Rozwiązania techniczne kolei linowych

Koleje linowe postrzegane są jako urządzenia służące głównie do transportu turystów i narciarzy w górach. Od kilkunastu lat zauważalny jest bardzo silny rozwój urządzeń linowych w wyposażeniu stacji narciarskich. Urządzenia te znajdują również alternatywne zastosowania w wielu miejscach na świecie jako środki transportu w komunikacji miejskiej. Wzrost liczby tych systemów do celów miejskiego przewozu osób można zauważyć w dużych aglomeracjach miejskich w Europie i Ameryce Południowej (Medellin, La Paz, Caracas, Merida).

Ze względu na coraz większe wypełnienie ulic miast pojazdami w komunikacji miejskiej należy przenieść ruch osobowy w przestrzeń napowietrzną lub pod ziemię. System transportu linowego w miastach może stanowić interesujące uzupełnienie sieci komunikacyjnych miast.

Transport linowy jest w pełni ekologiczny. Analizy ekonomiczne porównujące koszty przewozu osób różnymi systemami wskazują, że systemy linowe zapewniają najniższe koszty przewozu.

Koleje linowe w Polsce

Wzrost popularności narciarstwa i turystyki górskiej również w Polsce powoduje rozwój urządzeń transportu linowego. W latach 1995-2010 wybudowano w Polsce ponad 80 instalacji kolei linowych, które obecnie stanowią ponad 80% całej infrastruktury urządzeń linowych.

Rozwój kolei linowych w Polsce rozpoczął się po drugiej wojnie światowej (przed wojną wybudowano tylko trzy koleje linowe). W latach siedemdziesiątych XX w. powstało kilka ośrodków narciarskich z infrastrukturą zawierającą koleje linowe. Na rys. 1 przedstawiono diagram liczby kolei linowych budowanych w Polsce w latach 1991-2012 [2].

Z wykresu można wywnioskować, że największy wzrost liczby budowanych kolei linowych przypada na lata 2004 -2009. Wzrost ten był spowodowany m.in. wejściem Polski do Unii Europejskiej i pozyskiwaniem funduszy na nowe inwestycje.

Rys. 1 Koleje linowe zainstalowane w Polsce (źródło: opracowanie własne)

Wybudowane w ostatnich latach koleje to głównie urządzenia służące narciarzom i turystom.

W Polsