by the Act on Railways [1], that apart from the railway also includes the trams, trolleybuses and aerial cableway. According to the provisions of § 43, passage 4, of this Act, the decision of the Railway Office (Drážní Úřad) on approval of a of railway vehicle type (inclusive of trams) is based on the result of a test carried out at the expense of the applicant by one of the entities authorized by the Ministry of Transport. At present, the entities listed in Table 2 are in possession of such an authorization.

Detailed guidelines on the vehicles are laid down in the decree of the Ministry of Transport of June 22, 1995, defining the rules of the railway traffic [2]. The § 61, passage 6, stipulates again that the railway vehicle type is approved based on a report presenting the scope and results of the tests. In addition, the technical documentation shall be checked, as it must ensure compliance of the vehicle with the technical requirements set out in the annexes to the decree, i.e. maximum braking distances and several other properties, e.g.

− the use of an emergency brake must trigger an alarm signal;

− the floors of the railway vehicles must be slip-resistant;

− minimum width of the double door amounts to 1300 mm.

Authorization of further vehicle of the same type is standardized in a more detailed way. Pursuant to §59 and 60, passage 1, of the decree [3], the technical efficiency of such a vehicle is ascertained based on the

11


- weryfikacja funkcji poszczególnych części po-jazdu.

manufacturer's statement on the type's compliance and the results of technical and safety tests carried out by authorized units. Moreover, it is clarified that the test consists of two parts: quasi-static and dynamic ones. The quasi-static test includes:

− completeness and correctness of the vehicle's documentation, including the certificate of conformity issued by the manufacturer;

− compatibility of technical documentation with construction of the vehicle and its approved type;

− verification of the functions of particular vehi-cle parts.

The entities authorized by the Ministry of Transport to perform the technical tests serving as a basis for approval of a railway vehicle type. As of June 2017 [3] Table 2

Nazwa Name

Dane kontaktowe Contact details

Zakres ważności upoważnienia Authorization scope

Termin ważności

upoważnienia Expiry date of

the authorization

Dopravní podnik Ostrava a.s.

Poděbradova 494/2, Ostrava - Moravská Ostrava https://www.dpo.cz/

Pojazdy tramwajowe i trolejbusy Trams and trolleybuses

22.04.2020

Státní zdravotní ústav

Šrobárova 48, Praha 10 http://www.szu.cz/

Pojazdy kolei żelaznej, pojazdy tramwajowe, trolejbusy i pojazdy kolei linowych Rail vehicles, trams, trolleybuses and aerial cableway vehicles

26.02.2019

ŠKODA TRANSPORTATION a.s.

Emila Škody 2922/1, 301 00 Plzeň https://www.skoda.cz/

Pojazdy kolei żelaznej, pojazdy tramwajowe i trolejbusy oraz części tych pojazdów Rail vehicles, trams and trolleybuses, inclusive of their components

10.01.2022

VÚKV a. s. Bucharova 1314/8, Praha 5 http://www.vukv.cz/uvod

Pojazdy kolei żelaznej, pojazdy tramwajowe i pojazdy naziemnych kolei linowych Rail vehicles, trams, trolleybuses and cable railway vehicles

21.06.2018

Výzkumný Ústav Železniční a. s.

Novodvorská 1698, Praha 4 – Braník http://www.cdvuz.cz/

Pojazdy kolei żelaznej i pojazdy tramwajowe Rail vehicles and trams

3.11.2019

Ústav aplikované mechaniky Brno, s.r.o.

Resslova 972/3, 602 00 Brno – Veveří http://www.uam.cz/

Pojazdy tramwajowe i wybrane pojazdy kolei żelaznej w zakresie: − testów statycznych i dynamicznych pojazdów i ich

komponentów − badań zmęczeniowych komponentów − pomiaru ekspozycji hałasu i wibracji − określania masy, sił i momentów skręcających − pomiarów pól termicznych i temperatur Trams and some rail vehicles in the scope of: − static and dynamic tests of the vehicles and their

components; − fatigue tests of the components; − measurement of noise and vibration exposure − determination of the mass, force and torsional

moments − measurement of thermal fields and temperatures

12.08.2021

ZKV s.r.o. Wolkerova 2766, 272 01 Kladno http://www.zkv.cz/

Wszystkie pojazdy All the vehicles

20.02.2019

Podmioty upoważnione przez Ministerstwo Transportu do wykonywania badań technicznych będących podstawą uzyskania zatwierdzenia typu pojazdu kolejowego. Stan na czerwiec 2017 r. [3] Tablica 2

Badanie dynamiczne powinno zostać prze-prowadzone na odcinku toru z „korzystnymi” promie-niami łuków poziomych i pionowych oraz dopusz-czalną prędkością maksymalną, równą przynajmniej prędkości testowej. Zespoły trakcyjne badane są w takim zestawieniu, w jakim będą później eksploato-wane. W trakcie testów dynamicznych pojazdy obcią-ża się w pełni.

W przypadku pojazdów tramwajowych, celem testów jest skontrolowanie:

− danych prędkościomierza

12


− działanie i skuteczność wszystkich typów ha-mulców

− funkcjonalność systemów automatyki i bez-pieczeństwa jazdy. Po wykonaniu testu dynamicznego kontroluje

się stan techniczny pojazdu, a z przebiegu badania sporządza się raport. Zgodnie z § 60 ust. 7 dekretu [2], dokładny zakres i sposób prowadzenia badania tech-nicznego i bezpieczeństwa zawiera norma ČSN 28 1300 [4]. 3 Wymagania normy ČSN 28 1300

Oprócz badania wymaganego dekretem, nor-ma opisuje także testy typu i testy kolejnych egzem-plarzy pojazdów tramwajowych, zebrane w tablicy 3. W kolejnych podpunktach opisano dokładniej wyma-gania normy [4] dotyczące testów istotnych z punktu widzenia realizacji celu niniejszej analizy.

1. Statyczny test wytrzymałości pudła i podwo-zia. Statyczne badania wytrzymałościowe wykonuje się zgodnie z pkt 6.2 normy EN 12663 [5].

2. Dynamiczny test wytrzymałości. Zmęczenio-we badania wytrzymałościowe wykonuje się zgodnie z pkt 6.3 normy EN 12663 [5].

3. Test przystosowania pojazdu do nierówności toru. Test polega na ważeniu pojazdu z odpo-wiednim położeniem kół indywidualnych, odpowiadającym pozycji kół na nierówno-ściach toru tramwajowego odpowiadającego normie ČSN 73 6412 [6] oraz normie ČSN 73 6405 [7].

4. Test jakości biegu. Przy teście jakości biegu wykonywane są pomiary:

a) przy zwiększających się stopniowo prędko-ściach, aż do najwyższej dozwolonej pręd-kości pojazdu, w celu ustalenia wartości ja-kości biegu Wz. Pomiar prowadzi się na te-stowym torze tramwajowym bez rozjazdów, możliwie prostym lub z łukami o promie-niach większych niż 1000 m, z powierzch-niami tocznymi szyn bez falistości. Testowy odcinek toru tramwajowego musi odpowia-dać normom technicznym ČSN 73 6412 [6] oraz ČSN 73 6405 [7], przy czym maksy-malna prędkość dopuszczalna toru musi być o 10 km/h wyższa niż prędkość konstruk-cyjna pojazdu

b) względnych przemieszczeń i przyspieszeń pojedynczych części pojazdu na torach tramwajowych spełniających normy ČSN 73 6412 [6] oraz ČSN 73 6405 [7].

Ocena testu wykonywana jest według ISO 2631-1 [8]. 1 W opracowaniu przedstawiono własne tłumaczenie tekstu w języku czeskim; w przypadku niejasności możliwe jest przedstawienie oryginału normy 2 Brzmienie nadane zmianą do normy ČSN 28 1300 [4] z roku 2002 3 Brzmienie nadane zmianą do normy ČSN 28 1300 [4] z roku 2002 4 Norma dotyczy wpływu drgań na ludzi

The dynamic test should be carried out on a track section of "favorable" horizontal and vertical curve radii, with maximum allowed speed equal at least to the test speed. The multiple-unit sets are tested in the arrangement equal to that in which they are intended to be operated in the future. For the dynamic test purposes the vehicles are fully loaded.

In the case of trams the tests are aimed at checking:

− speedometer readings; − operation and effectiveness of all types of the

brakes; − functionality of automation and driving safety

systems. After the dynamic test the technical condition of

the vehicle is checked, and the course of the test is reported accordingly. Pursuant to § 60, passage 7, of the decree [2], the exact scope and the manner of accomplishment of technical and safety tests are described by the Standard ČSN 28 1300 [4].

1 The study presents own translation of the text in Czech; in case of ambiguity the original standard may be presented.

2 The wording changed by amendment to the Standard ČSN 28 1300 [4] of 2002.

3 The wording changed by amendment to the Standard ČSN 28 1300 [4] of 2002.

4 The Standard is related to vibration impact on people.

3. Requirements of the ČSN 28 1300 Standard Apart from the test required by the decree, the

standard also describes the type tests and the tests of further trams, summarized in Table 3. Particular subsections of the standard specify its requirements [4] for tests relevant for purpose of the analysis1.

1. Static strength test of the body and chassis – the static strength tests are carried out in accordance with clause 6.2 of EN 12663 [5]) 2.

2. Dynamic strength test – the fatigue strength tests are carried out in accordance with clause 6.3 of EN 12663 [5] 3.

3. Test of vehicle adaptation to track unevenness – the test consists in weighing the vehicle, keeping the positions of the wheels corresponding to unevenness of the tram track, in accordance with the standards ČSN 73 6412 [6] and ČSN 73 6405 [7].

4. Ride quality test – the following measurements are carried out while testing the ride quality: a) at gradually increasing speed, up to the

highest allowed speed of the vehicle, with a view to determine the ride quality value Wz. The measurement is carried out on a tram test track being straight or curved to a radius over 1000 m, without turnouts and without pitch corrugation of the rail surface. The test tram track section must comply with the technical standards ČSN 73 6412 [6] and ČSN 73 6405 [7].

13


5. Test przejazdu po łuku. Podczas testu spraw-dza się, czy pojazd bez obciążenia i z maksy-malnym obciążeniem użytecznym Gmax bez-piecznie przejedzie po minimalnych łukach wskazanych w normie ČSN 73 6412 [6]. Pod-czas jego wykonywania zwraca się uwagę na połączenia mechaniczne i elektryczne między podwoziem i pudłem oraz pomiędzy połączo-nymi ze sobą wagonami.

a) Maximum allowed speed at the track should exceed the design speed of the vehicle by 10km/h.

b) relative displacements and accelerations of particular parts of the vehicle on tram tracks meeting ČSN 73 6412 [6] and ČSN 73 6405 [7] standards.

The test is evaluated according to ISO 2631-1 [8]4 5. The test of running on curved track – it is to

check whether the vehicle without load and with maximum effective load Gmax is able to pass safely the curves of minimum radii specified in the ČSN 73 6412 standard [6]. During the test attention is paid to mechanical and electrical connections between the chassis and the body as well as between the coupled wagons.

Rodzaj testu The kind of the test

Nazwa testu Name of the test Test typu

Type test Test kolejnego egzemplarza

The test of further tram

Testy mechaniczne Mechanical tests

Pomiar masy pojazdu Measurement of vehicle mass

X

Test szczelności obudów osprzętu elektrycznego Leak test of electrical equipment housings

X

Test wodoszczelności pudła Test of water resistance of the body

X X

Statyczny test wytrzymałości pudła i podwozia Static strength test of the body and chassis

X

Dynamiczny test wytrzymałości Dynamic strength test

X

Test przystosowania pojazdu do nierówności toru The test of vehicle fitness for track unevenness

X

Test jakości biegu Test of ride quality

X

Test przejazdu po łuku Test of the ride on curved track

X

Test hałasu pojazdu Test of vehicle noise

X

Test drgań pojazdu Test of vehicle vibration

X

Testy elektryczne Electrical tests

Wstępna rewizja wyposażenia elektrycznego Preliminary inspection of electrical equipment

X X

Mierzenie izolacji Insulation measurement

X X

Test napięcia Voltage test

X X

Test napięcia udarowego Overvoltage test

X

Test uziemienia i uszynienia obwodów elektrycznych Test of connection of electrical circuits to earth and rail

X X

Test szczotek uziemienia Test of earth return brushes

X X

Test nagłych zmian napięcia Test of sudden voltage variations

X

Test zwarcia na urządzeniach trakcyjnych Test of short-circuit of the propulsion equipment

X

Test zwarcia Short-circuit test

X

Mierzenie poziomu wewnętrznych przepięć Measurement of internal overvoltage values

X

Mierzenie spadku napięcia Voltage drop measurement

X

Minimum scope of the type tests and the tests of further trams in accordance with ČSN 28 1300 [4] standard. The tests marked with X are hereinafter described. Table 3

Minimalny zakres testów typu i testów dla każdego egzempla-rza pojazdu tramwajowego zgodnie z normą ČSN 28 1300 [4], wyróżniono testy opisane w dalszej części artykułu Tablica 3

14


Test efektywności trakcji i nagrzewania się obwodów trakcyjnych Test of traction effectiveness and heating of the main circuits

X

Test ruszania i przyspieszania Test of starting and accelerating

X

Test współpracy hamulców i hamowania Test of brake interaction and braking process

X

Mierzenie poboru energii elektrycznej Wattage measurement

X

Mierzenie zakłóceń napięcia i pola Measurement of voltage and electric field disturbance

X

Mierzenie falowania prądu sieciowego przy jeździe i rekuperacji Measurement of the network current rippling while running and regenerative braking

X

Testy funkcjonalne Operating tests

Test działania i włączania urządzeń pomocniczych Test of operation and switching of auxiliary equipment

X

Test urządzeń sprzęgłowych mechanicznych i elektrycznych Test of mechanical and electrical coupling devices

X X

Test urządzeń ładowania i akumulatorów Test of accumulator charging devices

X

Test jazdy Running test

X X

Test warsztatowy Workshop test

X

Test hamulca elektrodynamicznego Electric brake test

X

Test systemu sygnalizacji i informacji Test of signalling and information system

X X

Test oświetlenia wewnętrznego i zewnętrznego Test of internal and external lighting

X X

Test ogrzewania i wentylacji Heating and ventilation test

X

Test funkcjonowania drzwi Test of door operation

X X

6. Test hałasu pojazdu - Test prowadzi się zgod-nie z normą ISO 3095 [9] oraz ISO 3381 [10].

7. Test drgań pojazdu - Test drgań wykonuje się zgodnie z normami ISO 2631-1 [8], ISO 2631-3 [11] oraz ISO 5349 [12,13]. Mierzenie całkowitych drgań wykonuje się na siedzeniu motorniczego oraz w przestrzeni pasażerskiej na siedzeniach i na podłodze nad wózkami wagonu i w środku wagonu. Pomiar miejsco-wych drgań wykonuje się na poręczy pulpitu maszynisty. Przyspieszenia drgań przenoszonych na czło-wieka mierzy się w pasmach tercjowych, w zakresach częstotliwości zgodnych z [14]. Średnie poziomy przyspieszeń drgań zmie-rzone w pojedynczych trybach testowych po-równuje się z największymi wartościami do-puszczalnymi dla ekspozycji ośmiogodzinnej, zgodnie z [14]. Pomiar i ocenę wibracji wykonuje się podczas jazdy pojazdu z prędkością 40 km/h ± 10%. Kontrolne pomiary i ocenę wykonuje się przy maksymalnej dopuszczalnej prędkości pojaz-du przy obciążeniu odpowiadającym połowie maksymalnego zapełnienia pojazdu.

8. Test współpracy hamulców i hamowania - Podczas testu sprawdza się niezawodność wszystkich typów hamulców zainstalowanych

6. Vehicle noise test - the test is carried out in accordance with ISO 3095 [9] and ISO 3381 [10] Standards.

7. Vehicle vibration test – the vibration test is carried out in accordance with ISO 2631-1 [8], ISO 2631-3 [11] and ISO 5349 [12,13] Standards. Total vibration is measured on the tram driver's seat and in the passenger compartment, on the seats and on the floor above the tram bogies and in the middle of the wagon. The local vibration is measured on the handrail of the driver's desk. Acceleration of the vibration transmitted to humans is measured in 1/3 octave bands, in frequency ranges defined in compliance with [14]. The average vibration acceleration levels measured in particular test modes are compared to the highest allowed values for the case of eight-hour exposure, according to [14]. The vibration is measured and assessed while driving a vehicle at a speed of 40km/h±10%. The control measurements and assessments are carried out at maximum permissible speed of the vehicle, loaded to half maximum vehicle load.

8. Brake interaction and braking test - the test verifies reliability of all brake types installed on the vehicle and their interaction under all braking modes. During the test the following items are checked:

15


na pojeździe oraz ich współpracę we wszyst-kich trybach pracy hamulca. Podczas testu sprawdza się, czy:

a) hamulec bezpieczeństwa utrzyma pojazd z maksymalnym obciążeniem użytecznym Gmx na największym wzniesieniu podłużnym

b) średnia i największa wartość opóźnienia przy wszystkich rodzajach hamowania mieści się w ustanowionych limitach. Ponadto badaniu podlega działanie urządzeń przeciwpoślizgowych. Wszystkie rodzaje ha-mulca muszą odpowiadać wymaganiom z de-kretu [2] oraz z załącznika A do normy ČSN 28 1300 [4], przy jeździe z maksymalną pręd-kością wynikającą z dokumentacji technicznej pojazdu.

9. Test jazdy - Test jazdy wykonuje się na dłu-gości przynajmniej 100 km.

10. Test funkcjonowania drzwi - Podczas testu sprawdza się:

a) konstrukcję drzwi pod względem ich wymia-rów

b) funkcje drzwi: możliwość ich otwarcia i za-mknięcia, siłę na skrzydłach drzwi, działanie sygnałów optycznych i akustycznych, blokadę drzwi ze stanowiska motorniczego, blokadę możliwości jazdy z otwartymi drzwiami, za-bezpieczenie przeciw otwieraniu drzwi pod-czas jazdy, awaryjne otwieranie drzwi, stero-wanie drzwi przez pasażerów.

a) ability of the emergency brake to keep immo-bile the vehicle loaded with maximum service load Gmx on the highest longitudinal slope;

b) whether the average and the highest decelera-tion values during all braking types are within the established limits. In addition, operation of anti-skid devices is tested. All the brake types must comply with the requirements of the decree [2] and the An-nex A of the ČSN 28 1300 standard [4] when driving at maximum speed defined by techni-cal documentation of the vehicle.

9. Running test – the running test is carried out for the distance of at least 100 km.

10. Door operation test – the following items are checked during the test:

a) door structure, with consideration of their di-mensions;

b) door features: possibility of opening and clos-ing, the force acting on the door leaves, opera-tion of optical and acoustic signals, door lock-down from the tram driver's seat, preventing the running with open doors, protection against opening the door while running, emer-gency opening of the door, passengers’ control of the door.

4. Additional requirements

The requirements related to the pantographs are set out only in Annex 3, part 2, to the decree [2] that states "The pantograph must ensure reliable collection of electricity from the overhead line in the entire working range, up to the maximum design speed of the vehicle". The scope of accreditation of the units specified in Table 2 is given on the website of the accreditation body, http://www.cia.cz/. It includes a list of national and international standards that may be used by the entities while performing various kinds of research. 5. Tender specifications

During recent years the tenders for new trams have been issued, among others, by urban transport operators in Ostrava [15], Most and Litvinov [16], however the second of them was cancelled. Technical specifications in both remaining cases have been related, first of all, to the design of passenger space and some specific design solutions (e.g. battery type, lacquer thickness, the way of passenger’s use of the door, etc.). In both cases satisfaction of the crash-test requirements of category C-IV (in Ostrava called "V-IV") according to EN 15227 [17]5 was required. This is the only requirement of this kind included in the specifications for Most and Litvinov, nevertheless, a computer simulation is considered to be sufficient evidence of the compliance.

5 The Standard is not directly referred to in the ČSN 28 1300 [4] Standard

4 Dodatkowe wymagania

Wymagania dotyczące odbieraków prądu za-warte jest wyłącznie w zał. 3 cz. 2 do dekretu [2] i brzmi „Odbierak prądu musi zapewnić niezawodny odbiór prądu z sieci trakcyjnej w całym zakresie robo-czym, aż do najwyższej prędkości konstrukcyjnej pojazdu”. Zakres akredytacji jednostek wymienionych w tabeli 2 można znaleźć na stronie podmiotu akredy-tującego, http://www.cia.cz/. Zawiera on wykaz norm krajowych i międzynarodowych, które dana jednostka może wykorzystywać do wykonywania poszczegól-nych typów badań. 5 Specyfikacje przetargowe

W ostatnich latach przetargi na nowe tramwa-je zostały ogłoszone m.in. przez operatorów transpor-tu miejskiego w Ostrawie [15] oraz w Moście i Litwi-nowie [16], przy czym drugi z przetargów został anu-lowany. Specyfikacje techniczne w obu przypadkach dotyczyły przede wszystkim projektowania przestrze-ni pasażerskiej oraz pewnych specyficznych rozwią-zań konstrukcyjnych (np. typu akumulatorów, grubo-ści lakieru, sposobu interakcji pasażerów z drzwiami itp.). W obu przypadkach postawiono wymóg spełnie-nia wymagań zderzeniowych kategorii C-IV (w Ostrawie nazwanych „V-IV”) według normy EN

16


been stipulated, in accordance with the methods referred to in the standards [9,10], shown in Table 4.

Specification of trams for Ostrava includes several additional requirements. Maximum sound levels have

5Norma ta nie jest wprost wymieniona w normie ČSN 28 1300 [4]

15227 [17] 5. Jest to jedyny tego typu wymóg w specyfikacji dla Mostu i Litwinowa, przy czym zazna-czono w niej, że wystarczający jest dowód w postaci symulacji komputerowej.

Specyfikacja tramwajów dla Ostrawy obej-muje kilka dodatkowych wymogów. Określono mak-symalne poziomy dźwięku, wyznaczone zgodnie z metodami opisanymi w normach [9,10], zamieszczone w tablicy 4.

Maksymalne wartości poziomu dźwięku wymagane w przetargu dla Ostrawy [15] Tablica 4

Maximum values of the sound level required in the tender for Ostrava [15] Table 4

M iejsce p o m ia r u M ea su r in g lo c a tio n

P o ja z d sto jący S ta tio n a ry

v e h ic le

P o ja z d ja d ący

V e h ic le in m o tio n

W ew ną trz p o ja z d u In sid e th e v e h ic le

7 0 d B 7 5 d B

N a zew ną trz p o ja zd u O u tsid e th e v e h ic le

6 5 d B 8 0 d B

Moreover, the vehicles for Ostrava were intended to meet the requirements of EN 12663-1 [5] related to vehicle body design, stipulated for the vehicles of category P-V (trams) and the requirements of relevant clauses of EN 14752 [18]6) concerning lateral doors to the rail vehicles. In terms of the number of emergency exits and handrails the requirements of the regulation [19] pertaining to road vehicles were in force. The air-conditioning system was intended to meet the requirements of EN 14750-1 [20], category B, in case of normal use of the vehicle, i.e. with all seats occupied and 2 persons per square meter.

The research was carried out as a part of the

research project No. 05/52/DSMK/0286 and P05/52/DSPB/0277, financed from the funds of the Faculty of Transport Engineering of the Poznan University of Technology.

6 The Standard is not directly referred to in the ČSN 28 1300 [4] Standard

Ponadto, pojazdy dla Ostrawy miały spełniać wyma-gania normy EN 12663-1 [5] odnośnie konstrukcji pudła, ustalone dla pojazdów kategorii P-V (tramwa-je) oraz wymagania właściwych punktów normy EN 14752 [18] 6), dotyczących wejść bocznych do pojaz-dów szynowych. W zakresie liczby wyjść awaryjnych oraz poręczy obowiązywały wymagania regulaminu [19], dedykowanego pojazdom drogowym. System klimatyzacji miał spełniać wymagania normy EN 14750-1 [20], kategoria B, przy normalnym wykorzy-staniu pojazdu, tj. wszystkich siedzeniach zajętych i 2 osobach na metr kwadratowy.

Badania zrealizowano w ramach projektu

badawczego nr 05/52/DSMK/0286 oraz P05/52/ DSPB/0277, finansowanego ze środków Wydziału Inżynierii Transportu Politechniki Poznańskiej.

Bibliography / Bibliografia [1] Parlament České republiky. Zákon o dráhách. 1994. [2] Ministerstvo dopravy. Vyhláška Ministerstva dopravy,

kterou se vydává dopravní řád drah. 1995. [3] Ministerstvo dopravy. Seznam právnických osob

pověřených Ministerstvem dopravy podle zákona o dráhách 2017. http://www.mdcr.cz/getattachment/Dokumenty/Drazni-doprava/Seznamy-uradu-a-pravnickych-osob/Seznam-pravnickych-osob/Seznam_voz_01032017-(1).doc.aspx?lang=cs-CZ (accessed June 2, 2017).

[4] Úřad pro technickou normalizaci metrologii a státní zkušebnictví. ČSN 28 1300+Z2:2006 Tramway vehicles - Technical Requirements and Tests [in Czech] 1998.

[5] European Committee for Standardization. EN 12663-1:2010+A1:2014 Railway applications - Structural requirements of railway vehicle bodies - Part 1: Locomotives and passenger rolling stock (and alternative method for freight wagons) 2010.

[6] Úřad pro technickou normalizaci metrologii a státní zkušebnictví. ČSN 73 6412 Geometrical arrangement of track for tramway lines [in Czech] 2017.

[7] Úřad pro technickou normalizaci metrologii a státní zkušebnictví. ČSN 73 6405 Projecting of tramway lines [in Czech] 1996.

[9] International Standard Organisation. ISO 2631-1:1997+A1:2010 Mechanical vibration and shock - Evaluation of human exposure to whole-body vibration - Part 1: General requirements 1997.

[10] International Standard Organisation. ISO 3095:2013 Acoustics - Railway applications - Measurement of noise emitted by railbound vehicles 2013.

[11] International Standard Organisation. ISO 3381:2005 Railway applications - Acoustics - Measurement of noise inside railbound vehicles 2005.

[12] International Standard Organisation. ISO 2631-3:1985 Evaluation of human exposure to whole-body vibration - Part 3: Evaluation of exposure to whole-body z-axis vertical vibration in the frequency range 0,1 to 0,63 Hz 1985.

[13] International Standard Organisation. ISO 5349-1:2001 Mechanical vibration - Measurement and evaluation of human exposure to hand-transmitted vibration - Part 1: General requirements 2001.

[14] International Standard Organisation. ISO 5349-2:2001+A1:2015 Mechanical vibration - Measurement and evaluation of human exposure to hand-transmitted vibration - Part 2: Practical guidance for measurement at the workplace 2001.

[15] Vláda České republiky. Nařízení Vlády ze dne 24. srpna 2011 o ochraně zdraví před nepříznivými účinky hluku a vibrací. 2011.

[16] Dopravní podnik Ostrava a.s. Zadávací dokumentace zadávacího řízení „Dodávka 40 ks nových nízkopodlažních středněkapacitních tramvají“ - Specifikace 2016.

[17] Dopravní Podnik měst Mostu a Litvínova a.s. Zadávací dokumentace nadlimitní veřejné zakázky - Dodávka 2 ks nových plně nízkopodlažních tramvají o délce 20-24 m pro městský a příměstský provoz - Technická specifikace a další podmínky 2016.

17


[18] European Committee for Standardization. EN 15227:2008+A1:2010 Railway applications - Crashworthiness requirements for railway vehicle bodies 2008.

[19] European Committee for Standardization. EN 14752:2015 Railway applications - Body side entrance systems for rolling stock 2015.

[20] Regulamin nr 107 – Jednolite przepisy dotyczące homologacji pojazdów kategorii M2 lub M3 w odniesieniu do ich budowy ogólnej [2015/922]. Europejska Komisja Gospodarcza Organizacji Narodów Zjednoczonych (EKG ONZ); n.d.

[21] European Committee for Standardization. EN 14750-1:2006 Railway applications - Air conditioning for urban and suburban rolling stock - Part 1 Comfort parameters 2006.

Zastosowanie napędów hybrydowych w lokomotywach spalinowych

mgr inż. Tymoteusz Rasiński dr inż. Maciej Michnej Politechnika Krakowska

Application of hybrid drives in diesel locomotives

Limitation of the toxic substances emission into the atmosphere in transport is one of the main priorities of the European Commission. The transport is increasingly contributing to air pollution. The alternative sources of energy and popularization of the sustainable ways of traveling and freight transport are the solution to this problem. This will allow not only to limit the pollutant emissions and reduce the fuel consumption, but also to reduce the operating costs of rail vehicles. In this article the authors analysed the structural solutions of hybrid drives in the rail vehicles and carried out an assessment of these solutions in terms of functionality and operation. As a result of the carried out analysis, the concept of hybrid drives for the basic series of diesel locomotives operated in Poland was presented.

Ograniczenie emisji toksycznych substancji do atmosfery w transporcie jest jednym z głównych priorytetów Komisji Europejskiej. Coraz większy udział w zanieczyszczeniu powietrza ma transport. Rozwiązaniem tego problemu są alternatywne źródła energii oraz popularyzacja zrównoważonych sposobów podróżowania i transportu ładunków. Pozwoli to nie tylko na ograniczenie emisji zanieczyszczeń i zmniejszenie zużycia paliwa, ale również na obniżenie kosztów eksploatacji pojazdów szynowych. W niniejszym artykule autorzy dokonali analizy rozwiązań konstrukcyjnych napędów hybrydowych w pojazdach szynowych oraz przeprowadzili ocenę tych rozwiązań pod względem funkcjonalności i eksploatacji. W wyniku przeprowadzonej analizy przedstawiono koncepcję napędów hybrydowych dla podstawowych serii lokomotyw spalinowych eksploatowanych w Polsce.

1. Wprowadzenie

W ostatnich kilku latach, w związku z coraz bar-dziej restrykcyjnymi normami środowiskowymi, pań-stwa Unii Europejskiej dążą do ograniczenia nega-tywnego wpływu transportu na środowisko. Rosnąca liczba pojazdów z silnikami spalinowymi, tj. samo-chodów, ciężarówek, pojazdów kolejowych, powodu-je wzrost emisji węglowodorów, tlenku węgla, dwu-tlenku węgla i tlenków azotu. Dlatego też konieczne

1. Introduction

In the last few years due to the more and more re-strictive environmental standards, the European Union countries strive to limit the negative impact of trans-port on the environment. The growing number of ve-hicles with diesel engines, i.e. cars, trucks, railway vehicles, causes an increase in the emission of hydro-carbons, carbon monoxide, carbon dioxide and nitro-gen oxides. Therefore, it is necessary to work on

18


są prace nad alternatywnymi źródłami zasilania pojaz-dów, które pozwolą ograniczyć emisję toksycznych zanieczyszczeń do atmosfery. Jednym z takich roz-wiązań jest hybrydowy układ napędowy, który pozwa-la na zmniejszenie jednostkowego zużycia paliwa oraz odzysk dużej ilości energii podczas eksploatacji po-jazdu. Początkowo system ten wdrażano jedynie w konstrukcjach samochodów osobowych i autobusów, a obecnie dość dużą popularność zyskuje również w pojazdach trakcji spalinowej [1].

Duże koszty wynikające z utrzymania przestarza-łego taboru skłaniają przedsiębiorstwa kolejowe do inwestowania w nowe technologie oraz do coraz po-wszechniejszego wykorzystywania alternatywnych źródeł energii. W celu zmniejszenia kosztów eksplo-atacji oraz zwiększenia wydajności, rozpoczęto prace nad zastosowaniem napędu hybrydowego w pojaz-dach szynowych. Pomimo wysokich kosztów począt-kowych inwestycja ta może stosunkowo szybko się zwrócić ze względu na zmniejszenie zużycia paliwa, dodatkowo pozwalając na ograniczenie negatywnego wpływu środków transportu na środowisko. 2. Analiza hybrydowych układów napędowych

Aktualnie rynek hybrydowych pojazdów trakcyj-nych w Europie jest w fazie rozwojowej. Wiodącymi producentami tego typu rozwiązania są koncerny, tj.: General Electric ze Stanów Zjednoczonych, Railpo-wer Technologies Corporation z Kanady oraz Toshiba Corporation z Japonii. Przedsiębiorstwa te, jako jedne z pierwszych, dzięki modernizacji starych spalino-wych lokomotyw manewrowych i liniowych, wdroży-ły do eksploatacji lokomotywy z napędem hybrydo-wym [2].

2.1. Railpower Technologies Corporaton

W 2001 roku firma Railpower Technologies Cor-poration rozpoczęła prace nad pierwszym prototypem lokomotywy spalinowej z napędem hybrydowym. Prototyp ten dał bazę do powstania w kolejnych la-tach, lokomotyw manewrowych GK10B i GG20B oraz liniowych RP20BH i RP20BD. Zastosowano w nich zespół prądotwórczy, składający się z silnika spalinowego oraz prądnicy synchronicznej. Zespół ten generuje energię elektryczną, która magazynowana jest w wysokowydajnych zasobnikach akumulatoro-wych. Silniki trakcyjne w zależności od zapotrzebo-wania mogą być zasilane za pomocą przekształtników z prądnicy głównej lub energią zgromadzoną w bate-riach. Za optymalne wykorzystanie zmagazynowanej energii odpowiada system mikroprocesorowy. W za-leżności od eksploatacyjnego przeznaczenia pojazdu dobierana jest odpowiednia ilość modułów akumula-torowych oraz moc silnika spalinowego [1, 3].

W lokomotywach hybrydowych przeznaczonych do ruchu manewrowego GK10B (rys. 1) i GG20B (rys. 2) ze względu na charakter ich pracy, silnik spa-linowy wykorzystuje się jedynie do ładowania modu-

alternative sources of vehicle power supply that will help to limit the emission of toxic pollutants into the atmosphere. One of such solutions is a hybrid drive system, which allows to reduce the unit fuel consumption and to recover a large amount of energy while operating of the vehicle. Initially, this system was implemented only in the construction of passenger cars and buses, and now it is also quite popular in diesel traction vehicles [1].

Large costs resulting from the maintenance of outdated railway rolling stock inclined the railway companies to invest in the new technologies and to the more and more popular using of alternative energy sources. In order to reduce the operating costs and increase the efficiency, the works were started on the use of hybrid drive in the rail vehicles. Despite the high initial costs, this investment can be relatively quick to pay back due to the reduction of fuel consumption, additionally allowing to limit the negative impact of transport on the environment.

2. Analysis of hybrid drive systems Currently the market of hybrid traction vehicles in

Europe is in the development phase. The leading producers of this type of solution are the following concerns: General Electric from the United States, Railpower Technologies Corporation from Canada and Toshiba Corporation from Japan. These companies, as one of the first, have implemented locomotives with hybrid drive to operation due to the modernization of old combustion shunting and line locomotives [2].

2.1. Railpower Technologies Corp. In 2001. Railpower Technologies Corporation

began working on the first prototype of a hybrid diesel locomotive. This prototype gave the basis for the development of GK10B and GG20B shunting locomotives as well as RP20BH and RP20BD line locomotives in the following years. A generating set is used in them, consisting of a diesel engine and a synchronous generator. This set generates electricity, which is stored in the high-capacity battery storage units. Traction engines, depending on the demand, can be powered by converters from the main generator or energy accumulated in batteries. The microprocessor system is responsible for the optimal use of the stored energy. Depending on the operational use of the vehicle, the appropriate number of battery modules and the power of the diesel engine are selected [1, 3].

In hybrid locomotives designed for GK10B shunt-ing movement (Fig. 1) and GG20B (Fig. 2) due to the nature of their operation, the diesel engine is used only for charging the battery modules. It allows to signifi-cantly reduce the idle fuel consumption, constituting from 50 to 80% of the total working time of shunting locomotives [4]

19


łów akumulatorowych. Pozwala to znacząco obniżyć zużycie paliwa na biegu jałowym, stanowiącym od 50 do 80% całkowitego czasu pracy lokomotyw mane-wrowych [4].

3 4 5

Fig. 1. Locomotive of GK10B series of Railpower Technologies Corp. company [5]

Rys. 2. Lokomotywa serii GK10B firmy Railpower Technologies Corp. [5]

1 – driver’s cab; 2 – electrical equipment; 3 – battery module; 4 – compressor; 5 – generating set

1 – kabina maszynisty; 2 – wyposażenie elektryczne; 3 – moduł baterii; 4 – sprężarka; 5 - zespół prądotwórczy

1

2 3 4 5

In the hybrid diesel locomotives, however, used for the line motion RP20BH (Fig. 3) and RP20BD (Fig. 4), a large diesel engine was replaced with two smaller drive units, supported by battery storage units. This solution allows to reduce the emission of harmful pollutants and noise during passage through the urban-ized area, thanks to the use of energy accumulated in the batteries.

1 2 3 4 5 5

Fig. 3. Locomotive of RP20BH series of Railpower Technologies Corp. company [5]

Rys. 3. Lokomotywa serii RP20BH firmy Railpower Technologies Corp. [5]

1 – driver’s cab; 2 – electrical equipment; 3 – battery module; 4 – compressor; 5 - generating set


W lokomotywach spalinowych z napędem hybry-dowym wykorzystywanych do ruchu liniowego RP20BH (rys. 3) i RP20BD (rys. 4), duży silnik spali-nowy zastąpiono dwoma mniejszymi jednostkami napędowymi wspomaganymi przez zasobniki akumu-latorowe. Takie rozwiązanie pozwala zredukować emisję szkodliwych zanieczyszczeń oraz hałas pod-czas przejazdu przez teren zurbanizowany, dzięki wykorzystaniu energii zgromadzonej w akumulato-rach.

1 2 4 5 5 5

Rys. 4. Lokomotywa seriiRP20BD firmy Railpower Technologies Corp. [5]

Fig 4. Locomotive of RP20BD series of Railpower Technologies Corp. company[5]


1 – driver’s cab; 2 – electrical equipment; 3 – battery module; 4 – compressor; 5 - generating set

Technical data of hybrid locomotives built on the ba-sis of the Railpower Technologies Corporation proto-type is shown in Table 1.

Parametry techniczne

Serie lokomotyw Moc

lokomotywy [kW / KM]

Moc silnika spalinowego [kW / KM]

Baterie

GK10B 735 / 1000 88,2 / 120 700 VDC, 600 Ah GG -manewrowe GG20B 1470 / 2000 197 / 268 700 VDC, 1200 Ah

RP20BH 1470 / 2000 490 / 667 (dwa silniki) 700 VDC, 600 Ah

RP - liniowe

RP20BD 1470 / 2000 490 / 667 (trzy silniki)

funkcja pomocnicza

Dane techniczne lokomotyw hybrydowych Railpower Technologies Corporation [5] Tablica 1 Technical data of hybrid locomotives of Railpower Technologies Corporation [5] Table 1

Fig. 2. Locomotive of GG20B series of Railpower Technologies Corp. company [5]

Rys. 2. Lokomotywa serii GG20B firmy Railpower Technologies Corp. [5]

1 – driver’s cab; 2 – electrical equipment; 3 – battery module; 4 – compressor; 5 – generating set


20


2.2. General Electric

W 2007 roku firma General Electric, w ramach programu Ecomagination zaprezentowała swój pierw-szy prototyp lokomotywy z napędem hybrydowym o nazwie GE Evolution Hybrid (rys. 5). Zmodernizowa-ny pojazd szynowy, o masie 207 ton, zgodnie ze wstępnymi założeniami miał pozwolić na zaoszczę-dzenie w ciągu roku takiej ilości energii, jaką może zużyć 160 gospodarstw domowych [1, 2].

Rys. 5. Lokomotywa hybrydowa GE Evolution Hybrid [1]

2.2. General Electric

In 2007. General Electric, as part of the Ecomagi-nation program, presented its first prototype of a lo-comotive with the hybrid drive called the GE Evolu-tion Hybrid (Fig.5). The modernized rail vehicle weighing 207 tons, in accordance with the initial as-sumptions, was supposed to save as much energy as it can be consumed by 160 households during the year [1, 2].

Fig. 5. GE Evolution Hybrid hybrid locomotive [1]

Currently GE Evolution Hybrid locomotives are commonly used for the line motion. In this case the hybrid system consists of a four-stroke diesel Gevo engine and several high-efficiency battery engines whose task is to intercept and store the energy recov-ered during recuperative braking. It can be used by engines to drive the vehicle during start-up. This al-lows to reduce fuel consumption by up to 15%, thanks to the use of accumulated energy with an additional power of 1470 kW (2000 hp). The technology used in GE Evolution Hybrid also allows to reduce the toxic gas emissions into the environment by 50% in com-parison with the standard locomotives of this type [2, 7]. The below scheme shows the hybrid drive system used in the GE Evolution Hybrid locomotive (Fig. 6). 1 – traction engines; 2 – braking resistors; 3 – main generator; 4 –

diesel engine (ZS); 5 – batteries

1 - silniki trakcyjne; 2 – rezystory hamowania; 3 - prądnica głów-na; 4 - silnik spalinowy (ZS); 5 – akumulatory

Fig. 6. Scheme of hybrid drive in GE Evolution Hybrid locomotive [7]

Rys. 6. Schemat napędu hybrydowego w lokomotywie GE Evolution Hybrid [7]

Aktualnie lokomotywy GE Evolution Hybrid są powszechnie wykorzystywane do ruchu liniowego. W tym przypadku układ hybrydowy składa się z cztero-suwowego silnika wysokoprężnego Gevo oraz kilku wysokowydajnych silników akumulatorowych, któ-rych zadaniem jest przechwytywanie oraz magazyno-wanie energii odzyskanej w trakcie hamowania reku-peracyjnego. Może ona zostać wykorzystana za po-mocą silników do napędzania pojazdu w trakcie roz-ruchu. Pozwala to zmniejszyć zużycie paliwa nawet o 15%, dzięki skorzystaniu ze zgromadzonej energii o dodatkowej mocy 1470 kW (2000 KM). Technologia zastosowana w GE Evolution Hybrid umożliwia rów-nież obniżenie emisji toksycznych gazów do otoczenia o 50% w porównaniu do standardowych lokomotyw tego typu [2, 7]. Na poniższym schemacie przedsta-wiono układ napędu hybrydowego zastosowany w lokomotywie GE Evolution Hybryd (rys. 6).

2.3. JR Freight Class HD300

W 2010 roku firma Toshiba Logistic Corporation zaprezentowała prototyp lokomotywy z napędem hy-brydowym o nazwie HD300-901 (rys. 7). Celem tej inwestycji było przede wszystkim zmniejszenie zuży-cia paliwa, a także obniżenie poziomu hałasu i zredu-kowanie emisji szkodliwych substancji do otoczenia. Koncepcja zakładała stworzenie pojazdu szynowego, nie tylko taniego w utrzymaniu, ale również przyjaz-nego dla środowiska. Jego modernizacja, dzięki prze-myślanej konstrukcji, polegała na zastąpieniu starego silnika nowoczesną jednostką napędową oraz na za-budowaniu w pojeździe zestawu zasobników akumu-latorowych [2].

2.3. JR Freight Class HD300

In 2010. Toshiba Logistic Corporation company presented a prototype of hybrid locomotive called HD300-901 (Fig.7). The aim of this investment was first of all the reduction of fuel consumption, as well as reduction of the noise level and the emission of harmful substances into the environment. The concept was to create the rail vehicle that was not only cheap to maintain, but also environmentally friendly. Thanks to the well-thought-out design, its modernization con-sisted in replacing the old engine with a modern drive unit and the installation of battery storage units [2]. Locomotives of the HD300 series are equipped with LIM30H-8A lithium-ion batteries, which are charac-terized by high efficiency and capacity, as well as resistance to extreme atmospheric conditions (low temperatures). The proper installation of battery stor-

21


age units allows the vehicle to be powered even in the case of failure of one of the cell sets [8]. In the presented locomotive the hybrid drive of series type was used, characterized by two operating modes: braking (Fig. 8) and start-up (Fig. 9).

Lokomotywy serii HD300 wyposażone zostały w akumulatory litowo-jonowe LIM30H-8A, które cha-rakteryzuje wysoka wydajność i pojemność, a także odporność na skrajne warunki atmosferyczne (niskie temperatury). Odpowiednia zabudowa zasobników akumulatorowych pozwala na zasilanie pojazdu nawet w przypadku awarii jednego z zestawów ogniw [8]. W przedstawionej lokomotywie zastosowany został na-pęd hybrydowy typu szeregowego, charakteryzujący się dwoma trybami pracy: hamowania (rys. 8) i rozru-chu (rys. 9).

Fig. 7. JR Freight Class HD300 locomotive with hybrid drive [8] Rys. 7. Lokomotywa z napędem hybrydowym JR Freight Class

HD300 [8]

Fig. 8. Scheme of energy flow during braking of the vehicle [8] Rys. 8. Schemat przepływu energii w trakcie hamowania pojazdu

[8]

Fig. 9. Scheme of energy flow during start-up of the vehicle [8] Rys. 9. Schemat przepływu energii podczas rozruchu pojazdu [8]

The use of hybrid drive in JR Freight Class HD300 locomotives allowed to reduce the exhaust emissions and reduce the noise levels. In comparison with the diesel locomotives, the emissions of nitrogen oxides decreased by 62%, fuel consumption by 36%, while the noise level dropped to 22 dB for the engine operating at high rotational speed [2].

3. Proposal of application of hybrid drive in diesel locomotives operated in Poland As a result of the inspection of diesel traction ve-

hicles operated in Poland, in the context of the mod-ernization consisting in using the hybrid drive, two diesel locomotives of SM48 and SP45 series were selected for further analysis.

The modernization of locomotives involves the replacement of an energy-consuming, heavy, large-scale diesel engine with a modern, smaller and lighter drive unit. The conducted analysis of the use of power by the serial traction engines of the mentioned above locomotives showed that the rated power of the drive unit should be 1500 kW. During choosing the diesel engine, the factors such as availability on the domestic market, modernity of the structure, purchase costs, maintenance costs, technical parameters concerning the compliance with applicable environmental stan-dards and the availability of service and spare parts should be taken into account. These requirements are met, inter alia, by Caterpillar diesel engine of 3512 series, whose technical parameters are shown in Table 2.

Zastosowanie w lokomotywach JR Freight Class HD300 napędu hybrydowego pozwoliło na zmniej-szenie emisji spalin i obniżenie poziomu hałasu. W porównaniu do lokomotyw spalinowych emisja tlen-ków azotu zmniejszyła się o 62%, zużycie paliwa o 36%, natomiast poziom hałasu spadł do poziomu 22 dB dla silnika pracującego przy dużych prędkościach obrotowych [2].

3. Propozycja zastosowania napędu hybrydowego w lokomotywach spalinowych eksploatowanych w Polsce

W wyniku przeglądu spalinowych pojazdów trak-cyjnych eksploatowanych w Polsce, w kontekście modernizacji polegającej na zastosowaniu napędu hybrydowego, wytypowano do dalszej analizy dwie lokomotywy spalinowe serii: SM48 i SP45.

Parametry techniczne silnika spalinowego firmy Caterpillar serii 3512 [9] Tablica 2

Technical parameters of Caterpillar diesel engine of 3512 series [9] Table 2

22


Modernizacja lokomotyw wiąże się z wymianą ener-gochłonnego, ciężkiego, wielkogabarytowego silnika spalinowego, na nowoczesną, mniejszą i lżejszą jed-nostkę napędową. Przeprowadzona analiza wykorzy-stania mocy przez seryjne silniki trakcyjne ww. loko-motyw wykazała, że znamionowa moc jednostki na-pędowej powinna wynosić 1500 kW. Dobierając sil-nik spalinowy, należy uwzględnić takie czynniki jak dostępność na rynku krajowym, nowoczesność kon-strukcji, koszty nabycia, koszty utrzymania, parametry techniczne dotyczące spełnienia obowiązujących norm środowiskowych oraz dostępność serwisu i części zamiennych. Wymagania te spełnia między innymi typoszeregowy silnik spalinowy firmy Caterpillar serii 3512, którego parametry techniczne zostały przedsta-wione w tablicy 2.

Lp./ Item

Parametr/ Parameter

Wartość/ Value

1 Moc nominalna/ Nominal power 1500 kW

2 Obroty nominalne/ Nominal revolutions

1800 [obr./min]/ 1800 [r.p.m.]

3 Liczba cylindrów/ Number of cylinders 12

4 Średnica tłoka/ Diameter of piston 170 [mm]

5 Skok tłoka/ Stroke of piston 215 [mm]

6 Pojemność skokowa silni-ka/Engine cylinder capacity 59 [dm3]

7 Jednostkowe zużycie pali-wa/Unit fuel consumption 212 [g/kWh]

8 Norma dot. emisji spalin/Standard for exhaust emission

IIIA, IIIB

9 Masa silnika suchego/ Dry engine weight 6863 [kg]

The power of the diesel engine will be received by means of the synchronous generators set (main gen-erator and auxiliary generator) produced by EMIT Żychlin. Their rated powers are 1400 kW for the main generator and 100 kW on the DC side for the auxiliary generator. The use of the maximum power of traction engines will cause an increase in the amount of heat that must be carried away to the cooling system. Therefore, when installing the hybrid system, it should be remembered to install the cooling units with radia-tors and fans powered by the asynchronous electric motors [9]. A very important stage is also the selection of appropriate battery storage unit. Their number and capacity depend on the operational use of the traction vehicle. The cells FNC® - A190 HRC of Hoppecke company, with a capacity of 190 Ah each, are charac-terized by not only the long durability and no need to replace the electrolyte, but also negligible operating costs. Their advantage is also the construction, be-cause they consist of a cells set, which even allows, in the case of failure of one of them, to continue to power the vehicle [10].

Another important element of the entire hybrid system is the use of a converter/inverter, which is responsible for the conversion of the value of intensity and voltage of current to the rated voltage of the trac-tion engines. In the case of traction engines, they will be covered only by modernization consisting in their sealing and replacement of the used subassemblies. The supervisory function of the entire hybrid drive system is carried out by the microprocessor controller, which supervises the optimal use of energy stored in the high-efficient battery storage units.

In order to install the hybrid drive in the diesel locomotive of SP45 series instead of the existing drive unit and the generator set, the following elements will be installed:

Moc z silnika spalinowego odbierana będzie za pomocą zespołu prądnic synchronicznych (prądnica główna i prądnica pomocnicza), produkcji firmy EMIT Żychlin. Ich moce znamionowe wynoszą 1400 kW w przypadku prądnicy głównej oraz 100 kW po stronie prądu stałego dla prądnicy pomocniczej. Wy-korzystanie maksymalnej mocy silników trakcyjnych spowoduje wzrost ilości ciepła, które należy odpro-wadzić do układu chłodzenia. Dlatego przy zabudo-waniu układu hybrydowego należy pamiętać o zainstalowaniu agregatów chłodniczych z radiatorami oraz wentylatorów zasilanych asynchronicznymi silnikami elektrycznymi [9]. Bardzo ważnym etapem jest również dobranie odpowiednich zasobników akumulatorowych. Ich liczba oraz pojemność uzależniona jest od eksploatacyjnego przeznaczenia pojazdu trakcyjnego. Spełniającymi założenia konstrukcji są ogniwa firmy Hoppecke FNC® - A190 HRC, o pojemności 190 Ah każde, charakteryzujące się nie tylko długą trwałością oraz brakiem konieczności wymiany elektrolitu, ale także znikomymi kosztami eksploatacyjnymi. Ich zaletą jest również budowa, składają się one bowiem z zestawu ogniw, co pozwala nawet w przypadku awarii jednego z nich na dalsze zasilanie pojazdu [10].

Kolejnym istotnym elementem całego układu hy-brydowego jest zastosowanie konwertera/inwertera, który odpowiada za regulację napięcia zasilania silni-ków trakcyjnych. W przypadku silników trakcyjnych zostaną one objęte jedynie modernizacją polegającą na ich uszczelnieniu oraz wymianie zużytych podzespo-łów. Funkcję nadzorczą nad całym hybrydowym układem napędowym sprawuje sterownik mikroprocesorowy, który czuwa nad optymalnym wykorzystaniem energii zgromadzonej w wysokowydajnych zasobników akumulatorowych.

Aby zainstalować napęd hybrydowy w lokomoty-wie spalinowej serii SP45 w miejsce dotychczasowej jednostki napędowej oraz zespołu prądnic, zabudowa-ne zostaną następujące elementy:

23


• Caterpillar 3512 diesel engine with rated power of 1500 kW

• synchronous generator set of EMIT Żychlin, with rated power of 1400 kW

• transducer set and converter.

However, under the two drivers' cabs the high-efficient battery storage unts will be installed to collect energy for later use. The proposal for the use of hybrid drive system in the diesel locomotive of SP45 series is shown in the drawing below (Fig. 10).

• silnik spalinowy Caterpillar 3512 o mocy zna-mionowej 1500 kW

• zespół prądnic synchronicznych EMIT Żychlin, o mocy znamionowej 1400 kW

• zespół przetworników i konwerter. Pod dwoma kabinami maszynistów natomiast za-

montowane zostaną wysokowydajne zasobniki aku-mulatorowe, służące do gromadzenia energii, w celu późniejszego jej wykorzystania. Propozycja zastoso-wania hybrydowego układu napędowego w lokomo-tywie spalinowej serii SP45 została przedstawiona na rysunku poniżej (rys. 10).

In the case of the concept of using the hybrid drive in the SM48 diesel locomotive in the place of the cur-rent drive unit and the generator set, as part of the modernization, as in the SP45 series the following will be installed:

• Caterpillar 3512 diesel engine with rated power of 1500 kW,

• synchronous generator set of Emit Żychlin with rated power of 1400 kW,

• transducer set and converter. As opposed to the previous concept, in this case

high-efficient battery storage units will be installed in the made places in the electrical cabinet behind the driver's cab. The design of the arrangement of the drive system assemblies and subassemblies is pre-sented in the drawing below (Fig. 11).

W przypadku koncepcji zastosowania napędu hy-brydowego w lokomotywie spalinowej serii SM48 w miejscu dotychczasowej jednostki napędowej i zespo-łu prądnic, w ramach modernizacji zainstalowane zostaną, podobnie jak w serii SP45:

• silnik spalinowy Caterpillar 3512 o mocy zna-mionowej 1500 kW,

• zespół prądnic synchronicznych Emit Żychlin, o mocy znamionowej 1400 kW,

• zespół przetworników i konwerter. W odróżnieniu od poprzedniej koncepcji, w tym

przypadku wysokowydajne zasobniki akumulatorowe zainstalowane zostaną w wygospodarowanym miej-scach w szafie elektrycznej za kabiną maszynisty. Projekt rozmieszczenia zespołów i podzespołów ukła-du napędowego przedstawiono na rysunku poniżej (rys. 11).

Fig. 11. Design of the arrangement of hybrid drive assemblies in the SP48 diesel locomotive

Rys. 11. Projekt rozmieszczenia zespołów napędu hybrydowego w lokomotywie spalinowej SM48

diesel engine (CAT3512); 2- synchronous generator set; 3- con-verter; 4- battery storage units; 5- traction engines; 6 - fan with asynchronous drive motor

silnik spalinowy (CAT3512); 2- zespół prądnic synchronicznych; 3-konwerter; 4- zasobniki akumulatorowe; 5- silniki trakcyjne; 6 - wentylator z asynchronicznym silnikiem napędowym

Fig. 10. Project of the arrangement of hybrid drive assemblies in the SP45 diesel locomotive Rys. 10. Projekt rozmieszczenia zespołów napędu hybrydowego w lokomotywie spalinowej SP45 diesel engine (CAT3512); 2- synchronous generator set; 3-converter; 4- battery storage units; 5- traction engines; 6 - fan with asynchronous drive motor 1- silnik spalinowy (CAT3512); 2- zespół prądnic synchronicznych; 3-konwerter; 4- zasobniki akumulatorowe; 5- silniki trakcyjne; 6 - wentylator z asynchronicznym silnikiem napędowym

Conclusions

Taking into consideration the possibility of build-ing in the hybrid drive assemblies and subassemblies on one of the locomotives operated in Poland, the popular diesel locomotives SP45 and SM48 were se-lected for modernization. The calculations made using the simple financial assessment methods showed that the undertaking consisting in modernization of an old

Podsumowanie

Biorąc pod uwagę możliwość zabudowania zespo-łów i podzespołów napędu hybrydowego na jednej z lokomotyw eksploatowanych w Polsce, do moderni-zacji wytypowano popularne lokomotywy spalinowe

24


shunting locomotive into the hybrid locomotive should show the high profitability. This profitability is higher, the greater operation of the vehicle is during the year. Despite the high initial costs, the investment in the hybrid drive can bring many benefits not only economic but also operational and ecological. This solution allows to recover the significant amount of energy, which was previously lost in the form of heat. This reduces the unit fuel consumption and, conse-quently, limits the emission of harmful substances into the atmosphere.

serii SP45 oraz SM48. Kalkulacje wykonane za po-mocą prostych metod oceny finansowej wykazały, że przedsięwzięcie polegające na modernizacji starej lokomotywy manewrowej, na lokomotywę hybrydową powinno wykazywać wysoką opłacalność. Opłacal-ność ta jest tym wyższa, im większe jest eksploatacyj-ne wykorzystanie pojazdu w ciągu roku. Pomimo wysokich początkowych kosztów, inwestycja w napęd hybrydowy może przynieść wiele korzyści nie tylko ekonomicznych, ale również eksploatacyjnych oraz ekologicznych. Takie rozwiązanie pozwala na odzy-skanie znacznej ilości energii, która wcześniej była wytracana w postaci ciepła. Powoduje to zmniejszenie jednostkowego zużycia paliwa, a w konsekwencji ograniczenie emisji szkodliwych substancji do atmos-fery.


[1] Marciniak Z.: Hybrydowe układy napędowe lokomotyw spalinowych. Logistyka, 4, 2010.

[2] Konarzewski M., Niezgoda T., Stankiewicz M., Szurgott P.: Hybrid locomotives overview of construction solutions. Journal of Kones Powertrain and Transport, Vol. 20, No. 1, 2013

[3] Michnej M., Szkoda M.: Współczesne rozwiązania hybrydowych układów napędowych spalinowych pojazdów trakcyjnych. TTS, 10/2007.

[4] Michnej M., Szkoda M.: Hybrydowe układy napędowe spalinowych pojazdów trakcyjnych. Zeszyty Naukowe Poli-techniki Śląskiej, 2008

[5] Materiały ofertowe firmy Railpower Technologies Corp. [6] Kałuża E.: Hybrydowe lokomotywy manewrowe w świetle

efektywności eksploatacyjnej. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, Z.118, Gliwice, 1990.

[7] Kortas P., Kropiwnicki J.: Analiza możliwości akumulacji energii rozproszonej w procesie hamowania pociągu napę-dzanego lokomotywą hybrydową. Combustion Engines, 3, 2015

[8] Materiały ofertowe firmy Toshiba Corporation [9] Babeł M., Szachniewicz B.: Studium techniczne – Moderni-

zacja spalinowej lokomotywy manewrowej serii SM31. Cza-sopismo techniczne, 7-M, 2012.

[10] Marciniak Z., Mielniczuk J., Jakuszko W., Michalak P.: Konstrukcja układów napędu hybrydowego dla wybranych zmodernizowanych lokomotyw spalinowych do ruchu ma-newrowego i przetokowego. Pojazdy szynowe nr 2, 2014.

25


The concept of balanced maintenance cycle of a railway vehicle

mgr Michał Batko Politechnika Śląska

Koncepcja zbilansowanego cyklu utrzymania pojazdu kolejowego

Due to various difficulties related with creation such documentation, in the hereby article the alternative concept of maintenance system for six axles, heavy diesel locomotive will be presented, which is based on balancing the scopes of maintenance activities on particular levels of maintenance. The main assumptions proposed solution will be evenly distribution in time the preventive maintenance activities between particular maintenance levels with parallel keeping the safety operation and extension of components usage. It will be advisable to use the FMEA method (Failure Mode and Effects Analysis) in order to change the scope and frequency of particular levels of maintenance. The benefits and risks of a balanced model will also be presented in comparison to the classic, five-levels maintenance system. An analysis of both maintenance models of traction vehicles will be made in the context of the costs of preventive inspections and repairs.

Przedsiębiorstwa kolejowe są zobowiązane do posiadania dokumentacji utrzymania po-jazdów kolejowych. W związku z różnymi trudnościami związanymi z opracowywaniem takiej dokumentacji w niniejszym artykule zaprezentowana zostanie alternatywna kon-cepcja utrzymania sześcioosiowej, ciężkiej lokomotywy spalinowej polegająca na zbilan-sowaniu zakresów utrzymania na poszczególnych poziomach. Głównymi założeniami proponowanego rozwiązania będzie równomierne rozłożenie w czasie czynności przeglą-dowo-naprawczych pomiędzy danymi poziomami utrzymania przy jednoczesnym zapew-nieniu bezpiecznej eksploatacji i wydłużenia okresu używania poszczególnych komponen-tów. Na przykładzie zastosowanej metody FMEA (ang. Failure Mode and Effects Analy-sis) zaprezentowany zostanie sposób doboru zakresu i częstotliwości poziomów utrzyma-nia. Przedstawione zostaną również korzyści wynikające z takiego modelu w porównaniu do klasycznych, pięciopoziomowych systemów utrzymania. Dokonana zostanie analiza obu modeli utrzymania lokomotyw w kontekście ponoszonych kosztów utrzymania w cyklu życia lokomotywy.

1. Podstawy formalnoprawne dla dokumentacji systemu utrzymania

Przedsiębiorstwa kolejowe zobowiązane są do po-siadania dokumentacji systemu utrzymania taboru kolejowego. System utrzymania to kompleksowy i sformalizowany sposób postępowania dotyczący eks-ploatacji i utrzymania pojazdów kolejowych, który musi zostać wdrożony przez podmioty biorące udział w ruchu kolejowym. Dla poprawnego zbudowania systemu zarządzania bezpieczeństwem, w tym utrzy-maniem pojazdu, w szczególności konieczna jest zna-jomość następujących aktów normatywnych:

• Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2004/49/WE z 29 kwietnia 2004 r. w sprawie bezpieczeństwa kolei wspólnotowych.

• Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2008/110/WE z 16 grudnia 2008 r. zmieniająca dyrektywę 2004/49/WE w sprawie bezpieczeń-stwa kolei wspólnotowych (dyrektywę w spra-

1. Formal and legal bases of the maintenance sys-tem documentation

Railway companies are required to hold a docu-

mentation of the rolling stock maintenance system. The maintenance system is a comprehensive and for-malized procedure related to operation and mainte-nance of the rail vehicles, to be obligatorily imple-mented by the entities involved in railway traffic. Proper construction of a safety management system, inclusive of the vehicle maintenance, requires the knowledge of the following normative acts:

• Directive 2004/49/EC of the European Parlia-ment and the Council of April 29, 2004, on safety of the Community's railways;

• Directive 2008/110/EC of the European Par-liament and the Council of December 16, 2008, amending the Directive 2004/49/EC on safety of the Community's railways (the Rail-way Safety Directive), establishing the Main-

26


wie bezpieczeństwa kolei), wprowadzająca Sys-temy Zarządzania Utrzymaniem pojazdów kole-jowych.

• Rozporządzenie Komisji (WE) NR 352/2009 z 24 kwietnia 2009 r. w sprawie przyjęcia wspól-nej metody oceny bezpieczeństwa w zakresie wyceny i oceny ryzyka, o której mowa w art. 6 ust. 3 lit. a) Dyrektywy 2004/49/WE Parlamen-tu Europejskiego i Rady.

• Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z 12 października 2005 r. w sprawie ogólnych wa-runków technicznych eksploatacji pojazdów ko-lejowych (Dz. U. 2016 poz. 226 z późn. zm.).

Aktualnie obowiązujące przepisy wskazują, że każdy pojazd kolejowy powinien mieć przypisaną jednostkę odpowiedzialną za jego utrzymanie, tzw. ECM (ang. Entity in Charge of Maintenance). Jed-nostka ta jest odpowiedzialna za takie określenie za-sad utrzymania pojazdów kolejowych oraz ich należy-te utrzymanie, aby ich eksploatacja była bezpieczna dla wszystkich uczestników ruchu kolejowego.

Dyrektywa 2004/49/WE wskazuje na minimalne wymagania dla systemu kolejowego, a Rozporządze-nie Ministra Infrastruktury z 12 października 2005 r. w sprawie ogólnych warunków technicznych eksplo-atacji pojazdów kolejowych doprecyzowuje, jakie konkretnie wymagania powinna spełniać dokumenta-cja systemu utrzymania (dalej: DSU) pojazdu kolejo-wego.

Opisując zasady zarządzania utrzymaniem pojaz-dów kolejowych należy również zwrócić uwagę na pojęcie cyklu życia pojazdu, którym jest okres od chwili uruchomienia projektu pojazdu do końca jego eksploatacji, czym jest najczęściej fizyczna likwidacja pojazdu.

Cykl życia można podzielić na trzy główne etapy [1]: I. produkcja: a) projektowanie, b) wytwarzanie, II. eksploatacja: a) użytkowanie, b) utrzymanie (zarządzanie utrzymaniem oraz

czynności utrzymaniowe), III.likwidacja: a) wycofanie z eksploatacji, b) recykling pojazdu lub jego fizyczna likwidacja.

W artykule analizie poddany został etap II, w szczególności w zakresie zarządzania dokumentacją oraz czynnościami utrzymaniowymi.

2. Dokumentacja systemu utrzymania

Zgodnie z aktualnie obowiązującymi przepisami, przewoźnicy kolejowi mogą eksploatować pojazdy kolejowe tylko wtedy, gdy posiadają one dokumenta-cję systemu utrzymania. Przedsiębiorca kolejowy jest zobowiązany do opracowania takiej dokumentacji dla danego typu pojazdu, która odpowiada warunkom.

• tenance Management Systems of the rail vehicles;

• Commission Regulation (EC) No. 352/2009 of April 24, 2009 on adoption of a common method of safety assessment, aimed at risk evaluation and appraisal, mentioned in Article 6 par. 3 Item a) of the Directive 2004/49/EC of the European Parliament and the Council;

• Ordinance of the Minister of Infrastructure of October 12, 2005, on general technical conditions related to operation of railway vehicles (Journal of Laws of 2016, item 226, as amended).

Directive 2004/49/EC determines minimum requirements related to the railway system, while the Regulation of the Minister of Infrastructure of October 12, 2005, on general technical conditions of railway vehicles operation more exactly clarifies what requirements should be met by the Maintenance System Documentation (MSD) of the railway vehicle.

The Directive 2004/49/EC determines minimum requirements for the railway system, while the Regulation of the Minister of Infrastructure of October 12, 2005, on general technical conditions for railway vehicles operation specifies exactly what requirements should be met by the maintenance system documentation (DSU) of the railway vehicle.

While describing the maintenance management rules of the railway vehicles, the concept of vehicle life cycle should be taken into account, i.e. the time elapsing since the beginning of the vehicle project until the end of its operational period, equivalent to physical liquidation of the vehicle.

The life cycle may be divided into three main stages [1]: I. Production:

a) design; b) manufacturing.

II. Operation: a) the use; b) maintenance (maintenance activity and

management). III. Liquidation:

a) decommissioning; b) recycling of physical liquidation of the

vehicle. The paper is devoted to the 2nd stage, particularly to management of the documentation and maintenance activity.

2. Documentation of the maintenance system In accordance with current regulations, railway

carriers are allowed to operate the railway vehicles provided they hold the maintenance system documen-tation. The railway carrier is required to develop such a documentation for a given vehicle type. The docu-mentation itself should be consistent with operational

27


eksploatacji przez tego przewoźnika. Oznacza to, że dany typ pojazdu może posiadać różne DSU, w zależ-ności od tego, który przewoźnik używa pojazd i zależ-nie od jego indywidualnych warunków eksploatacji. Trudne i ciężkie warunki eksploatacji będą wymagały innego utrzymania pojazdu aniżeli systematyczne i umiarkowane operacje z użyciem tego samego pojaz-du. Dlatego też ustawodawca zobowiązał do opraco-wania i posiadania DSU właśnie m.in. przewoźników i wyłączył nawet konieczność zatwierdzania takiej do-kumentacji przez Prezesa Urzędu Transportu Kolejo-wego, jako regulatora rynku. Przedsiębiorstwa kolejo-we uzyskały zatem pewną swobodę ustalania zasad, sposobu i reżimu utrzymania pojazdów kolejowych, ponosząc jednocześnie pełną odpowiedzialność za ich bezpieczną eksploatację. Swoboda ta spowodowała, że przedsiębiorstwa kolejowe przyjmują różne koncepcje utrzymania w ramach reguł opisanych Rozporządze-niem Ministra Infrastruktury z 12 października 2005 r. w sprawie ogólnych warunków technicznych eksplo-atacji pojazdów kolejowych 2.1. Pięciopoziomowy cykl utrzymania

Najczęściej spotykanym systemem utrzymania jest

przyjęcie podziału na tzw. utrzymanie lekkie i ciężkie. Do lekkiego utrzymania zalicza się tzw. poziomy P1, P2 i P3, natomiast do utrzymania ciężkiego poziomy P4 i P5 [2]. Często pierwsze trzy poziomy określa się przeglądami, a ostatnie dwa poziomami naprawczymi, do których zalicza się rewizje (P4) oraz naprawy główne (P5), natomiast cały okres utrzymania pojazdu przyjęło nazywać się cyklem przeglądowo-napraw-czym.

Klasyczny model takiego cyklu na podstawie za-twierdzonej dokumentacji systemu utrzymania loko-motywy spalinowej przedstawiono na rys. 1.

conditions existing at the carrier’s. It means that to particular vehicle type various MSDs may be assigned, depending on which carrier operates the vehicle and according to its individual operating conditions. Diffi-cult and heavy-duty operating conditions will impose other vehicle maintenance than in case of systematic and moderate operations carried out with the same vehicle. Therefore, the legislator obliged, among oth-ers the carriers, to develop and to own the MSD, al-lowing even to resign from its approval by the Presi-dent of the Office of Rail Transport, being a market regulator. Thus, the railway companies achieved a certain freedom in determining the rules, manner and regime of the railway vehicles maintenance, neverthe-less, bearing full responsibility for their safe operation. This allowed the railway companies to adopt various maintenance concepts under the rules provided in the Regulation of the Minister of Infrastructure of October 12, 2005 on general technical conditions for railway vehicles operation.

2.1. A five-level maintenance cycle The most common maintenance system consists in

division of the operations into the so-called light- and heavy-duty maintenance. Light-duty maintenance includes the so-called P1, P2 and P3 levels, while the P4 and P5 [2] levels belong to heavy-duty mainte-nance operations. The first three levels are often re-ferred to as inspections, while the last two ones are repair levels, including revisions (P4) and major over-hauls (P5). The entire maintenance period is called the inspection-repair cycle.

The classical model of such a cycle based on ap-proved documentation of the diesel locomotive main-tenance system is shown in Fig. 1.

P1

P2/1

P3 P3 P3

P4 P4

P5

1 080 dni / 184 800 km

8 lat / 1 200 000 km

24 lata / 3 600 000 km

7 700 km

90dni/15 400km

180 dni / 30 800 km

540 dni / 92 400 km

P2/2 P2/3

Rys. 1. Przykład cyklu utrzymania dla lokomotywy spalinowej Co’-Co’

Fig. 1. Example of the Co’-Co’ diesel locomotive mainte-nance cycle (dni = days; lata = years)

The P1 maintenance level includes checking or monitoring carried out prior to railway vehicle enter-ing the railway. These operations may be carried out by the carrier's employees (train driver, inspector) or with the use of automated on-board devices.

Poziom utrzymania P1 zawiera czynności spraw-dzające lub monitoring, dokonywane przed wyjazdem pojazdu kolejowego na drogę kolejową. Czynności mogą być wykonywane przez pracowników przewoź-nika (maszynistę, rewidenta) lub przy użyciu automa-tycznych urządzeń pokładowych.

Poziom utrzymania 2 obejmuje czynności, które zapobiegają przekroczeniom limitów zużycia. Wyko-nywane są w określonych odstępach czasu lub po uzyskaniu określonego limitu przebiegu. Często w ramach poziomu P2 wyróżnia się podpoziomy P2/1, P2/2 itd.

Poziom utrzymania 3 zawiera czynności z zakre-su utrzymania, które zapobiegają przekroczeniu limi-tów zużycia, Wykonywane są po wyłączeniu pojazdu z planowanej eksploatacji w wyspecjalizowanych zakładach naprawczych. Podczas takiego przeglądu następuje szczegółowa ocena stanu technicznego po-jazdu kolejowego poprzez sprawdzenie działania ob-wodów, oględziny podzespołów określonych w do-kumentacji dostępnych po demontażu, a także przewi-

28


The maintenance level 2 includes the operations that prevent exceeding the wearing limits. They are carried out at specified intervals or at a specified mileage limit. The P2/1, P2/2 sublevels etc. are often distinguished within the P2 level.

Maintenance level 3 includes the operations that prevent exceeding the wearing limits. These operations are carried out after the break in planned vehicle use due to temporary shutdown for its reviewing in a specialized repair center. Such a review is aimed at detailed assessment of technical condition of the railway vehicle and includes a check of electric circuits operation, inspection of the subassemblies indicated by documentation and accessible after vehicle dismantling, as well as diagnostic tests provided for in the documentation.

Maintenance level 4 defines the operations carried out as a part of a repair. This level includes a detailed check of technical conditions defined by the documentation of subassemblies and assemblies dismantled from the railway vehicle. The components and assemblies are replaced or regenerated when it is required by MSD.

Maintenance level 5 is aimed at reinstatement of the construction parameters and standard of a railway vehicle, inclusive of its renewal or reconstruction. The repair of the P5 level includes dismantling of the as-semblies and subassemblies from the railway vehicle and their replacement with new ones or regeneration in a broader scope than in case of P4 level.

The inspection and repair cycle indicated above, with proper definition of the maintenance operations belonging to a given level, enables safe operation of the vehicle. This frequently results from the recom-mendations of the manufacturer of the vehicle itself or its particular parts. Nevertheless, it entails a regime consisting in necessary deliverance of the vehicle for inspections or repairs. These operations are carried out at specific intervals, thus causing the vehicle shutdown for unpredictable period of time. Moreover, it is very difficult to predict which subassembly or part should be replaced or regenerated at a given maintenance cycle level. The need of replacement or regeneration may be assessed only for disassembled and measured parts or subassemblies. This, in turn, imposes un-planned extension of the repair or inspection, that is always only hardly accepted by the carrier, as causing carrier’s additional costs or contractual penalties for not performed transport tasks.

An additional obstacle for the carrier occurs in case of vehicle defect causing its shutdown and need-ing an emergency repair. Such repairs are unpredict-able, the vehicle must be delivered to a specialist re-pair shop and remains out of service for an additional unplanned time.

The maintenance costs are also significant. In case of the cycle shown in Fig. 1 they grow with increasing

dziane w dokumentacji badania diagnostyczne. Poziom utrzymania 4 definiuje czynności wykony-wane z zakresu utrzymania naprawczego. W ramach tego poziomu następuje szczegółowe sprawdzenie stanu technicznego przewi dzianych w dokumentacji podzespołów i zespołów, połączone z ich demontażem z pojazdu kolejowego. Następują planowe wymiany podzespołów i zespołów lub ich regeneracje, jeżeli wg DSU są konieczne.

Poziom utrzymania 5 to czynności mające na celu przywrócenie konstrukcyjnych parametrów i standar-du pojazdu kolejowego, w tym jego odnowienie lub odbudowę. Podczas naprawy poziomu P5 następuje demontaż zespołów i podzespołów z pojazdów kole-jowych i ich wymiana na nowe lub zregenerowane, w szerszym zakresie aniżeli podczas poziomu P4.

Wskazany powyżej cykl przeglądowo-naprawczy przy odpowiednim zdefiniowaniu czynności utrzyma-niowych w ramach danego poziomu pozwala na bez-pieczną eksploatację pojazdu. Często też wynika z zaleceń producenta pojazdu lub poszczególnych pod-zespołów. Jednakże jego wadą jest to, iż wymaga zachowania reżimu, który powoduje konieczność do-konywania zjazdów pojazdów na przeglądy bądź na-prawy, które dokonywane są wprawdzie co określony okres czasu, jednak powodujące wyłączenie pojazdu na różne okresy czasu. Ponadto bardzo trudne do przewidzenia jest to, który z podzespołów lub część będą wymagały wymiany lub regeneracji na określo-nym poziomie cyklu utrzymania. Najczęściej okazuje się bowiem po dokonanych demontażach i pomiarach części lub podzespołów, który z nich nie spełnia gra-nicznych parametrów i wymaga wymiany na nowy lub regeneracji. To zaś powoduje nieplanowane wy-dłużenie naprawy lub przeglądu, które zawsze jest bardzo trudne do akceptacji przez przewoźnika, co z kolei generuje dodatkowe koszty po jego stronie lub naliczanie kar umownych z tytułu nie realizowanych zadań przewozowych.

Dodatkowym utrudnieniem dla przewoźnika są również usterki pojazdów powodujące ich wyłączenie z eksploatacji i konieczność dokonania napraw awa-ryjnych. Naprawy te są trudne do przewidzenia, wy-magają często zjazdu do specjalistycznego warsztatu naprawczego i powodują dodatkowe nieplanowane wyłączenie pojazdu z eksploatacji.

Nie bez znaczenia są również koszty utrzymania, które w cyklu opisanym na rys. 1 są tym wyższe im wyższy jest poziom utrzymania, np. dla lokomotywy spalinowej ok. 2000 PLN dla poziomu P1 i ok. 1.300.000 PLN dla poziomu utrzymania P5. Nie zaw-sze wyższe koszty w danym okresie mogą zostać zre-kompensowane podniesieniem cen usług na rynku. Tak duża różnica powoduje, iż w przypadku kumula-cji napraw P4 i P5 w jednym roku budżetowym przed-siębiorstwa, występują bardzo wysokie koszty prowa-dzonej działalności, to zaś skutkuje niską rento-

29


maintenance level. For example in case of a diesel locomotive the cost amounts about to PLN 2,000 for P1 level and about to PLN 1,300,000 for the mainte-nance level P5. Higher costs incurred in a given period not always may be compensated by raised prices of the market services. Such a large difference means that in case of accumulation of P4 and P5 repairs in one com-pany’s financial year very high costs of the activity are generated. This, in turn, results in low profitability or even loss on the business activity. The P4 and P5 re-pair levels require some critical market resources, e.g. wheelsets, traction motors. In consequence, larger number of these repairs in short time may result in temporary lack of these subassemblies, thus resulting in unplanned extended repair duration.

In order to avoid unplanned emergency repairs or increased repair range within the scheduled P1 and P5 maintenance operations a so-called balanced vehicle maintenance system is recommended that is already used by some carriers on the Polish freight transport markets.

2.2 Balanced maintenance cycle The concept of a balanced vehicle maintenance

cycle is based on even distribution of the inspection and repair operations during the vehicle lifetime or full maintenance cycle. A basis for MSD development, that adopts similar review scopes consists, in particu-lar, in thorough analysis of:

a) documentation and recommendations of the vehicle manufacturer;

b) technical & operational documentation; c) current maintenance system documentation; d) elements of short service life; e) limit repair and construction values of the ve-

hicle; f) wear of the parts and subassemblies, i.e. loss

of physical properties (geometric, mechanical, dielectric, etc.) by an assembly, subassembly or component as a result of normal operation and environmental impact;

g) vehicle breakdown frequency; h) the catalog of standards, obligatory and rec-

ommended UIC cards related to construction and repair of the vehicle and its parts and as-semblies.

The concept of balanced maintenance is presented on the example of a heavy diesel Co'-Co’ locomotive, allowed to be operated in Poland.

In order to analyze the above-mentioned elements the team of experts should examine and estimate how all the inspection and repair operations might be di-vided with a view:

a) to keep the locomotive downtime duration as short as possible, e.g. 7 to 14 days;

b) to prevent worsening of availability and reli-ability of the locomotive assumed by the

wnością, a często nawet stratą na prowadzonej dzia-łalności gospodarczej. Ponadto w przypadku wyko-nywania napraw P4 i P5 w krótkim okresie czasu mo-że również nastąpić problem z dostępnością na rynku krytycznych zasobów, np. zestawów kołowych, silni-ków trakcyjnych, co powoduje nieplanowane wydłu-żenie procesu naprawy.

W celu uniknięcia nieplanowanych napraw awa-ryjnych lub zwiększonego zakresu napraw podczas wykonywania planowych zabiegów utrzymaniowych w ramach przeglądów P1 i P5 rekomenduje się przyj-mowanie tzw. zbilansowanego systemu utrzymania pojazdów, który jest już stosowany przez niektórych przewoźników na polskim rynków przewozów towa-rowych.

2.2. Zbilansowany cykl utrzymania Koncepcja zbilansowanego cyklu utrzymania po-

jazdu opiera się na równomiernym rozłożeniu czynno-ści przeglądowo-naprawczych w okresie życia pojaz-du lub pełnym cyklu utrzymania. Podstawą do opra-cowania DSU, którego założeniem są podobne zakre-sy przeglądów, jest w szczególności dokładna analiza:

a) dokumentacji i zaleceń producenta pojazdu, b) dokumentacji techniczno-ruchowej, c) aktualnej dokumentacji systemu utrzymania, d) elementów posiadających krótką żywotność

eksploatacyjną, e) wartości kresowych, naprawczych i konstruk-

cyjnych pojazdu, f) zużycia części i podzespołów tj. utrata własno-

ści fizycznych (geometrycznych, mechanicz-nych, dielektrycznych itp.) przez zespół, pod-zespół lub element w wyniku normalnej eks-ploatacji i oddziaływania środowiska natural-nego,

g) awaryjności pojazdu, h) katalogu norm, kart UIC obowiązujących i za-

lecanych w budowie i naprawie pojazdu oraz ich części i zespołów.

Koncepcja zbilansowanego utrzymania zostanie przedstawiona na przykładzie ciężkiej lokomotywy spalinowej o układzie osi Co’-Co’ posiadającej ze-zwolenie na eksploatację na terenie Polski.

W celu przeprowadzenia analizy ww. elementów zespół ekspertów winien zbadać i ocenić, w jaki spo-sób można podzielić wszystkie czynności przeglądo-wo-naprawcze, aby:

a) okres wyłączenia lokomotywy z eksploatacji był podobny i możliwie najkrótszy np. 7 do 14 dni,

b) zakładany przez producenta poziom dostępno-ści i niezawodności lokomotywy nie uległ po-gorszeniu,

c) zachowane zostały bezwzględnie wszelkie za-sady bezpiecznej eksploatacji pojazdu,

30


manufacturer; c) to keep all the rules of safe vehicle operation; d) to keep the costs of particular maintenance

levels at similar level. While developing a new maintenance concept a

history of repairs or breakdowns of the vehicle is very helpful. It should be broken down by particular as-semblies and subassemblies of the locomotive, indicat-ing the causes of the faults. This allows to determine quite precisely the lifespan of a given subassembly, that is a prerequisite for proper planning of the term of exchange of such a subassembly prior to its probable defect. One of basic assumptions of the balanced maintenance cycle consists in predicting the exchange or regeneration of the subassemblies before an unex-pected failure occurs, which would exclude the vehicle from operation and generate unpredictable conse-quences and costs of repair. Such an approach be-comes more difficult in case of a new product without its history of repairs and defects arising during the vehicle operation.

The next stage of work aimed at developing a bal-anced maintenance cycle consists in thorough analysis of the scope of the actions required to ensure safe and correct operation of the locomotive. A number of components are distinguished by specific requirements and parameters that should be met for trouble-free operation. The team of experts so divides the opera-tions as to keep these measurement standards of re-spective parameters with a view to avoid exceeding the limit values.

Particular maintenance operations of a given re-view level should be necessarily selected with consid-eration of the time-consumption of these operations and identification of the subassemblies to be checked. In order to determine the inspection term first of all the necessary scope of the review should be determined, with determination of the required operations. After-wards, duration of the operations should be measured, preferably with commonly used tools (e.g. working time regulation, timing). The purpose of such an ap-proach to the production process is proper organiza-tion of the work aimed at ensuring possibly the best work efficiency, without needless stoppages or disrup-tions of the production process resulting from poor work organization.

Bad work organization during the inspection may arise when selection of the operations is reasonable from the point of view of their scope, but they are related to so many locomotive components and parts that their dismantling for purposes of the measure-ments lasts disproportionately as compared to the measurement time. Therefore, particular operations related to a given subassembly should be grouped in order to avoid repeated dismantling and assembly operations that would result in time-wasting.

a) koszty poszczególnych poziomów utrzymania były na zbliżonym poziomie.

Przy pracach nad nową koncepcją utrzymania bar-dzo pomocne jest posiadanie historii napraw lub awa-ryjności pojazdu, z podziałem na poszczególne zespo-ły i podzespoły lokomotywy ze wskazaniem przyczyn powstawania usterek. Na tej podstawie można rela-tywnie dokładnie określić czas życia danego podze-społu, co jest niezbędne do prawidłowego zaplanowa-nia momentu wymiany takiego podzespołu przed jego prawdopodobnym ponownym defektem. Jednym z podstawowych założeń zbilansowanego cyklu utrzy-mania jest bowiem takie zaplanowanie wymiany lub regeneracji podzespołów, by ulegały one wymianie zanim nastąpi ich nieplanowana awaria, która wyłączy pojazd z eksploatacji i wygeneruje trudne do przewi-dzenia skutki i koszty usunięcia naprawy. Zadanie to jest trudniejsze, jeżeli mamy do czynienia z nowym produktem, który nie posiada jeszcze historii napraw i usterek, jakie powstają w trakcie eksploatacji pojazdu.

Kolejnym etapem prac nad stworzeniem zbilanso-wanego cyklu utrzymania jest dokładne przeanalizo-wanie zakresów czynności, jakie są wymagane w celu zapewnienie bezpiecznej i prawidłowej eksploatacji lokomotywy. Szereg podzespołów ma określone wy-magania i parametry jakie powinny być spełnione dla zachowania bezawaryjnej eksploatacji. Zespół eksper-tów dokonuje podziału czynności, aby zachować wła-śnie te standardy pomiarów poszczególnych parame-trów w celu uniknięcia przekroczenia wartości kreso-wych.

Bardzo ważnym elementem przy doborze poszcze-gólnych czynności utrzymaniowych danego poziomu przeglądu jest czasochłonność tych czynności oraz określenie podzespołów, które mają być poddane przeglądowi. W celu ustalenia czasu przeglądu należy w pierwszej kolejności ustalić niezbędny zakres dane-go przeglądu, określić czynności jakie są niezbędne do jego wykonania, a następnie dokonać pomiaru czasu wykonania czynności, najlepiej wykorzystując po-wszechnie stosowane narzędzia (np. normowanie cza-su pracy, chronometraż). Celem takiego działania w procesie produkcji jest właściwe zorganizowanie pra-cy w taki sposób, aby możliwe było uzyskiwanie jak najlepszej wydajności pracy i aby nie następowały nieuzasadnione przestoje lub zakłócenia procesu pro-dukcyjnego (przeglądowego) wynikające ze złego zorganizowania pracy.

Do złej organizacji pracy przy wykonywaniu prze-glądu może dojść m. in. gdy dokonany podział czyn-ności jest racjonalny z punktu widzenia zakresu, jed-nak dotyczy tak wielu podzespołów i elementów lo-komotywy, że czas wykonania demontażu tych podze-społów w celu dokonania pomiarów jest niewspół-mierny do czasu dokonania danego pomiaru. Należy w takim przypadku dokonywać grupowania poszcze-gólnych czynności dotyczących danego podzespołu,

31


Finally, in the course of the work devoted to the bal-anced locomotive maintenance it was assumed that the cycle shall include sixty two P2 inspections (from B1 to B62) carried out every six months and P1 inspec-tions carried out every 13 – 15 days (Fig. 2).

aby nie dublować czynności demontażu i montażu urządzeń, które w procesie produkcji są traktowane jako marnotrawstwo.

Ostatecznie w toku prac nad zbilansowanym utrzymaniem lokomotywy przyjęto, że cykl ten skła-dać się będzie z sześćdziesięciu dwóch przeglądów P2 (od B1 do B62) wykonywanych co sześć miesięcy oraz przeglądów P1 wykonywanych co 13 do 15 dni (rys. 2).

Rys. 2. Plan przeglądowo-naprawczy lokomotywy ze zbilansowa-nymi zakresami utrzymania

Źródło: Dokumentacja systemu utrzymania lokomotywy spalino-wej. DB Cargo Polska S.A. 2017

Fig. 2. Inspection and repair plan for a locomotive with balanced maintenance ranges

The source: Documentation of the diesel locomotive maintenance system. DB Cargo Polska S.A. 2017

W celu zminimalizowania kosztów oraz praco-chłonności na poziomach utrzymania P3, P4 i P5 czynności odpowiadające tym zakresom przeniesiono odpowiednio do poszczególnych poziomów przeglą-dów od B1 do B62. Przyjęte rozwiązanie zapewnia również lepsze wykorzystanie lokomotyw w okresie eksploatacji oraz zabezpiecza łatwiejszy dostęp do materiałów oraz części (podzespołów) lokomotyw w cyklu ich naprawy. Poniżej w tablicy 1 przedstawiono zakresy przeglądów P1 (A) i P2, P3, P4 i P5 ujętych w poziomach B1 do B62 [3].

P1 P2 P3 P4 P5A x - - - -B1 x x x x xB2 x x x x xB3 x x x x xB4 x x x x xB5 x x x x xB6 x x x x xB7 x x x x xB8 x x x x xB9 x x x x x

B10 x x x x xB11 x x x x -… … … … … …

B62 x x x x x

Oznaczenie i nazewnictwo przeglądów i napraw okresowych zgodnych z Rozporządzeniem Ministra

Infrastruktury

Ozn

acze

nie

i naz

ewni

ctwo

prz

eglą

dów

zg

odny

ch z

prz

yjętą

nową

nom

entk

latu

rą

Przypisanie poziomów utrzymania w cyklu zbilansowanym Tablica 1

Źródło: Opracowanie własne na podstawie dokumentacji systemu utrzymania lokomotywy spalinowej

Assignment of maintenance levels in a balanced cycle Table 1

Designation and terminology of periodic inspections and repairs according to the Regulation of the Minister of Infrastructure Designation and terminology of periodic inspections and repairs according to the new nomenclature adopted Source: Own study based on documentation of the diesel locomo-tive maintenance system

Poszczególne poziomy utrzymania B zawierają szczegółową listę czynności jakie powinny być wyko-nane na lokomotywie, a przypisane były do poziomów P2-P5. Tablica 2 poniżej zawiera fragment czynności utrzymaniowych przypisanych do poszczególnych poziomów utrzymania B. Symbol „x” oznacza, że podczas danego przeglądu należy wykonać określoną czynność. Tablicę opracowano na podstawie analizo-wanej dokumentacji systemu utrzymania lokomotywy spalinowej.

Każdy z przeglądów ma określony parametr gra-niczny wyrażony czasem (6 miesięcy od ostatniego poziomu Bx) oraz przebiegiem lokomotywy. Upływ założonego okresu czasu lub osiągnięcie określonego przebiegu determinuje wykonanie kolejnego przeglą-du. Decyduje pierwszy osiągnięty parametr. W celu zapewnienia bezpiecznej eksploatacji pojazdu, świa-dectwa sprawności technicznej wystawiane są na czas i przebieg do następnego przeglądu B.

3. Koszty cyklu utrzymania Bardzo ważnym elementem z punktu widzenia

działalności przewoźnika kolejowego są koszty utrzymania taboru kolejowego. Zwłaszcza nakłady na utrzymanie lokomotyw stanowią istotną pozycją każ-dego budżetu przewoźnika. Dlatego ważne jest po-twierdzenie, czy zbilansowany cykl utrzymania jest faktycznie korzystny z tej perspektywy.

W tym celu przeanalizowano koszty utrzymania trzech typów porównywalnych ciężkich, spalinowych lokomotyw o układzie osi Co’-Co’ przeznaczonych do ruchu na liniach kolejowych na terenie Polski. Loko-motywy są podobne pod względem siły pociągowej, jak również pod względem konstrukcji, co uzasadnia celowość analizy wybranych lokomotyw.

Do obliczenia kosztów utrzymania lokomotywy przyjęto wszelkie koszty wykonywanych planowych

In order to minimize the costs and labor consump-tion at the maintenance levels P3, P4 and P5, the op-erations related to these ranges have been transferred to the respective inspection levels B1 to B62. The adopted solution ensures better use of the locomotives during the operation period and enables easier access to the materials and parts (subassemblies) of the loco-motives during their repair cycle. The inspection

32


przeglądów oraz napraw okresowych lokomotyw, a także awarii jakie występują w cyklu utrzymania. W kalkulacji ujęto również koszt materiałów oraz usług obcych, jakie zostały poniesione w celu wykonania utrzymania. W przypadku lokomotywy posiadającej zbilansowany cykl utrzymania przyjęto również histo-rycznie ponoszone koszty wykonania przeglądów, natomiast dla poziomów utrzymania przeglądów B, które jeszcze nie wystąpiły, przyjęto planowaną, znormowaną liczbę roboczogodzin, materiały i usługi obce, jakie są planowane przy wykonywaniu przeglą-dów. Wyniki porównania kosztów utrzymania loko-motyw przedstawia poniższy wykres. Zestawienie wykonano na podstawie danych pochodzących ze zintegrowanego systemu zarządzania przewoźnika, w którym zbierane są wszystkie koszty zarządzania tabo-rem kolejowym. Lokomotywy z oznaczeniem 1 i 2 posiadają klasyczny pięciopoziomowy system utrzy-mania, natomiast lokomotywa z oznaczeniem 3 posia-da zbilansowany cykl utrzymania podzielony na 62 przeglądy (rys. 3).

Podział czynności utrzymania pomiędzy przeglądami B Tablica 2 Division a maintenance operations between inspections B Table 2

Operation Siren box renovation Exchange of AC box filtration elements Exchange of SGC/main generator filtration elements Exchange of air filtration elements Examination and check of side filters Exchange of water pumps Disassembly and cleaning of inertial filters Control of the filter cartridges chamber Exchange of mesh filter of the unit Exchange of the measuring valve filter of the air flow unit Check of efficiency of pneumatic trumpets Check of the camshaft arms, exchange of the valve bridge assembly

scopes P1 (A) and P2, P3, P4 and P5 belonging to the levels B1 to B62 are presented below in Table 1 [3].

Respective maintenance levels B include detailed lists of the operations previously belonging to the P2-P5 levels that should be effected on the locomotive. Table 2 below presents a part of maintenance opera-tions assigned to particular B levels of maintenance. The operations marked with "x" should be performed within the respective inspection. The table was devel-oped based on the considered documentation of the diesel locomotive maintenance system.

Each inspection is distinguished by a certain limit parameter expressed by time interval (6 months from the last Bx level) and the locomotive mileage. When the assumed time interval expires or the specific mile-age is attained, whichever occurs first, the next inspec-tion is required. In order to ensure safe operation of the vehicle, the technical efficiency certificates are issued for the time and mileage until the next B in-spection.

3. Costs of the maintenance cycle The costs of rolling stock maintenance is very im-

portant from the point of view of the railway carrier activity. The expenditure born on maintenance of the locomotives is an important item in every carrier’s budget. Therefore, it is important to confirm whether the balanced maintenance cycle is actually advanta-geous, looking from this perspective.

To this end, the maintenance costs of three types of similar heavy, diesel Co'-Co' locomotives intended for traffic on railway lines in Poland were analyzed. These locomotives develop similar tractive force and are distinguished by similar design. This justifies ad-visability of analysis of the selected locomotives.

In order to calculate the locomotive maintenance

Jak wynika z powyższego zestawienia koszty utrzymania lokomotywy posiadającej zbilansowany cykl utrzymania są odpowiednio o 13 i 10% niższe od pozostałych lokomotyw eksploatowanych przez prze-woźnika, oznaczonych 1 i 2.

33


costs all the costs of scheduled inspections and peri-odic repairs of the locomotives have been considered, inclusive of the failures arising in the maintenance cycle. The calculation includes also the cost of materi-als and contracted services incurred for the purpose of maintenance. In case of a locomotive with balanced maintenance cycle, historical maintenance costs have been also considered. For the maintenance B levels that have not yet occurred, the planned standard num-ber of man-hours, material and contracted services have been considered, which are expected during the inspections. The results of comparison of the mainte-nance costs of the locomotives are presented in the graph below. The list was made based on the data extracted from the integrated management system of the carrier, including all the costs of rolling stock management. The locomotives marked with 1 and 2 underwent a classical five-level maintenance system, while the locomotive 3 is subjected to balanced main-tenance cycle divided into 62 inspections (Figure 3).

Rys. 3. Średni jednostkowy miesięczny koszt utrzymania lokomotywy

Fig. 3. Average unit monthly cost of locomotive maintenance

The above specification indicates that maintenance cost of a locomotive with balanced maintenance cycle is 13 and 10% lower, respectively, as compared to the other locomotives of the carrier, marked with 1 and 2. 4. Availability of the locomotives

In order to get a full list of the advantages and dis-

advantages of the considered maintenance systems, comparison of technical availability of the locomotives is important. For a carrier it is one of basic parameters, that depends not only on operating costs, but also on consequences of delays in transport services, unpunc-tual arrivals and departures of the train, or loss of reputation due to unreliable service provision.

Accessibility is a percentage of the time within which the locomotive is technically sound and opera-tional, as shown in Table 3. The locomotive remains unavailable during its scheduled inspections and re-pairs and during the shutdown time necessary for emergency repairs on the route or at the workshop, inclusive of travel time to the workshop in order to remove a failure that cannot be removed on the route.

4. Dostępność lokomotyw Aby uzyskać pełny obraz zalet i wad analizowa-

nych systemów utrzymania ważne jest porównanie dostępności technicznej lokomotyw. Jest to jeden z podstawowych parametrów dla przewoźnika, od któ-rego zależą nie tylko koszty eksploatacji, ale również konsekwencje wynikające z opóźnień w realizacji przewozów, niedochowania punktualności przyjazdu i odjazdu pociągu, czy wreszcie utraty reputacji z po-wodu nierzetelnego realizowania usług.

Dostępność jest to wyrażona w procentach wartość czasu, w którym lokomotywa jest sprawna technicznie i nadaje się do eksploatacji, co przedstawiono w tabli-cy 3. Do czasu niedostępności lokomotywy zalicza się czas planowych przeglądów i napraw lokomotyw oraz czas wyłączenia na naprawy awaryjne na szlaku lub w warsztacie, przy czym czas przejazdu do warsztatu w celu usunięcia awarii, której nie udało się usunąć na szlaku, jest liczony jako czas, w którym lokomotywa nie jest dostępna.

Dostępność techniczna lokomotyw Tabela 3 Technical availability of the locomotives Table 3

2015 2016 2017 Lokomotywa 1 – cykl P1-P5 Locomotive 1

94% 91% 92%

Lokomotywa 2 – cykl P1-P5 Locomotive 2

- 80% 81%

Lokomotywa 3 – cykl P1-P62 Locomotive 3

84% 85% 89%

Source: Own study based on the carrier's data on availability of the locomotives

Źródło: Opracowanie własne na podstawie danych przewoźnika o dostępności lokomotyw.

Zgodnie z powyższym zestawieniem dostępność lokomotywy, wobec której zastosowano zbilansowany cykl utrzymania jest na dobrym poziomie i nie wystą-piła zwiększona awaryjność lokomotyw.

According to the above specification, availability of the locomotive subjected to balanced maintenance cycle is at a good level, its failure rate did not increase.

Nevertheless, it should be noticed that in a bal-anced maintenance cycle a certain failure rate of the locomotive assemblies and subassemblies is assumed. In consequence, this allows to determine the terms of their verification, repair or exchange. However, it may turn out that the adopted time intervals are insufficient or the components are subject to wear earlier than before, due to the changes in operating conditions. Unplanned failures or component damages can then arise. In such a case the entire maintenance cycle should be re-examined and the ranges, the rates of maintenance operations, measurements and tests

34


Należy jednak zauważyć, że w zbilansowanym cy-klu utrzymania zakłada się określoną awaryjność ze-społów i podzespołów lokomotywy i na tej podstawie określa się czas ich weryfikacji, naprawy lub wymia-ny. Może się jednak okazać, że przyjęte czasookresy okażą się niewystarczające lub na skutek zmian wa-runków eksploatacji zużycie podzespołów będzie na-stępowało szybciej aniżeli odbywało się to dotych-czas. Dojdzie wówczas do powstawania nieplanowa-nych awarii lub uszkodzeń podzespołów. W takim przypadku konieczne będzie ponowne przeanalizowa-nie całego cyklu utrzymania, skorygowanie zakresów oraz czynności utrzymania i zagęszczenie pomiarów, testów lub wymian podzespołów lokomotywy, co niewątpliwie wpłynie ostatecznie na jej dostępność i koszty utrzymania.

Z uwagi na fakt, iż taka analiza jest bardzo złożona i powinna wziąć pod uwagę wiele czynników, celowe jest posłużenie się narzędziami, które systematyzują prace i pozwalają zminimalizować lub wykluczyć popełnienie błędów. Analizę taką najlepiej wykonać przed wdrożeniem zmiany. Można ją również wyko-nać po rozpoczęciu wdrożenia w celu zidentyfikowa-nia potencjalnych lub ujawnionych wad procesu i odpowiedniego zaplanowania działań zapobiegaw-czych.

5. Analiza FMEA

Jedną z metod wykorzystywanych podczas anali-zowania przyczyn i skutków awarii oraz zmierzają-cych do zmniejszenia prawdopodobieństwa ich wy-stąpienia, jest analiza FMEA (ang. Failure Mode Ef-fect Analysis). Jest ona wykorzystywana przez przed-siębiorstwa do zapobiegania lub niwelowania skutków wad, które występują w procesach konstrukcyjnych i wytwórczych. Zastosowanie metody polega na bada-niu wszystkich możliwych usterek przed zatwierdze-niem danego rozwiązania, a w przypadku już istnieją-cego procesu badaniu występujących lub możliwych do wystąpienia wad. Jej ostatecznym celem jest ocena ryzyka związanego z planowanym lub przyjętym roz-wiązaniem. Tym samym FMEA pozwala na realizo-wanie zasady minimalizacji defektów, ciągłego do-skonalenia oraz obniżania kosztów jakości procesu lub produktu.

Metoda FMEA znajduje szerokie zastosowanie, ponieważ jest skuteczna przy analizie złożonych pro-cesów. Analizie można poddać zarówno pojedynczy komponent (np. zestaw kołowy), jak również podze-spół (np. wózek) jak i cały produkt (np. lokomotywa).

Prawidłowe przeprowadzenie analizy FMEA wy-maga podjęcia następujących kroków [4]:

a) zdefiniowanie podzespołu będącego przedmio-tem badania,

b) przedstawienie listy możliwych wad lub usterek w odniesieniu do zdefiniowanego elementu,

should be adjusted accordingly. The locomotive com-ponents must then be exchanged more frequently that shall undoubtedly affect availability and maintenance costs of the locomotive.

Taking into account that such an analysis is very complex and many factors should be considered, it is advisable to use the tools that systematize the task and enable to minimize or exclude the errors. The analysis should be carried out preferably prior to implementa-tion of the change. Alternatively, it can be performed in the course of the implementation, in order to iden-tify potential or revealed process flaws and to plan appropriately preventive measures. 5. Failure Mode Effect Analysis (FMEA)

One of the methods used in analysis of the causes

and effects of failures, aimed at reducing probability of their occurrence, is FMEA. It is used by the compa-nies to prevent or mitigate the defect results that occur in the designing and manufacturing processes. The method is used to examine all possible defects before approval of a given solution, while in case of an ex-amination process being in course the existing or pos-sible defects are reported. Its ultimate goal consists in estimation of the risks associated with the planned or adopted solution. Thus, FMEA allows to implement the principle of minimizing defects, continuous im-provement and reducing the quality cost of the process or product.

The FMEA method is widely used because of its effectiveness in analysis of complex processes. It en-ables analysis of a single component (e.g. a wheelset), a subassembly (e.g. a bogie) as well as the entire prod-uct (e.g. a locomotive).

Proper implementation of the FMEA requires the following steps [4]:

a) definition of the sub-assembly to be studied; b) presentation of a list of possible defects or flaws

of the considered part; c) formulation of a list of probable consequences

of the indicated defects; d) preparation of a list of the causes resulting in the

identified defects; e) analysis of potential defects; f) determination of the risk caused by the errors; g) planning and implementation of preventive

measures and tests of their effectiveness. For each defect/flaw of the subassembly, their

causes and effects, the following parameters are de-termined, scoring them on a scale of 1-10:

a) probability (R) of the defect, b) the meaning of the defect (Z) for the carrier or

vehicle maintainer, c) probability (W) of finding a defect by the carrier

or vehicle maintainer. Members of the team of experts using the FMEA

determine the R, Z and W values, taking into account

35


c) utworzenie wykazu prawdopodobnych skutków wystąpienia wskazanych wad,

d) sporządzenie wykazu przyczyn wyodrębnio-nych wad,

e) analiza potencjalnych wad, f) określenie ryzyka związanego z błędami, g) zaplanowanie i wdrożenie działań zapobiegaw-

czych oraz badanie ich skuteczności. Dla każdej wady/usterki podzespołu, ich przyczyn

i skutków, określa się następujące parametry, punktu-jąc je w skali 1 ÷ 10:

a) prawdopodobieństwo (R) wystąpienia wady, b) znaczenie wady (Z) dla przewoźnika lub utrzy-

mującego pojazd, c) prawdopodobieństwo (W) wykrycia wady przez

przewoźnika lub utrzymującego pojazd. Członkowie zespołu ekspertów dokonujący analizy

FMEA określają wartości R, Z i W, kierując się uzgodnionymi dla każdego podzespołu wagami licz-bowymi dla poszczególnych wskaźników, np. w przy-padku nieprawdopodobnego lub bardzo rzadkiego wystąpienia wady, wskaźnik R powinien zastać usta-lony na poziomie 1 ÷ 2, natomiast dla częstego lub bardzo częstego wystąpienia wad właściwa wartość wskaźnika powinna wynosić 9 ÷ 10. Podobnie postę-puje się przy określaniu wskaźnika znaczenia wady Z oraz wskaźnika W określającego prawdopodobień-stwo wykrycia wady.

Dla celów analitycznych wykorzystuje się wskaź-nik poziomu ryzyka C, który jest iloczynem parame-trów R, Z oraz W. Im wyższy uzyskuje się iloczyn, tym wada jest istotniejsza dla sprawnego działania pojazdu.

Przyjmuje się, że istotne znaczenie ma usterka, dla której liczba C jest większa niż 121. Należy zwrócić uwagę, że im większa wartość C, tym zagrożenie jest bardziej znaczące i dotkliwe dla pojazdu. Wartość parametru C powyżej 150 oznacza zagrożenie kry-tyczne dla wyrobu.

Na podstawie macierzy ryzyka (tab. 4) identyfikuje się następujące poziomy ryzyka:

a) ryzyko niedopuszczalne istotnie zagrażające bezpieczeństwu pojazdu: niezwłocznie podjąć środki korygujące - klasa ryzyka 1,

b) ryzyko jest akceptowalne, ale należy podjąć od-powiednie środki zaradcze - klasa ryzyka 2,

c) ryzyko jest do zaakceptowania: nie jest ko-nieczne podejmowanie żadnych działań - klasa ryzyka 3.

the numerical weights agreed for each subassembly for particular indicators. For example, in case of an unlikely or very rare occurrence of the defect the R indicator should be set at 1 or 2, while for frequent or very frequent occurrence, the proper value of the indicator should amount to 9-10. The same procedure applies to determination of the Z-defect significance indicator and the W-index evaluating probability of the defect detection.

For analytical purposes, the risk level indicator C is used, being a product of R, Z and W parameters. The higher the product, the more important is the defect for efficient operation of the vehicle.

It is assumed that the defect of the number C exceeding 121 is significant. It should be noticed that the higher the C value, the more serious and severe the risk to the vehicle. The value of parameter C above 150 indicates a critical hazard for the product.

Based on the risk matrix (Table 4), the following risk levels are specified:

a) unacceptable risk, significantly jeopardizing safety of the vehicle: corrective measures should be undertaken immediately – the risk class 1;

b) acceptable risk, nevertheless appropriate meas-ures should be taken – the risk class 2;

c) acceptable risk, no action required – the risk class 3.

Klasa ryzyka Risk class

Ryzyko C Risk C

Poziom ryzyka Risk level

1 C>150

Zagrożenie krytyczne istot-nie zagrażające bezpieczeń-

stwu wyrobu Critical hazard significantly

threatening safety of the product

2 121≤C≤150

Należy podjąć działania eliminujące ryzyko

The measures should be taken to eliminate the risk

3 C<121

Nie ma ryzyka wystąpienia niebezpieczeństwa lub ryzy-

ko jest akceptowalne No risk or the risk is accept-

able

The risk matrix C. Risk acceptability level Table 4 Macierz ryzyka C. Poziom akceptowalności ryzyka Tablica 4

Źródło: Opracowano na podstawie koncepcji utrzymania taboru kolejowego i analizy ryzyka utrzymania stosowanej przez przewoźnika kolejowego

Source: Formulated based on the concept of rolling stock maintenance and risk analysis implemented by the railway carrier

Due to the fact that the risk indicator C depends on three factors, the corrective or preventive measures may also focus on reducing the probability or nuisance and improving detectability of the vehicle subassem-bly defects.

Z uwagi na to, że wskaźnik ryzyka C jest zależny od trzech obszarów, działania korygujące czy zapo-biegawcze również mogą skupić się na zmniejszeniu prawdopodobieństwa, wykrywalności lub uciążliwości wad podzespołu pojazdu.

(1)

(1)

36


Analysis of possible faults and their effects in case of the buffing & draw gear Table 5

Sub-assembly

Possible fault type

Possible fault effect

Meaning of the fault (Z)

Possible causes of the fault

Probability of occur-

rence (R)

Controlling measures

Detectability (W) C

Reco-mmended

action

Responsibility and term of the required

operation

The action to be

undertaken

The fault

weight (Z)


rence (R)

Detectability (W) C

Defect of the

buffing & draw

gear

Shutting the wagon

out of service,

occurrence of an

incident, accident

or serious accident

5

Exce-ssive pull

(wear) of the buff-

ing & draw gear

4

Lubri-cation,

examina-tion of the pins, pro-tection of the pins

4 80

Breaking the hook

The rail vehicles

cannot be coupled

6 Overload, excessive hook jerk

6 Check of the cargo weight

3 108

Coupling damage

The rail vehicles

cannot be coupled

5 Overload, excessive hook jerk

3 Check of the cargo weight

2 30

Buf

fing

& d

raw

gea

rs

Buffer damage

Shutting the wagon

out of service,

occurrence of an

incident, accident

or serious accident

5 Middle

connection break

On-going

buffer control

3 30

Analiza potencjalnych wad i skutków dla urządzeń cięgłowo-zderznych Tablica 5

Analysis of possible faults and their effects in case of the wheelsets Table 6 Analiza potencjalnych wad i skutków dla zestawów kołowych Tablica 6

Sub-assembly

Possible fault type

Possible fault effect

Meaning of the fault (Z)

Possible causes of the fault


rence (R)

Controlling measures

Detectability (W) C

Reco-mmended

action

Responsibility and term of the required

operation

The action to be under-

taken

The fault

weight (Z)


rence (R)

Detecta-bility (W)

C

Tyre breakage 6

Tyre breakage

due to wear

6 On-going tyre control 5 180

Tyre replace-

ment

Fleet man-ager, immedi-

ately

Tyre re-placement 5 6 5 150

Axis breakage 8

Axis breakage

due to wear

5 Defectoscopy of the axis 6 240

Axis replace-

ment


ately

Wheelset replacement 7 5 6 210

Whe

else

t

Bearing breakage

Shutting the

wagon out of service

and repair

4

Bearing seizure, lack of

lubrication

7 Lubrication, visual ex-amination

7 196 More

frequent control


ately

Bearing replacement, lubrication

4 7 6 168

Similar procedure supplemented with FMEA and applied to all the defined locomotive assemblies and subassemblies provides a complete and complemen-tary maintenance system, including particular opera-tions required at a given time in order to maintain safe and correct use of the vehicle. However, irrespective of the method used once, according to which the in-spection and repair operations have been distributed, continuous monitoring and observation of the condi-tion of the vehicle operation remain necessary. Apart from the analysis based on the principles of reliability of particular components, final determination of the maintenance and repair cycles is affected by the vehi-cle operating conditions subjected to changes over time, according to the activity carried out by the car-rier using these vehicles. Therefore, according to legis-lator’s provision, the railway carriers operating the vehicles of a given type are responsible for proper development and updating of the documentation of vehicle maintenance system. In consequence, the maintenance system of a locomotive may vary accord-ing to the conditions of its operation existing at the carrier.

Postępując w podobny sposób wobec wszystkich zdefiniowanych zespołów i podzespołów lokomoty-wy, po przeprowadzonej analizie FMEA uzyskuje się kompletny i komplementarny system utrzymania za-wierający poszczególne czynności wymagane w da-nym czasie w celu zachowania bezpiecznej i prawi-dłowej eksploatacji pojazdu. Niezależnie jednak od zastosowanej raz metody, zgodnie z którą dokonano podziału czynności przeglądowo naprawczych, jest niezbędne by prowadzić ciągły monitoring i obserwa-cje stanu pojazdu. Oprócz analizy opartej o zasady niezawodności poszczególnych komponentów, wpływ na ostateczne ustalenie cyklów przeglądowo-naprawczych mają warunki eksploatacji pojazdu, któ-re mogą ulegać zmianie w czasie, w zależności od działalności prowadzonej przez przewoźnika z udzia-łem pojazdów. Dlatego też ustawodawca uczynił od-powiedzialnym za właściwe opracowanie i aktualiza-cję dokumentacji systemu utrzymania pojazdów przewoźników kolejowych eksploatujących pojazdy danego typu. System utrzymania lokomotywy tego samego typu może zatem różnić się w zależności od tego w jakich warunkach przewoźnik wykonuje pracę eksploatacyjną z użyciem pojazdu.

37


5. Podsumowanie Przyjęte rozwiązanie zbilansowanego cyklu utrzy-

mania zostało oparte na ocenie stanu technicznego lokomotywy. Poprzez równomierne rozłożenie w cza-sie i dopasowanie zakresów przeglądów do rodzajów elementów składowych i podzespołów lokomotywy, osiągnięto satysfakcjonującą niezawodność zapewnia-jąc przy tym zgodność lokomotywy z jej kryteriami projektowymi i wymaganiami producenta. Uzyskano również niższe koszty utrzymania w porównaniu z innymi porównywalnymi typami lokomotyw, gdzie stosuje się pięciopoziomowy system utrzymania.

Pozwala to sądzić, że metoda zbilansowanego cy-klu utrzymania jest dobrą alternatywą dla posiadaczy pojazdów kolejowych. Z uwagi jednak na to, że jest to relatywnie nowe rozwiązanie, należy monitorować stan lokomotywy i ciągle doskonalić przyjęty proces utrzymania, a w razie potrzeby dostosować go do zmieniających się warunków eksploatacji lub wpro-wadzać wymagane działania zapobiegawcze wynika-jące z wykonanych analiz awaryjności pojazdu lub metody FMEA.

5. Summary The adopted solution of a balanced maintenance

cycle was based on the assessment of the technical condition of the locomotive. Due to uniform distribu-tion in time and adjustment of the inspection ranges to the types of locomotive components and subassem-blies, satisfactory reliability was achieved, ensuring, at the same time, compliance of the locomotive with its design criteria and manufacturer's requirements. Lower maintenance costs were also achieved as com-pared to other similar locomotive types subjected to five-level maintenance system.

This suggests that the method of a balanced main-tenance cycle is a good alternative for the railway ve-hicle owners. Nevertheless, taking into account that it is a relatively new solution, monitoring of the locomo-tive condition and constant improving of the mainte-nance process is necessary. Additionally, the changing operating conditions may impose proper adaptation of the maintenance process or may require preventive operations resulting from failure frequency analysis or from FMEA.


[1] Wachnik R., Drzewiecki A.: System Zarządzania Utrzymaniem pojazdów kolejowych (MMS). Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej. Katowice 2011.

[2] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 października 2005 r w sprawie ogólnych warunków technicznych eksploatacji pojazdów kolejowych (Dz. U. 2016 poz. 226 z późn. zm.).

[3] Dokumentacja systemu utrzymania, DB Cargo Polska S.A. Praca niepublikowana. 2017. [4] Folejewska A.: Analiza FMEA – zasady, komentarze, arkusze. Wydawnictwo Verlag Dashofer Sp. z o.o. Warszawa

2010.

38


mgr inż. Joanna Wojtukiewicz Instytut Pojazdów Szynowych „ TABOR”

Determination of measurement uncertainty as a necessary condition confirming the reliability of measurement results

W artykule zawarto najważniejsze zagadnienia związane z wyznaczaniem niepewności pomiaru oraz z przedstawianiem wiarygodnych wyników pomiarów. Przedstawiono m.in. najważniejsze pojęcia dotyczące niepewności pomiaru, wymagania normatywne, źródła, cel oraz metody wyznaczania niepewności pomiaru. Artykuł zawiera również odniesienie do czynności metrologicznych wykonywanych w Laboratorium Badań Pojazdów Szyno-wych w celu spełnienia przedstawionych wymagań.

Wyznaczanie niepewności pomiaru jako niezbędny warunek potwierdzający wiarygodność wyników pomiarów

The article contains the most important issues related to the measurement uncertainty determination and the presentation of reliable measurement results. It is presented inter alia the most important concepts concerning the measurement uncertainty, the normative requirements, the sources, the purpose and the methods of measurement uncertainty determination. The article also contains a reference to the metrological activities carried out in the Laboratory of Rail Vehicles Tests in order to meet the presented requirements.

1. Introduction The Rail Vehicles Research Laboratory operating

within the Rail Vehicles Institute of TABOR in Poznań carries out both stationary and moving tests of rail vehicles.

By performing the appropriate, required meas-urements in accordance with the test program and in-terpretation of the obtained results, both the durability and safety of the given vehicle are verified. These is-sues are extremely important in the case of machines which bear a lot of responsibility like rail vehicles. This step is necessary to permit the vehicle type for any kind of travel on the rail lines. It is also extremely important that the required tests are performed in a way that ensures a reliable representation of the conditions occurring during normal vehicle operation.

In addition, in order for the obtained measurement results to be considered reliable, correct, exhaustive and unquestionable, They must be provided along with the expanded uncertainty of a given measurement.

2. The concept of reliable measurement data As mentioned in the introduction, a reliable meas-

urement is a measurement that has been made correctly and which does not raise doubts as to this correctness. The awareness related to the proper presentation of measurement results is constantly increasing nowa-days. The measurement uncertainty, which is a pa-rameter related to the measurement result, is a required and extremely important factor to reliably present

1. Wstęp Laboratorium Badań Pojazdów Szynowych dzia-

łające w ramach Instytutu Pojazdów Szynowych „TA-BOR” w Poznaniu przeprowadza zarówno badania stanowiskowe, jak i ruchowe pojazdów szynowych.

Poprzez wykonanie odpowiednich, wymaganych pomiarów zgodnych z programem badań oraz interpre-tację otrzymanych wyników, weryfikowana jest za-równo trwałość, jak i bezpieczeństwo danego obiektu. Kwestie te są niezwykle ważne w przypadku tak od-powiedzialnych obiektów jak pojazdy szynowe. Bez tego etapu niemożliwe jest dopuszczenie typu pojazdu szynowego do ruchu. Niezwykle istotne jest również, aby wymagane badania przeprowadzane były w sposób zapewniający wiarygodne odwzorowanie warunków występujących podczas normalnej eksploatacji danych pojazdów.

Ponadto, aby wyniki z przeprowadzonych pomia-rów uznawane były za wiarygodne, poprawne, wy-czerpujące i niebudzące wątpliwości, wymaga się, aby podawać je wraz z niepewnością rozszerzoną danego pomiaru.

2. Istota wiarygodnych pomiarów Jak wspomniano we wstępie, wiarygodny pomiar

to pomiar, który wykonano poprawnie i który nie budzi wątpliwości, co do tej poprawności. W obecnych cza-sach ciągle zwiększa się świadomość związana z od-powiednim przedstawianiem wyników pomiarów. Nie-pewność pomiaru, będąca parametrem związanym z

39


the measurement results. In modern metrology, methods for determining and estimating measurement uncertainty are still being created and improved so that it is beyond doubt.

The measurement uncertainty is therefore extremely important for all measurements performed in laboratories. For this reason, it is recommended that each research laboratory has and applies appropriate procedures for the determination or estimation of measurement uncertainty.

The methods that ensure the reliability of measurements include:

• ensuring consistency through an uninterrupted chain of calibrations and comparisons • determining and accounting for the measurement uncertainty.

According to the document EA-4/02 M:2013 the result of a given measurement is complete only if it contains both the value of the measured quantity and the uncertainty of measurement related to this value [3].

Measurement consistency (related to measurement unit standards) is a property of a measurement unit or measurement result, showing that they can be linked to reference data using documented calibrations (uninterrupted comparison chain), where all calibration is required to have uncertainties within a given range [5, 12].

Preservation of the measurement consistency of the measuring apparatus and instruments used in relation to metrological standards is therefore extremely important in order to ensure the reliability of the measurement results. In order for the testing laboratory to meet this condition, it is necessary to calibrate and supervise any measuring apparatus properly.

According to the PN-EN ISO/IEC 17025:2005 [1] standard, maintaining the consistency is a systemic requirement necessary for a research laboratory in order to obtain accreditation. Meeting this condition is the equivalent of striving to ensure the highest possible precision of measurements. In practice, the measurement consistency is reduced to a formal and documented metrological connection of measuring equipment with given measured value standards [14].

In the Rail Vehicles Research Laboratory, the measurement consistency is ensured by the supervision of measuring equipment, internal and external calibrations, technical checks and inspections.

Calibration consists of a set of operations, carried out in specific conditions. By performing these opera-tions, the relationship between the values of the cali-brated object's measured quantity and the standard's indications [13] is determined.

It is also obvious when carrying out measurements that it is necessary to know the appropriate units in which the measured values are given. Knowing the measurement data units is also necessary when com-

wynikiem pomiaru, jest czynnikiem wymaganym oraz niezwykle istotnym, aby w wiarygodny sposób przed-stawić wyniki pomiarów. We współczesnej metrologii wciąż są tworzone oraz doskonalone metody wyzna-czania oraz szacowania niepewności pomiaru w sposób niebudzący wątpliwości.

Niepewność pomiaru jest zatem niezwykle istotna w przypadku wszelkich pomiarów wykonywanych w laboratoriach. Z tego powodu zaleca się, aby każde laboratorium badawcze posiadało oraz stosowało od-powiednie procedury wyznaczania bądź szacowania niepewności pomiaru.

Do sposobów zapewniających wiarygodność po-miarów zalicza się:

• zapewnienie spójności pomiarowej przez nie-przerwany łańcuch wzorcowań i porównań • wyznaczanie oraz uwzględnianie niepewności pomiaru.

Zgodnie z dokumentem EA-4/02 M:2013 wynik danego pomiaru jest kompletny tylko, jeżeli zawiera zarówno wartość wielkości mierzonej, jak i niepew-ność pomiaru związaną z tą wartością [3].

Spójność pomiarowa (powiązanie ze wzorcami jednostki miary) jest to właściwość dotycząca wzorca jednostki miary lub wyniku pomiaru, świadcząca o tym, iż mogą być one powiązane z danymi odniesie-niami za pomocą udokumentowanych wzorcowań (nieprzerwanego łańcucha porównań), przy czym wy-maga się, aby wszystkie wzorcowania miały określone niepewności [5, 12].

Zachowanie spójności pomiarowej stosowanej apa-ratury i przyrządów pomiarowych w odniesieniu do wzorców metrologicznych jest w związku z tym nie-zwykle istotne ze względu na zapewnienie wiarygod-ności wyników pomiarów. Aby laboratorium badawcze spełniło ten warunek, konieczne jest właściwe wzor-cowanie oraz nadzorowanie wszelkiej aparatury po-miarowej.

Zgodnie z normą PN-EN ISO/IEC 17025:2005 [1] zachowanie spójności pomiarowej jest wymaganiem systemowym koniecznym do uzyskania akredytacji przez laboratorium badawcze. Spełnienie tego warunku jest tożsame z dążeniem do zapewnienia możliwie najwyższej precyzji wykonywanych pomiarów. W praktyce zachowanie spójności pomiarowej sprowadza się do formalnego i udokumentowanego powiązania metrologicznego wyposażenia pomiarowego z danymi wzorcami wielkości mierzonych [14].

W Laboratorium Badań Pojazdów Szynowych za-chowanie spójności pomiarowej zapewnione jest po-przez nadzorowanie wyposażenia pomiarowego, wy-konywanie wzorcowań wewnętrznych i zewnętrznych, sprawdzeń i przeglądów technicznych.

Wzorcowanie (kalibracja) składa się ze zbioru da-nych operacji, wykonywanych w określonych warun-kach. Poprzez zrealizowanie tych operacji określana jest relacja pomiędzy wartościami wielkości mierzonej

40


paring test results with one another. For this reason, the International System of Units (SI) is used, which is a coherent, widely recognized and applied metric system. There also exists a global metrological structure, created by appropriate institutions, whose task is to ensure the consistency of measurement data on a global scale. Ensuring this consistency takes place through the proper implementation of a given unit of measure, starting from the definition, through the measurement and calibration standards, to the measuring instrument itself [9, 12].

Figure 1 presents the implementation of units of measurement and the chain of consistency in a schematic manner [9].

obiektu wzorcowanego a wskazaniami wzorca [13]. Oczywiste jest również przy przeprowadzaniu po-

miarów, iż niezbędna jest znajomość odpowiedniej jednostki miary. Znajomość jednostki miary danych pomiarów jest także niezbędna w przypadku porów-nywania ich wyników ze sobą. Z tego powodu stosuje się Międzynarodowy Układ Jednostek Miar SI, który jest spójnym, powszechnie uznanym i stosowanym systemem metrycznym. Istnieje również światowa struktura metrologiczna, tworzona przez odpowiednie instytucje, których zadaniem jest zapewnienie spójno-ści pomiarowej w skali globalnej. Zapewnienie tej spójności odbywa się poprzez właściwe przekazanie danej jednostki miary od definicji, przez wzorce po-miarowe, aż do przyrządu pomiarowego [9, 12].

Na rysunku 1 przedstawiono w sposób schema-tyczny przekazywanie jednostek miar [9].

Fig. 1. The chain of measurement consistency [9]

Legend: Łańcuch spójności pomiarowej = measurement consistency chain, Przekazywanie jednostek miar = transfer of measurement units, Definicja jednostki miary = measurement unit definition, Spójność pomiarowa = measurement consistency, Wzorce międzynarodowe = international standards, Międzynarodowe Biuro Miar = Interna-tional Office of Measures, Krajowe Instytucje metrologiczne = National Metrological Institutes, Wzorce państwowe = National standards, Krajowe Instytucje metrologiczne lub Instytucje De-sygnowane = National Metrological Institutes or Designated Institutions, Wzorce odniesienia = Reference standards, Akredytowane laboratoria pomiarowe, laboratoria wykonujące prawna kontrolę metrologiczną i badania do oceny zgodności = Accredited Measurement Laboratories, laboratories performing the legislated control of metrology and test the measurement consistency, Wzorce robocze = practical standards, Akredytowane laboratoria pomiarowe, laboratoria wykonujące prawna kontrolę metrologiczną i badania do oceny zgodności = Accredited Measurement Laboratories, laboratories performing the legislated control of metrology and test the measurement consistency, Użytkowe przyrządy pomiarowe = functional measuring devices, Użytkownicy (nauka, technika, wytwórczość i handel, akcyza) = Users (scientific, technology, trade and manufacturing, excise), Niepewność pomiaru = measurement uncertainty.

Rys. 1. Łańcuch spójności pomiarowej [9]

Spójność pomiarowa charakteryzowana jest przez sześć podstawowych elementów [5]:

• nieprzerwany łańcuch porównań do międzyna-rodowego lub państwowego wzorca pomiaro-wego

• udokumentowaną niepewność pomiaru • udokumentowaną procedurę pomiarową • kompetencje techniczne • odniesienie do jednostek układu SI, wzorców

pomiarowych odniesienia lub procedur pomia-rowych zawierających jednostkę miary

• odstępy czasu między wzorcowaniami.

3. Najważniejsze definicje związane z niepewnością pomiaru

Mezurand jest to wielkość mierzona, nazywana również wielkością wyjściową Y zależną od wielkości wejściowych Xi (i=1, 2,…, n) zgodnie z zależnością (3): Y = f (X1, X2, …, Xn) . (3)

Funkcja f nazywana jest funkcją pomiaru. Funk-cja ta opisuje zarówno procedurę pomiarową, jak i metodę obliczeniową. Funkcja pomiaru określa, w jaki sposób z wartości wielkości wejściowych Xi otrzymuje się wartość wielkości wyjściowej Y.

Funkcja ta może być pojedynczym wyrażeniem analitycznym bądź zbiorem wyrażeń analitycznych, które zawierają poprawki oraz współczynniki popraw-kowe oddziaływań systematycznych. Funkcja pomiaru f może zostać określona eksperymentalnie lub poprzez algorytm komputerowy wyznaczany numerycznie, a może również być kombinacją wymienionych form [3].

Zgodnie z definicją Międzynarodowego Słownika Podstawowych i Ogólnych Terminów Metrologii wy-danego przez ISO niepewność pomiaru jest to para-metr związany z wynikiem pomiaru, charakteryzujący rozrzut wartości, które można w uzasadniony sposób

Measurement consistency is characterized by six basic elements [5]:

• an uninterrupted chain of comparisons to an in-ternational or national measurement standard

• documented measurement uncertainty • documented measurement procedure

41


przypisać wielkości mierzonej. Takim parametrem może być odchylenie standardowe lub inna część prze-działu wskazującego określony poziom ufności [3, 7].

Standardowa niepewność pomiaru u(y), która jest związana z estymatą wielkości wyjściowej (wyni-kiem pomiaru) jest (zazwyczaj) odchyleniem standar-dowym mezurandu Y [3].

Złożoną standardową niepewność pomiaru wy-znacza się na podstawie estymat xi (i=1, 2,…, n) wiel-kości wejściowych Xi oraz na podstawie związanych z nimi niepewności standardowych u(xi), przy czym należy zaznaczyć, iż niepewność standardowa związa-na z daną estymatą ma wymiar identyczny z wymiarem tej estymaty. Złożona standardowa niepewność pomia-ru równa jest pierwiastkowi sumy wyrażeń, będących wariancjami wielkości wejściowych z wagami zależ-nymi od tego, jak wynik pomiaru zmienia się wraz ze zmianami tych wielkości [3, 8].

Niepewność rozszerzona U jest to wielkość, któ-ra określa przedział wokół wyniku pomiaru, wobec którego zakłada się, iż obejmuje znaczną część rozkła-du wartości w uzasadniony sposób przypisanych wiel-kości mierzonej. Niepewność rozszerzoną uzyskuje się poprzez iloczyn złożonej niepewności standardowej i współczynnika rozszerzenia k [8].

4. Cel wyznaczania niepewności pomiaru oraz wy-magania normatywne

Wyznaczanie oraz podawanie niepewności pomia-ru wraz z wartością wielkości mierzonej jest jednym z wymagań stawianych akredytowanym laboratoriom badawczym. Przewodnik GUM [2] wymaga, aby sto-sować model wyznaczania niepewności, który obejmu-je wszystkie składowe znacząco wpływające na nie-pewność wyniku badań.

Dodatkowo klienci akredytowanych laboratoriów badawczych, poprzez swoje oczekiwania, narzucają konieczność przedstawiania sprawozdań z badań w sposób niebudzący wątpliwości, iż zostały one prze-prowadzone poprawnie, a wyniki są użyteczne, powta-rzalne oraz wyczerpujące. Klienci mogą również ocze-kiwać przedstawienia właściwości jakościowych, mię-dzy innymi wiarygodności wyników oraz ilościowego określania tej wiarygodności, na przykład poprzez podanie niepewności, czy też określenia poziomu za-ufania do oświadczenia o zgodności danego wyrobu.

Należy podkreślić, iż wyznaczona niepewność pomiaru w żadnym wypadku nie jest wadą, opisuje natomiast rzeczywistą jakość oraz pewność danych pomiarów. Należy zatem unikać mylenia niepewności pomiaru z błędem pomiarowym. Niepewność pomiaru jest niezbędną informacją wymaganą, by wyrazić cał-kowity wynik pomiaru [6].

Zgodnie z dokumentem ILAC-G17:2002 - Wpro-wadzenie problematyki niepewności pomiaru w bada-niach w związku z wejściem do stosowania normy ISO/IEC 17025 [6]:

• technical competence • reference to SI units system or to measurement

standards or measurement procedures containing a unit of measurement

• intervals between calibrations.

3. The most important definitions related to meas-urement uncertainty

Measurand is the measured quantity, also known as the output value Y resulting from the input values Xi (i=1, 2,…, n) in accordance with (3): Y = f (X1, X2, …, Xn). (3)

The function f is called the measurement func-tion. This function describes both the measurement procedure and the calculation method. The measure-ment function determines how the output value Y is obtained from the input values Xi.

This function can be a single analytical expression or a set of analytical expressions that contain correc-tions and correction factors for systematic interactions. The measurement function f can be determined ex-perimentally or by a computer algorithm determined numerically, it can also be a combination of these two methods [3].

According to the definition of the International Dictionary of Basic and General Metrology Terms issued by ISO, measurement uncertainty is a parame-ter related to the measurement result, characterizing the spread of values that can be reasonably attributed to the measured value. Such a parameter can be a standard deviation or other part of the range indicating the specified confidence level [3, 7].

The standard measurement uncertainty u(y), which is related to the estimate of the initial value (measurement result) is (usually) the standard devia-tion of the Y measurand [3].

The complex standard uncertainty of meas-urement is determined on the basis of the estimates xi (i=1, 2,…, n) of the input values Xi and on the basis of the standard uncertainties associated with them u(xi), it should be noted that the unit of a standard uncertainty associated with the given estimate is identical to the unit of this estimate. The complex standard uncertainty of measurement is equal to the square root of the sum of expressions, being the variances of the input values with weights depending on how the measurement re-sult varies with the changes of these quantities [3, 8].

Expanded uncertainty U is the value that deter-mines the range around the measurement result, which is assumed to cover a significant part of the distribution of values assigned to the measured value in a justified way. The expanded uncertainty is obtained by multi-plying the complex standard uncertainty and the ex-pansion coefficient k [8].

42


4. The purpose of measurement uncertainty deter-mination and normative requirements

The determination and notation of measurement uncertainty along with the value of the measured quan-tity is one of the requirements for accredited testing laboratories. The GUM guide [2] requires that the un-certainty model be applied, which includes all compo-nents that significantly affect the uncertainty of the test result.

In addition, the clients of accredited research labo-ratories, through their expectations, impose the neces-sity of presenting research reports in a way that leaves little doubt that they have been carried out correctly and that the results are useful, repeatable and consis-tent. Clients may also expect the presentation of quali-tative characteristics, including the reliability of the results and the quantification of this reliability, for example by specifying the uncertainty or determining the level of confidence in the statement of conformity of a given product.

It should be emphasized that the determined meas-urement uncertainty is in no way a disadvantage, but describes the actual quality and reliability of the measurements. It is therefore necessary to avoid con-fusing the measurement uncertainty with a measure-ment error. The uncertainty of measurement is the nec-essary information required to express the total meas-urement result [6].

According to the ILAC-G17:2002 document - In-troduction of measurement uncertainty in research in connection with the entry of ISO/IEC 17025 [6] into effect:

• the basic documents are the GUM Guide [2] and the ISO/IEC 17025 norm [1]

• uncertainty of measurement is taken into ac-count only in quantitative research, i.e. in stud-ies in which numerical values for a given as-pect or measured quantity are obtained

• a recommendation exists that the main re-quirement should be to assess the overall un-certainty or to identify its main components along with an estimate of their value and the magnitude of the combined uncertainty

• three variants for using standard methods can be distinguished, namely: o a laboratory that uses the standard method

in which uncertainty estimation guidelines have been provided must only follow the procedure for estimating the uncertainty of the standard method. In this case, the labo-ratory must demonstrate full compliance with the test methods

o if the laboratory shows full compliance with the test method, then the uncertainty of measurement can be calculated accord-ing to the typical measurement uncertainty for the test results as given in the norm

• podstawowymi dokumentami są Przewodnik GUM [2] oraz norma ISO/IEC 17025 [1]

• niepewność pomiaru jest brana pod uwagę je-dynie w badaniach ilościowych, czyli w bada-niach, w których otrzymywane są wartości liczbowe dla danej cechy lub wielkości mie-rzonej

• istnieje zalecenie, by głównym wymaganiem było oszacowanie niepewności całkowitej lub zidentyfikowanie głównych składników wraz z oszacowaniem ich wielkości i wielkości nie-pewności złożonej

• można wyróżnić trzy warianty w przypadku stosowania metod standardowych, mianowicie:

o laboratorium, które stosuje metodę standardo-wą, w której podane zostały wytyczne doty-czące szacowania niepewności, musi jedynie postępować według procedury szacowania niepewności metody standardowej. W tym przypadku laboratorium musi wykazać pełną zgodność z metodami badawczymi

o jeżeli laboratorium wykazuje pełną zgodność z metodą badawczą, wówczas pozwala się obli-czać wartość niepewności pomiaru według podanej w normie typowej niepewności po-miarowej dla wyników badań

o jeżeli laboratorium wykazuje pełną zgodność z metodą badawczą, a norma podaje niepewność pomiaru rezultatów badania, wówczas nie wymaga się dalszych działań ze strony labora-torium

• w przypadku, gdy oszacowanie niepewności jest ograniczone, musi być to podane w każ-dym sprawozdaniu dotyczącym niepewności.

Przewodnik GUM wyszczególnia podstawowe koncepcje w wyznaczaniu niepewności [2, 4]:

• wielkości mające wpływ na wielkość mierzoną z założenia nie są w pełni znane, stąd mogą być wyrażone za pomocą funkcji gęstości prawdopodobieństwa (PDF – Probability Den-sity Function) wartości, które można przypisać danemu parametrowi

• oczekiwana wartość PDF jest określona za pomocą najlepszego przybliżenia wartości da-nej wielkości

• odchylenie standardowe PDF jest określone za pomocą niepewności standardowej powiązanej z tym oszacowaniem

• PDF określona jest na podstawie wiedzy o wielkości, zdobytej na podstawie:

o powtarzalnych wyników – wyznaczenie typu A o ocenie naukowej mającej podstawę we wszyst-

kich dostępnych informacjach o możliwo-ściach wpływu na zmienność danej wielkości – wyznaczenie typu B.

43


o if the laboratory is in full compliance with the test method and the norm provides un-certainty for the test measurements, then no further action from the laboratory is re-quired

• in the event that the uncertainty estimate is limited, it must be included in each uncertainty report.

The GUM guide specifies the basic concepts in de-termining uncertainty [2, 4]:

• the magnitudes affecting the measured quantity are, by definition, not fully known. Hence, they can be expressed using the value Prob-ability Density Function (PDF) that can be as-signed to a given parameter

• The expected PDF value is determined by the best approximation of the given parameter’s value

• The standard deviation of PDF is determined by the standard uncertainty associated with this estimate

• PDF is defined based on the knowledge of the parameter or variable, obtained using: o repeatable results – type A determination

method o the scientific assessment that encompasses

all available information on the possible aspects that can affect the value of a given variable – type B determination method.

As outlined in PN-EN ISO/IEC 17025:2005 – General competence requirements for the re-search and calibration laboratories [1]:

• the laboratory should have calibration instruc-tions. All instructions relevant to the labora-tory's work should be frequently updated and easily accessible to staff

• both a calibration laboratory and a research laboratory, which carries out its own calibra-tions, should possess and utilize a procedure for estimating the measurement uncertainty for all calibration types

• in some cases, the nature of the test method may prevent strict, metrologically and statisti-cally justified calculations of measurement un-certainty. In such cases, the laboratory should try to identify all uncertainty components, ra-tionally estimate them, and ensure that the presentation of results does not give a false impression of uncertainty

• the accuracy of measurement uncertainty esti-mation depends on the requirements included in the research method, client's requirements, a narrow range of limits being the basis on which a decision on compliance with the speci-fication to be made

Zgodnie z normą PN-EN ISO/IEC 17025:2005 - Ogólne wymagania dotyczące kompetencji la-boratoriów badawczych i wzorcujących [1]:

• laboratorium powinno posiadać instrukcje wzorcowania. Wszystkie instrukcje istotne dla pracy laboratorium powinny być stale aktuali-zowane i łatwo dostępne dla personelu

• zarówno laboratorium wzorcujące, jak i labora-torium badawcze, które przeprowadza własne wzorcowania, powinno posiadać oraz stosować procedurę szacowania niepewności pomiaru dla wszystkich typów wzorcowań

• w pewnych przypadkach charakter metody ba-dawczej może uniemożliwić ścisłe, metrolo-gicznie i statystycznie uzasadnione, obliczenie niepewności pomiaru. W takich przypadkach laboratorium powinno spróbować zidentyfi-kować wszystkie składniki niepewności i ra-cjonalnie je oszacować oraz zapewnić, że spo-sób przedstawiania wyników nie daje błędnego wrażenia odnośnie niepewności

• ścisłość szacowania niepewności pomiaru za-leży od wymagań zawartych w metodzie ba-dawczej, wymagań klienta, wąskiego zakresu granic będących podstawą do podjęcia decyzji o zgodności ze specyfikacją

• przy szacowaniu niepewności pomiaru należy wziąć pod uwagę wszystkie składniki niepew-ności, które są istotne w danej sytuacji, z wy-korzystaniem odpowiednich metod analizy

• w laboratoriach wzorcujących program doty-czący wzorcowania wyposażenia powinien być opracowany i realizowany w taki sposób, aby zagwarantować, iż wzorcowania i pomiary wykonywane przez laboratorium są powiązane z Międzynarodowym Układem Miar SI. Labo-ratorium wzorcujące ustala powiązanie swoich własnych wzorców jednostek miar i przyrzą-dów pomiarowych z jednostkami SI za po-średnictwem nieprzerwanego łańcucha wzor-cowań lub porównań łączących je z odpowied-nimi wzorcami jednostek miar SI

• w przypadku korzystania z zewnętrznych usług w zakresie wzorcowania, spójność pomiarową powinno zapewnić korzystanie z usług labora-toriów, które mogą wykazać kompetencje, możliwość pomiarową i powiązanie z wzor-cami jednostek miar. Świadectwa wzorcowań, wydawane przez te laboratoria powinny zawie-rać wyniki pomiarów wraz z niepewnością pomiaru.

Istnieje również wiele korzyści z wyznaczania nie-pewności pomiaru przez laboratoria, m. in. [8]:

• znajomość wartości niepewności danego po-miaru może okazać się użyteczna w rozwiąza-niu istotnych problemów związanych na przy-kład ze sterowaniem ryzykiem lub oceną wia-

44


• all uncertainty components relevant in a given situation should be taken into account, using appropriate analysis methods, when estimating the uncertainty of a measurement

• in calibration laboratories, the equipment cali-bration plan should be developed and imple-mented in such a way as to ensure that the calibration and measurements performed by the laboratory are related to the International System of Measurements SI. Calibration labo-ratory establishes the connection of its own measurement units and measurement instru-ment sets with SI units via a continuous chain of calibrations or comparisons connecting them with the appropriate SI measurement units

• when using external calibration services, measurement consistency should be ensured using laboratory services that can demonstrate competence, measurement capability and link-ing to the measurement unit standards. Calibra-tion certificates issued by these laboratories should contain measurement results and the measurement uncertainty.

There are also many benefits from determining un-certainty of measurement by laboratories, such as [8]:

• knowing the uncertainty of a given measure-ment may be useful in solving significant prob-lems related to, for example, risk control or credibility assessment of measurement results

• providing the measurement uncertainty along with the value of the measured variable in-creases the value of the collected data by in-creasing the reliability and consistency of the result

• the reliability of the entire research method is also increased by the knowledge of the quanti-tative impact of individual variables on the fi-nal result of the study, additionally thanks to this knowledge it is possible to introduce and improve more effective corrective actions, and thus to reduce the research costs

• the established measurement uncertainty can be the starting point for optimizing research procedures thanks to a better understanding of the research process

• the requirements of customers, especially certification bodies, are fully satisfied.

5. Sources of measurement uncertainty The measurement result uncertainty is related to

the lack of full knowledge of the value of the measured quantity. To acquire this full knowledge of the meas-ured quantity would require a large amount of informa-tion, which in practice is impossible to obtain. In order to analyze the most important sources of uncertainty in

rygodności wyników pomiaru • podanie wartości niepewności pomiaru wraz z

wartością wielkości mierzonej zwiększa kon-kurencyjność pomiaru poprzez zwiększenie wiarygodności i zrozumiałości wyniku

• zwiększona jest również wiarygodność całej metody badawczej dzięki znajomości ilościo-wych wpływów pojedynczych wielkości na końcowy wynik badania, dodatkowo dzięki tej wiedzy możliwe jest wprowadzanie i doskona-lenie skuteczniejszych działań korygujących, a więc i zmniejszenie kosztów

• wyznaczona niepewność pomiaru może stano-wić punkt wyjściowy do optymalizacji proce-dur badawczych dzięki lepszemu zrozumieniu procesu badawczego

• wymagania klientów, zwłaszcza jednostek cer-tyfikujących, zostają w pełni zaspokojone.

5. Źródła niepewności pomiaru Niepewność wyniku pomiaru związana jest z bra-

kiem pełnej znajomości wartości wielkości mierzonej. Pełna znajomość wartości wielkości mierzonej wyma-gałaby dużej liczby informacji, co w praktyce jest nie-możliwe do uzyskania. Chcąc przeanalizować najważ-niejsze źródła niepewności danego pomiaru należy zatem skupić się na wyznaczonym budżecie niepewno-ści. Na budżet niepewności składają się wszystkie wy-niki oszacowań lub obliczeń statystycznych składni-ków niepewności, które wpływają na niepewność wy-niku pomiaru. Słowo budżet odnosi się do przypisania wartości liczbowych do danych składników niepewno-ści, czyli inaczej mówiąc budżet niepewności jest to analiza niepewności pomiaru. Natomiast sposób po-miaru oraz warunki pomiaru decydują o złożeniu oraz rozszerzeniu tych składników niepewności [3, 12].

Dla najistotniejszych czynników wpływających na niepewność pomiaru należy wyznaczyć niepewności standardowe. Do najistotniejszych czynników zaliczyć można wzorce i materiały odniesienia, zastosowane metody oraz wyposażenie, warunki środowiskowe, właściwości i stan obiektów poddawanych badaniu lub wzorcowaniu oraz wykonujący badanie lub wzorcowa-nie [8].

Warto przy tym podkreślić, że nie należy dążyć do uwzględniania wszystkich czynników, natomiast po-winno się skupić na czynnikach mających istotny wkład do budżetu niepewności. W praktyce jedynie niektóre ze źródeł znacząco wpływają na niepewność pomiaru. Zatem dobre oszacowania niepewności moż-na otrzymać minimalnym kosztem, skupiając się na najistotniejszych źródłach.

Dokument EA-4/02 M:2013 [3] do możliwych źródeł niepewności pomiaru zalicza:

• niepełną definicję wielkości mierzonej • niedoskonałą realizację definicji wielkości

mierzonej

45


a given measurement, one should focus on the uncer-tainty budget. The uncertainty budget consists of all the results of estimates or statistical calculations of uncer-tainty components that affect the measurement result uncertainty. The word budget refers to the assignment of numerical values to given uncertainty components, in other words the uncertainty budget is the analysis of measurement uncertainty. However, the measurement method and measurement conditions determine the composition and extension of these uncertainty com-ponents [3, 12].

Standard uncertainties should be determined for the most important factors affecting the measurement uncertainty. The most important factors include refer-ence standards and materials, applied methods and equipment, environmental conditions, properties and condition of objects undergoing testing or calibration, and the persons performing tests or calibrations [8].

It is worth emphasizing that one should not strive to take into account all the factors, but rather focus on factors having a significant contribution to the uncer-tainty budget. In practice, only some of the sources significantly affect the measurement uncertainty. Therefore, good estimates of uncertainty can be ob-tained at a minimum cost, focusing on the most impor-tant sources.

Document EA-4/02 M:2013 [3] lists the following possible sources of measurement uncertainty:

• incomplete definition of the measurand • imperfect measurand definition implementa-

tion • incorrect (unrepresentative) sampling • incomplete knowledge of the impact that envi-

ronmental conditions have on the measurement procedure

• incorrect measurement of parameters charac-terizing the environmental conditions

• read errors from analog devices • limited measurement resolution • inaccurate values assigned to reference stan-

dards and materials • inaccurate values of constants and other

parameters derived from external sources • use of approximations and simplified assump-

tions in measurement methods and procedures • the dispersion of the measured variable values

obtained from tests repeated under apparently identical conditions. It should be noted that these sources are not always independent. These sources of uncertainty are not included

[8]: • unidentified systematic errors • random errors.

• niewłaściwe (niereprezentatywne) pobranie próbki

• niepełną znajomość wpływu warunków śro-dowiskowych na procedurę pomiarową

• nieprawidłowy pomiar parametrów charaktery-zujących warunki środowiskowe

• błędy odczytu, w przypadku korzystania z przyrządów analogowych

• ograniczoną rozdzielczość odczytu • niedokładną znajomość wartości przypisanych

wzorcom i materiałom odniesienia • niedokładną znajomość wartości stałych i in-

nych parametrów pochodzących ze źródeł ze-wnętrznych

• stosowanie przybliżeń oraz uproszczonych za-łożeń w metodach i procedurach pomiarowych

• rozrzut wartości wielkości mierzonej otrzyma-nych podczas obserwacji powtarzanych w wa-runkach pozornie identycznych.

Należy zaznaczyć, iż źródła te nie zawsze są nieza-leżne.

Do źródeł niepewności nie są zaliczane [8]: • nierozpoznane błędy systematyczne • błędy grube.

6. Metody oraz etapy wyznaczania niepewności pomiaru

Wyróżnia się dwie podstawowe metody wyzna-czania niepewności standardowej u(xi) [8]:

• metoda A – niepewność standardowa wyzna-czana na podstawie analizy statystycznej serii pojedynczych pomiarów

• metoda B – niepewność standardowa wyzna-czana na podstawia posiadanych informacji.

Możliwe jest zatem podzielenie zbioru wielkości wejściowych na dwie kategorie. Do kategorii pierwszej zalicza się wielkości, których estymaty oraz niepewno-ści wyznacza się bezpośrednio z pomiaru, zarówno z pojedynczej obserwacji, jak i z wielu powtarzanych obserwacji. Wartości te zawierać mogą wyznaczanie poprawek wskazań przyrządu, jak i poprawek związa-nych z wielkościami wpływającymi, np. z temperaturą otoczenia, ciśnieniem atmosferycznym, czy wilgotno-ścią.

W kategorii drugiej wyróżnia się wielkości, któ-rych estymaty oraz niepewności wyznaczane są na podstawie źródeł zewnętrznych. Są to np. wielkości związane z wywzorcowanymi wzorcami pomiarowy-mi, certyfikowanymi materiałami odniesienia, czy też danymi odniesienia pochodzącymi z literatury specjali-stycznej [3].

Należy zaznaczyć, iż właściwie uzasadnione wy-znaczanie niepewności standardowej metodą typu B jest tak samo wiarygodne, jak jej wyznaczanie metodą typu A, zwłaszcza, gdy wyznaczanie niepewności po-miaru typu A miałoby się opierać na stosunkowo małej liczbie statystycznie niezależnych obserwacji [3].

46


6. Methods and stages of determining measurement uncertainty

There are two basic methods for determining standard uncertainty u(xi) [8]:

• method A – standard uncertainty determined based on statistical analysis of a series of indi-vidual measurements

• method B – standard uncertainty determined based on available information.

It is therefore possible to divide the set of input quantities into two categories. The first category in-cludes the values whose estimates and uncertainties are determined directly from the measurement, both from a single observation and from many repeated observa-tions. These values can include corrections determined for the instrument's indications, as well as corrections related to the parameters influencing the result, e.g. ambient temperature, atmospheric pressure or humid-ity.

The second category includes values whose esti-mates and uncertainties are determined based on exter-nal sources. These are, for example, quantities related to calibrated measurement standards, certified refer-ence materials, or reference data from specialist litera-ture [3].

It should be noted that properly justified determi-nation of standard uncertainty using the B-type method is just as reliable as its determination using the A-method, especially when determining the uncertainty of type A measurement would be based on a relatively small number of statistically independent observations [3].

To estimate the measurement uncertainty, these guidelines should be followed:

• specify the quantity measured and the unit • provide a mathematical model of measurement

(or a measurement equation), i.e. identify input factors (influencing factors)

• based on the measurement model, the measure-ment uncertainty equation should be determined, i.e. an analysis of measurement uncertainty sources should be performed

• then, determine the sensitivity coefficients and present the budget for measurement uncertainty

• calculate the complex standard uncertainty of measurement (from the uncertainty propagation equation) and the expanded uncertainty of the measurement.

The presented guidelines for estimating measure-ment uncertainty are based on assumptions resulting from reference documents [2, 3].

Standard uncertainties of relevant factors are de-termined through a mathematical measurement model. The individual uncertainty contributing values are quantified in accordance with the principle of propa-gating the measurement uncertainty (Gaussian method) by calculating the sensitivity coefficients. In accor-

W celu oszacowania niepewności pomiaru należy postępować zgodnie z następującymi wskazówkami:

• należy określić wielkość mierzoną wraz z jed-nostką

• należy podać matematyczny model pomiaru (inaczej równanie pomiaru), czyli zidentyfi-kować czynniki wejściowe (czynniki wpływa-jące)

• na podstawie modelu pomiaru należy wyzna-czyć równanie niepewności pomiaru, czyli przeprowadzić analizę źródeł niepewności pomiaru

• następnie należy wyznaczyć współczynniki wrażliwości oraz przedstawić budżet niepew-ności pomiaru

• obliczyć złożoną standardową niepewność pomiaru (z równania propagacji niepewności) oraz niepewność rozszerzoną pomiaru.

Przedstawione wskazówki odnośnie szacowania niepewności pomiaru opierają się na założeniach wy-nikających z dokumentów odniesienia [2, 3].

Niepewności standardowe istotnych czynników określone zostają poprzez matematyczny model pomia-ru. Poszczególne udziały niepewności są zwartościo-wane w sposób ilościowy zgodnie z zasadą propagacji niepewności pomiaru (metoda Gaussa) poprzez wyli-czenie współczynników wrażliwości. Zgodnie z ogól-nie przyjętą zasadą, dany współczynnik wrażliwości równy jest pochodnej cząstkowej równania modelu.

Należy również wziąć po uwagę, iż czynniki okre-ślające złożone techniczne interakcje, których przed-stawienie bezpośrednio w modelu matematycznym byłoby problematyczne (np. zużycie, zanieczyszczenie, tolerancja wykonania, odchyłki kształtu, drgania itp.), zostają zawarte w pomiarach jako wynik sumaryczny [10].

7. Wiarygodność pomiarów wykonywanych w La-boratorium Badań Pojazdów Szynowych

W Laboratorium Badań Pojazdów Szynowych wykonuje się szereg czynności metrologicznych mają-cych na celu zapewnienie spójności pomiarowej. Wy-konywane są wzorcowania wewnętrzne, wzorcowania zewnętrzne, sprawdzenia oraz przeglądy techniczne. Czynności te są wykonywane w Pracowni Pomiarowo-Technicznej Laboratorium zgodnie z odpowiednimi Procedurami Metrologicznymi PM-01 ÷ 07 w termi-nach zawartych w harmonogramach. Procedury Metro-logiczne PM-01 ÷ 07 dotyczą wzorcowania następują-cych przyrządów pomiarowych [11]:

• mierników elektrycznych – Procedura Metro-logiczna PM-01

• mierników ciśnienia – Procedura Metrologicz-na PM-02

• mierników temperatury – Procedura Metrolo-giczna PM-03

47


dance with the generally accepted principle, any given sensitivity factor is equal to the partial derivative of the model equation.

It should also be taken into account that the factors determining complex technical interactions, which would be problematic in the mathematical model (such as: consumption, contamination, manufacturing toler-ances, shape deviations, vibrations, etc.), are included in the measurements as a part of the total sum [10].

7. Credibility of measurements performed in the Rail Vehicles Research Laboratory

A number of metrological activities are carried out in the Rail Vehicles Research Laboratory to ensure measurement consistency. Internal calibrations, exter-nal calibrations, checks and technical inspections are performed. These activities are carried out in the Measurement and Technical Laboratory in accordance with the relevant Metrological Procedures PM-01 ÷ 07 in accordance with the terms included in the schedules. The Metrological Procedures PM-01 ÷ 07 concern the calibration of the following measuring instruments [11]:

• electric meters - Metrological Procedure PM-01 • pressure meters - Metrological Procedure PM-02 • temperature meters - Metrological Procedure

PM-03 • devices for measuring lengths and angles - Met-

rological Procedure PM-04 • time measurement equipment - Metrological

Procedure PM-05 • devices for measuring the path and determining

the wheel diameter of a rail vehicle - Metrologi-cal Procedure PM-06

• dynamometers - Metrological Procedure PM-07. In addition, the Metrological Procedures PM-01 ÷

07 contain methods for determining the uncertainty of calibration results and algorithms for calculating the calibration uncertainty of given measuring instruments.

In a situation where a given device cannot be cali-brated in the Laboratory, it is sent for external calibra-tion to an accredited unit in PCA. The unit is selected using the register of qualified service providers, which is regularly maintained by the Measurement and Tech-nical Laboratory at the Facility.

The Metrological Procedures PM-01 ÷ 07 therefore provide measurement consistency by linking their own standards and measuring apparatus with the help of an uninterrupted calibration chain with the appropriate national standards [11].

Therefore, it should be emphasized that the Rail Vehicles Research Laboratory meets the normative requirements specified in this article, ensures the measurement consistency and determines the meas-urement uncertainty for obtained measurement results, thus ensuring the results reliability of the performed measurements.

• przyrządów do pomiaru długości i kąta – Pro-cedura Metrologiczna PM-04

• aparatury do pomiaru czasu – Procedura Me-trologiczna PM-05

• mierników do pomiaru drogi i wyznaczania średnicy koła pojazdu szynowego – Procedura Metrologiczna PM-06

• siłomierzy – Procedura Metrologiczna PM-07. Ponadto Procedury Metrologiczne PM-01 ÷ 07

zawierają sposoby opracowywania niepewności wyni-ków wzorcowania danych przyrządów pomiarowych oraz algorytmy postępowania przy obliczaniu niepew-ności wzorcowania danych przyrządów pomiarowych.

W sytuacji, gdy dany przyrząd nie może być wy-wzorcowany w Laboratorium, wysyłany jest w celu wykonania wzorcowania zewnętrznego do jednostki akredytowanej w PCA. Jednostka taka wybierana jest na podstawie rejestru kwalifikowanych dostawców usług, który jest na bieżąco prowadzony przez Pra-cownię Pomiarowo-Techniczną w Laboratorium.

Procedury Metrologiczne PM-01 ÷ -07 zapewniają zatem spójność pomiarową poprzez powiązanie wła-snych wzorców oraz aparatury pomiarowej za pomocą nieprzerwanego łańcucha wzorcowań z odpowiednimi wzorcami państwowymi [11].

Podkreślić zatem należy, iż Laboratorium Badań Pojazdów Szynowych spełnia wymagania normatywne wyszczególnione w niniejszym artykule, zapewnia zachowanie spójności pomiarowej oraz wyznacza nie-pewności pomiaru dla przeprowadzanych pomiarów zapewniając tym samym wiarygodność otrzymywa-nych wyników przeprowadzanych pomiarów.

8. Podsumowanie W niniejszym artykule przedstawiono najważniej-

sze zagadnienia związane z niepewnością pomiaru w kontekście zapewnienia wiarygodności wykonywanych pomiarów. Scharakteryzowano cechy wiarygodnego pomiaru oraz zawarto najistotniejsze definicje związa-ne z niepewnością pomiaru. Wymieniono również cele, metody i etapy wyznaczania oraz źródła niepewności pomiaru. Podkreślono, iż Laboratorium Badań Pojaz-dów Szynowych działające w ramach Instytutu Pojaz-dów Szynowych TABOR w Poznaniu zapewnia wia-rygodność wykonywanych pomiarów poprzez stoso-wanie się do wymagań normatywnych, tzn. zachowa-nie spójności pomiarowej oraz wyznaczanie niepewno-ści pomiaru.


[1] PN-EN ISO/IEC 17025:2005. Ogólne wymagania dotyczą-ce kompetencji laboratoriów badawczych i wzorcujących.

[2] Przewodnik GUM – Wyrażanie niepewności pomiaru (Guide to the expression of uncertainty in measurement). Główny Urząd Miar, 1999.

[3] EA-4/02 M: 2013. Wyznaczanie niepewności pomiaru przy wzorcowaniu. 2013.

48


8. Conclusions This article presents the most important issues re-

lated to measurement uncertainty in the context of ensuring the consistency and reliability of measure-ments. Reliable measurement were characterized and the most important definitions related to measurement uncertainty were included. The goals, methods and stages of the determination and sources of measure-ment uncertainty were also mentioned. It was empha-sized that the Rail Vehicles Research Laboratory oper-ating within the Rail Vehicles Institute TABOR in Poznań ensures the reliability of the measurements performed by complying with the normative require-ments, i.e. maintaining the measurement consistency and determining the measurement uncertainty.

[4] EA-04/16. Wytyczne EA dotyczące wyrażania niepewności w badaniach ilościowych. 2003.

[5] DA-06. Polskie Centrum Akredytacji. Polityka dotycząca zapewnienia spójności pomiarowej. Wydanie 6, 2017.

[6] ILAC-G17:2002. Wprowadzenie problematyki niepewności pomiaru w badaniach w związku z wejściem do stosowania normy ISO/IEC 17025.

[7] International Vocabulary of Basic and General Terms in Metrology (VIM). International Organization for Standardization. 1993.

[8] Izydorczyk J.: Wyznaczenie niepewności pomiarów. PROLAB. Biuro Naukowe Techniczne. 2004.

[9] Vademecum. Polska Administracja Miar. GUM 2015. [10] VDA 5. Zarządzanie jakością w przemyśle samochodowym.

Zdatność procesów kontroli. Wydanie 2. 2010. [11] Frączek J., Makowski R.: Spójność pomiarowa w teorii i

praktyce. Pojazdy Szynowe nr 01/2017. [12] Kogut J.: Niepewności pomiarowe stanowiska badawczego

3SB w Laboratorium Badań Pojazdów Szynowych (praca magisterska). Poznań 2018.

[13] Kostyrko K., Piotrowski J.: Wzorcowanie aparatury pomiarowej. Podstawy teoretyczne i trasabilność według ISO 9000 i zaleceń międzynarodowych. Wydawnictwo Naukowe PWN. Warszawa 2000.

[14] Tarczewski R.: Spójność pomiarowa jeden z determinantów wiarygodności wyników badań. Pojazdy Szynowe nr 02/2012.

49


dr Katarzyna Markowska Politechnika Śląska

Decision-making problems of recipients of railway freight transport outsourcing services

Surviving on the market and gaining a competitive advantage require the effective management that guarantees the success of the company. Outsourcing is one of the methods. The term outsourcing derives from English and is an abbreviation of the expression outside resource using, which means the use of external resources. Outsourcing should focus on optimization of costs and employment. The main benefit should be the pursuit of increased flexibility of structures, access to the qualified staff and other resources of the company. Failures of outsourcing may result both from the side of the ordering company and providing railway freight transport services. The empirical studies on decision-making problems of recipients of railway freight outsourcing services allowed to identify the benefits, risks, communication methods and problems in partner cooperation.

Problemy decyzyjne odbiorców usług outsourcingu transportu kolejowego ładunków

Przetrwanie na rynku i zdobycie przewagi konkurencyjnej wymagają efektywnego zarzą-dzania gwarantującego sukces przedsiębiorstwu. Jedną z metod jest outsourcing. Okre-ślenie outsourcingu pochodzi z języka angielskiego i jest skrótem wyrażenia outside re-source using oznaczającego wykorzystanie zasobów zewnętrznych. Outsourcing powinien się koncentrować na optymalizacji kosztów i zatrudnienia. Główną korzyścią powinno być dążenie do zwiększonej elastyczności struktur, dostęp do wykwalifikowanej kadry pracowniczej oraz innych zasobów przedsiębiorstwa. Niepowodzenia outsourcingu mogą wynikać zarówno ze strony przedsiębiorstwa zlecającego i świadczącego usługi transpor-tu kolejowego ładunków. Badania empiryczne dotyczące problemów decyzyjnych od-biorców usług outsourcingu transportu kolejowego ładunków pozwoliły zidentyfikować korzyści, ryzyko, sposób komunikacji oraz problemy we współpracy partnerskiej.

1. Introduction Outsourcing was already realized in the antiquity by making a simple division of work. The name of out-sourcing was created three decades ago and comes from the English words - outside resource using. In the economic sciences the outsourcing appeared in the eighteenth century. Adam Smith in the work entitled “The wealth of nations” paid attention to the competi-tive advantage of some companies over the others which leads in a given unit to reduce the production costs. The precursor of outsourcing was Henry Ford, who said: "if there is something that we cannot do more efficiently, cheaper and better than our competi-tors, it makes no sense to do it and we should employ someone to carry out this work better than we do." It should be noted that the concept of outsourcing ini-tially concerned the production processes and then included the services and service business processes such as HR (human resources), IT (information tech-nology), accounting, finance and customer service. In

1. Wprowadzenie Outsourcingu realizowany był już w starożytności poprzez dokonywanie prostego podziału pracy. Nazwa outsourcingu powstała trzy dekady temu i pochodzi od wyrazów angielskich - outside resource using. W na-ukach ekonomicznych outsourcing pojawił się w XVIII wieku. Adam Smith w dziele Bogactwo naro-dów zwrócił uwagę na konkurencyjną przewagę jed-nych firm nas drugimi, która prowadzi w danej jedno-stce do ograniczenia kosztów produkcji. Prekursorem outsourcingu był Henry Ford, który stwierdził: ”że jeśli jest coś czego nie potrafimy zrobić wydajniej, taniej i lepiej niż nasi konkurenci nie ma sensu, żeby-śmy to robili i powinniśmy zatrudnić do wykonania tej pracy kogoś, kto zrobi to lepiej niż my”. Należy zauważyć, że pojęcie outsourcingu początko-wo dotyczyło procesów produkcyjnych, a następnie obejmowało usługi i usługowe procesy biznesowe takie jak: HR (human resources), IT (information technology), księgowość, finanse oraz obsługę klienta.

50


Poland Michał Trocki introduced the concept of out-sourcing for the first time, defining it: "as a venture consisting in separating from the organizational struc-ture of the parent company the functions that are real-ized by it and transferring them to other economic entities" [2]. It should be emphasized that the literature presents the numerous definitions and views related to this con-cept. Outsourcing is not only identified with the sepa-ration of functions and tasks of the parent company and transferring them to the external companies to be realized, but it also may be defined as a contract for the performance of specific products or realization of services by the external company [3]. A strategic long-term alliance between the company - the customer and the company - the supplier of goods and services [8] can be seen as acquiring the production forces [9]. It should be stated that the provision of outsourcing ser-vices of railway freight transport to other commercial, production and service enterprises is defined as a con-tract for the performance of specific products or provi-sion of services by the external company. Decision-making problems of recipients of railway freight transport outsourcing services concern, first of all, the determination of benefits as a result of transport ser-vices realized outside the enterprise, the risk of failure of cooperation with the external company, the prob-lems in partnership cooperation and the contact be-tween the business partners.

2. Benefits and failures of outsourcing The cost factors are most frequently the main motive for the provision of outsourcing services. Restructur-ing of companies based on the outsourcing allow to reduce the costs, and in the longer perspective to re-store the profitability of enterprises that are in danger of liquidation. Another advantage is the possibility of focusing on own core activity, searching for skills and resources not available in the company, limiting the risk of conducted activity due to the partial transfer of services to the contractor. The main motives for mak-ing the decisions about outsourcing are as follows (own study based on [1, 5]):

1. Reduction and control of operating costs. 2. Focusing on the core activity. 3. Access to the resources to which the parent

company does not have. 4. Risk limitation by transferring the partial re-

sponsibility to the contractor. 5. Reorganization of the business processes. 6. Thanks to the outsourcing services we are

more available to clients. The benefits of providing the outsourcing services are presented below (the own study based on [1, 7]:

- higher efficiency - improving the activity of the parent company

W Polsce po raz pierwszy wprowadził pojęcie outso-urcingu Michał Trocki definiując je: „jako przedsię-wzięcie, polegające na wydzieleniu ze struktury orga-nizacyjnej przedsiębiorstwa macierzystego realizowa-nych przez nie funkcji i przekazanie ich do wykonania innym podmiotom gospodarczym” [2]. Należy podkreślić, że literaturze prezentowane są licz-ne definicje i poglądy związane z tym pojęciem. Out-sourcing nie jest jedynie utożsamiany z wydzieleniem funkcji i zadań przedsiębiorstwa macierzystego i prze-kazaniem ich do realizacji firmom zewnętrznym, ale również może być określany jako kontrakt na wyko-nanie określonych produktów lub realizację usług przez firmę zewnętrzną [3]. Strategiczny wieloletni alians między firmą – klientem, a firmą – dostawcą dóbr i usług [8] może być postrzegany jako pozyski-wanie sił wytwórczych [9]. Należy stwierdzić, że świadczenie usług outsourcingu transportu kolejowego ładunków innym przedsiębiorstwom handlowym, pro-dukcyjnym i usługowym jest określane jako kontrakt na wykonanie określonych produktów lub realizację usług przez firmę zewnętrzną. Problemy decyzyjne odbiorców usług outsourcingu transportu kolejowego ładunków dotyczą przede wszystkim określenia korzy-ści w wyniku realizacji usług transportowych na ze-wnątrz przedsiębiorstwa, ryzyka niepowodzenia współpracy z firmą zewnętrzną, problemów we współpracy partnerskiej oraz kontaktu pomiędzy part-nerami biznesowymi.

2. Korzyści i niepowodzenia outsourcingu Głównym motywem świadczenia usług outsourcingo-wych są najczęściej czynniki kosztowe. Restruktury-zacja przedsiębiorstw oparta na outsourcingu pozwala zredukować koszty, a w dłuższej perspektywie przy-wrócić rentowność przedsiębiorstw, którym grozi li-kwidacja. Inną zaletą jest możliwość skoncentrowania się na swojej podstawowej działalności, poszukiwanie umiejętności i zasobów niedostępnych w przedsiębior-stwie, ograniczenie ryzyka prowadzonej działalności ze względu na częściowe przerzucenie usług na zlece-niobiorcę. Główne motywy podejmowania decyzji o outsourcingu są następujące (opracowanie własne na podstawie [1, 5]):

1. Redukcja i kontrola kosztów operacyjnych. 2. Koncentracja na podstawowej działalności. 3. Dostęp do zasobów, do których nie posiada

przedsiębiorstwo macierzyste. 4. Ograniczenie ryzyka poprzez przeniesienie

częściowej odpowiedzialności na zlecenio-biorcę.

5. Reorganizacja procesów biznesowych. 6. Dzięki usługom outsourcingowym jesteśmy

bardziej dyspozycyjni dla klientów. Korzyści ze świadczenia usług outsourcingowych przedstawiono poniżej (opracowanie własne na pod-stawie [1, 7]:

51


- the possibility of the company's focus on key tasks and functions, services

- access to the professional knowledge not available in the company

- increasing the flexibility of the conducted activity

- increasing the quality of services realized so far

- acquiring the new skills - stability in employment of the company's

employees - greater profit for the company commissioning

the outsourcing services. It should be noted that outsourcing can be treated as a way to improve the functioning of the company, however, often some companies are forced to withdraw from the outsourcing strategy. Failures of outsourcing services are often connected with partner cooperation between the client and the contractor. Failures concerning the outsourcing of services are listed below (own study based on [2, 6]:

- wrongly identified risk - lack of professional and specialist knowledge

about outsourcing - excessive hurry - cultural differences - lack of clearly defined customer needs and

expectations of outsourcing services - failure to fulfill the provisions of the

outsourcing contract - wrong management in the partner cooperation - lack of a joint planning stage of the

outsourcing project between the business partners

- wrong communication between the client and the contractor

- disrespect for the interests of the parties to the contract concerning the quality of services

- wrongly selected external advisers - errors in initiation of outsourcing contract - not informing about the individual stages of

outsourcing - lack of involvement of the best managers in

the outsourcing process. The wrong planning and preparation of the outsourcing contract is one of the most common causes of its failure. The strategy and preparation of the company for outsourcing cooperation play very important role.

3. Own studies Empirical studies on decision-making problems of recipients of railway freight transport outsourcing services were carried out at the Silesian University of Technology [4] in 2012-2013. The studies covered the production and trade enterprises using the railway freight transport outsourcing services and the railway

- większa wydajność - usprawnienie działalności przedsiębiorstwa

macierzystego - możliwość skoncentrowania się przedsiębior-

stwa na kluczowych zadaniach i funkcjach, usługach

- dostęp do fachowej wiedzy niedostępnej w przedsiębiorstwie

- zwiększenie elastyczności prowadzonej działalności

- podwyższenie jakości realizowanych dotych-czas usług

- pozyskanie nowych umiejętności - stabilność w zatrudnieniu pracowników

przedsiębiorstwa - większy zysk dla przedsiębiorstwa zlecającego

usługi outsourcingowe. Należy zauważyć, że outsourcing może być traktowa-ny jako sposób na poprawę funkcjonowania przedsię-biorstwa, jednak często niektóre przedsiębiorstwa są zmuszone do wycofania się ze strategii outsourcingo-wej. Niepowodzenia realizacji usług outsourcingo-wych często są związane ze współpracą partnerską zleceniodawcy i zleceniobiorcy. Niepowodzenia doty-czące outsourcingu usług zestawiono poniżej (opra-cowanie własne na podstawie [2, 6]:

- nieprawidłowo zidentyfikowane ryzyko - brak fachowej i specjalistycznej wiedzy o out-

sourcingu - nadmierny pośpiech - różnice kulturowe - brak jasno określonych potrzeb i oczekiwań

klienta usług outsourcingowych - nie wywiązanie się z postanowień umowy

outsourcingowej - niewłaściwe zarządzanie we współpracy

partnerskiej - brak wspólnego etapu planowania projektu ou-

tsourcingowego pomiędzy partnerami bizne-sowymi

- niewłaściwa komunikacja pomiędzy zleceniodawcą i zleceniobiorcą

- nieposzanowanie interesów stron umowy dotyczącej jakości usług

- niewłaściwie dobrani doradcy zewnętrzni - błędy w inicjacji umowy outsourcingowej - nieinformowanie o poszczególnych etapach

realizacji outsourcingu - brak zaangażowania najlepszych menedżerów

w proces outsourcingowy. Nieprawidłowe zaplanowanie i przygotowanie umowy outsourcingowej to jeden z najczęstszych powodów jego niepowodzenia. Istotne znaczenie odgrywa stra-tegia i przygotowanie przedsiębiorstwa do współpracy outsourcingowej.

52


transport company. The conducted studies allowed to identify the benefits as a result of the provision of railway freight services, the risk and problems in the partner cooperation and the way of contact dominating in the relations between the service provider and the client. The benefits (according to carried out empirical re-search) resulting from realization of transport services outside companies are presented in Fig. 1.

6. Jakich korzyœci oczekuje siê w wyniku realizacji us³ug transportowych na

zewn¹trz przedsiêbiorstwa (m o¿na zaznaczyæ wiêcej ni¿ jedn¹ odpowiedŸ)

21,3% 19,9% 20,6% 21,3%16,9%

0,0%0,0%5,0%10,0%15,0%20,0%25,0%

- Redukcja

kosztów

- Dostêp do

zasobów

niedostêpnych w

przedsiêbiorstwie

- Zwiêkszenie

elastycznoœci

prowadzonej

dzia³alnoœci

- Wy¿sza jakoœæ

realizowanych

us³ug

- M

o¿liwoœæ

skoncentrowania

siê na realizacji

kluczowych

kompetencji

- Inne

3. Badania własne Badania empiryczne dotyczące problemów decyzyj-nych odbiorców usług outsourcingu transportu kole-jowego ładunków zostały przeprowadzone na Poli-technice Śląskiej [4] w latach 2012 – 2013. Badaniami objęto przedsiębiorstwa produkcyjno – handlowe, korzystające z outsourcingu usług transportu kolejo-wego ładunków oraz przedsiębiorstwa transportu kole-jowego. Przeprowadzone badania pozwoliły zidentyfi-kować korzyści w wyniku świadczenia usług transpor-tu kolejowego ładunków, ryzyko i problemy we współpracy partnerskiej oraz sposób kontaktu dominu-jący w relacjach pomiędzy usługodawcą i usługobior-cą. Korzyści (według przeprowadzonych badań empi-rycznych) w wyniku realizacji usług transportowych na zewnątrz przedsiębiorstw przedstawiono na rys. 1.

As it appears from the above: • the reduction of costs was the greatest benefit

– 21,3% of indications • higher quality of realized services – 21,3% of

indications • increasing the flexibility of conducted activity

– 20,6% of indications • access to resources unavailable in the com-

pany – 19,9% of indications • the opportunity to focus on the implementa-

tion of key competences was the smallest benefit – 16,9% of indications.

Rys. 1. Korzyści w wyniku realizacji usług transportu kolejowego ładunków

Fig. 1. Benefits resulting from realization of railway freight transport

8. Czy rozpatrywano ryzyko niepowodzenia wspó³pracy z firm¹ zewnêtrzn¹

realizuj¹c¹ us³ugi transportowe (mo¿na zaznaczyæ wiêcej ni¿ jedn¹ odpowiedŸ)

0.0%

25.9% 24.1% 25.0% 25.0%

0.0%0.0%5.0%10.0%15.0%20.0%25.0%30.0%

- Nie - W zrost kosztów

dzia³alnoœci

przedsiêbiorstwa

- Z³a jakoœæ

œwiadczonych

przez

zleceniobiorcê

us³ug

- Nieodpowiednie

wykorzystanie

przez

zleceniobiorcê

poufnych

inform acji

- Trudny przebieg

wspó³pracy na

poziom ie

operacyjnym

- Inne

Legend:

6. Jakich korzyści oczekuje się = What benefits are expected Redukcja kosztów = Costs reduction Dostęp do zasobów =Access to resources Zwiększenie elastyczności = Increased flexibility Wyższa jakość = Higher quality Możliwość skoncentrowania się = Possibility of concentration

Rys. 2 Ryzyko niepowodzenia współpracy z firmą zewnętrzną świadczącą usługi transportu kolejowego ładunków

Fig. 2 The risk of failure to cooperate with an external company providing railway freight transport services

Legend: 8. Czy rozpatrywano ryzyko niepowodzenia = Was the risk of failure considered Nie = No Wzrost kosztów = Costs increase Złą jakość świadczonych = Poor quality of provided services Nieodpowiednie wykorzystanie = Wrong use Trudny przebieg współpracy = Hard course of cooperation Inne = Other

53


5. Jaki sposób kontaktu dom inuje w relacjach pom iêdzy us³ugodawc¹ i

us³ugobiorc¹

31,3%25,0%

40,6%

3,1%0,0% 0,0% 0,0%

0,0%

10,0%

20,0%

30,0%

40,0%

50,0%

- Telefoniczny - M ailowy - Osobisty - Poprzez

strony

internetowe

- Listowny - Inny - Ró¿norodny

Rys. 3. Formy kontaktu w relacjach pomiędzy usługodawcą i usługobiorcą Fig. 3. Forms of contact in the relations between the service provider and the client

Legend: 5. Jaki sposób kontaktu = How to contact Telefoniczny = Telephone Mailowy = E-mail Osobisty = Personal Poprzez strony internetowe = Via websites Listowny = Mail Inny = Other Różnorodny = Varied

The reduction of costs and the higher quality of the realized services are two important benefits, as evi-denced by the largest number of indications. The risk of failure to cooperate with an external com-pany providing railway freight transport services is presented in Figure 2. The risk of failure to cooperate with the external com-pany providing the railway freight transport services, according to all respondents, is related to:

• the increase of the company's activity costs, • wrong use of confidential information by the

contractor and the difficult course of coopera-tion,

• poor quality of services provided by the contractor.

Figure 3 presents the forms of contact in the relations between the service provider and the client. As results from the above list, the respondents' as-sessments are as follows:

• over 40% of respondents said that the personal contact dominate in the relations between the service provider and the client

• according to 31% of respondents, the main role was played by the telephone contact

• e-mail contact in the relations between busi-ness partners was indicated by 25% of the re-spondents

• one person participating in the research thought that this contact takes place via web-sites

• no e-mail or other diverse contact was noted in the partner relations [4].

Communication in partner cooperation is very impor-tant. The relations between the parties arise at the stage of selecting the supplier, and they are formed during the initiation of the outsourcing contract for railway freight transport. An important role in the realization of outsourcing transport services plays the trust between the parties of the contract. The mutual partner relations should be based on trust and open-ness. The basis of these relationships is, for example, keeping deadlines, solving problems together.

Jak wynika z powyższego: • największą korzyść stanowiła redukcja kosz-

tów – 21,3% wskazań • wyższa jakość realizowanych usług – 21,3%

wskazań • zwiększenie elastyczności prowadzonej dzia-

łalności – 20,6% wskazań • dostęp do zasobów niedostępnych w przedsię-

biorstwie – 19,9% wskazań • najmniejszą korzyść stanowiła możliwość

skoncentrowania się na realizacji kluczo-wych kompetencji – 16,9% wskazań.

Redukcja kosztów i wyższa jakość realizowanych usług to dwie ważne korzyści, o czym świadczy naj-większa liczba wskazań. Ryzyko niepowodzenia współpracy z firmą ze-wnętrzną świadczącą usługi transportu kolejowego ładunków prezentuje rys. 2. Ryzyko niepowodzenia współpracy z firmą ze-wnętrzną świadczących usługi transportu kolejowego ładunków, według wszystkich respondentów, związa-ne jest z:

• wzrostem kosztów działalności przedsiębior-stwa,

• nieodpowiednim wykorzystaniem przez zlece-niobiorcę poufnych informacji i trudny prze-bieg współpracy,

• złą jakością świadczonych usług przez zlece-niobiorcę.

Na rysunku 3 przedstawiono z kolei formy kontaktu w relacjach pomiędzy usługodawcą i usługobiorcą. Jak wynika z powyższego zestawienia, oceny respon-dentów są następujące:

• ponad 40% ankietowanych twierdziło, że kon-takt osobisty dominuje w relacjach pomiędzy usługodawcą i usługobiorcą

• według 31% ankietowanych główną rolę od-grywał kontakt telefoniczny

• kontakt mailowy w relacjach między partne-rami biznesowymi wskazało 25% ankierowa-nych

54


4. Conclusions Empirical studies of decision-making problems of recipients of railway freight transport outsourcing services present the benefits resulting from the out-sourcing strategy and the risk and dominant form of the contact between the client's company and the com-pany providing the railway freight services. In sum-mary, it should be remembered that outsourcing should be a strategy ensuring the success of the com-pany. Commonly used forms of contact between the client and the contractor of the railway freight trans-port services is the transmission of information per-sonally, by phone or by e-mail. It should be noted that outsourcing has its strengths and weaknesses. The advantage of this strategy is to reduce costs, acquire external resources, focus on key areas of the parent company. The most often failures in the implementa-tion of this strategy consist in the lack of planning stage and failure to realize the provisions of individual stages of the outsourcing contract for railway freight transport of outsourcing strategy.

• jedna osoba uczestnicząca w badaniu uważała, że kontakt ten następuje poprzez strony internetowe

• nie odnotowano w relacjach partnerskich kontaktu listownego, ani innego różnorodnego [4].

Komunikacja we współpracy partnerskiej odgrywa bardzo istotne znaczenie. Relacje pomiędzy stronami powstają już na etapie wyboru dostawcy, a kształtują się w trakcie inicjacji umowy outsourcingowej transportu kolejowego ładunków. W realizacji usług transportowych outsourcingowych istotną rolę odgrywa zaufanie pomiędzy stronami kontraktu. Wzajemne relacje partnerskie powinny być oparte na zaufaniu, otwartości. Podstawą tych relacji jest np. dotrzymywanie terminów, wspólne rozwiązywanie zaistniałych problemów.

4. Podsumowanie Badania empiryczne problemów decyzyjnych odbior-ców usług outsourcingu transportu kolejowego ładun-ków przedstawiają korzyści wynikające ze strategii outsourcingowej oraz ryzyko i dominującą formę kon-taktu pomiędzy przedsiębiorstwem zleceniodawcy i przedsiębiorstwem świadczącym usługi transportu kolejowego ładunków. Reasumując należy pamiętać, że outsourcing powinien być strategią zapewniającą sukces przedsiębiorstwu. Powszechnie stosowanymi formami kontaktu pomiędzy zleceniodawcą i zlece-niobiorcą usług transportu kolejowego ładunków jest przekaz informacji osobiście, telefonicznie lub mailo-wo. Należy zauważyć, że outsourcing ma swoje moc-ne i słabe strony. Zaletą tej strategii jest dążenie do ograniczenia kosztów, pozyskanie zewnętrznych zaso-bów, koncentracja na kluczowych obszarach przedsię-biorstwa macierzystego. Najczęstsze niepowodzenia w wdrożeniu tej strategii polegają na braku etapu plano-wania i nie wywiązywanie się z realizacji postanowień poszczególnych etapów umowy outsourcingowej transportu kolejowego ładunków strategii outsourcin-gowej.

Bibliography / Bibliografia [1] Radło M. J., Ciesielska D. A.: Dojrzałość outsourcingowa

polskich przedsiębiorstw. Outsourcing Magazine 2010 nr 5 (25).

[2] Ciesielska D., Radło M. J.: Outsourcing w praktyce. Copyri-ght by Poltext Sp. z o.o. Warszawa 2011.

[3] Hiemstra G., Van Tilburg J. J.: Inzicht in uitbesteding: on-dernemingsstrategie es besturing Van Gorcum, Assen 1993r.

[4] Markowska K., Merkisz – Guranowska A.: Outsourcing usług transportu kolejowego. Instytut Technologii Eksplo-atacji. Państwowy Instytut Badawczy. Radom 2015.

[5] Markowska K.: Badanie współpracy w outsourcingu usług transportu kolejowego – wybrane aspekty. Przegląd Nauk Ekonomicznych. Polskie Towarzystwo Ekonomiczne. Oddział w Łodzi. Łódź 2017.

[6] Markowska K.: Proponowany przebieg współpracy outsourcingowej na przykładzie transportu kolejowego ładunków. Organizacja i Zarządzanie. Zeszyty Naukowe Nr 1928. Politechnika Śląska. Gliwice 2015.

[7] Markowska K.: Research on Quality of Cooperation in Outsourcing Services of Railway Undertakings. Journal of Kones. European Science of Powertrain and Transport Publication. Warsaw 2016.

[8] Pańkowska M.: Współdziałanie podmiotów rynku produktów i usług informatycznych. Prace Naukowe Akademii Ekono-micznej w Katowicach. Katowice 1998.

[9] Wesołowski S.: Co to jest outsourcing? Gospodarka Materiałowa i Logistyka nr 11. 2001.

55

Documents

Selected aspects of vibroacoustic interactions analysis in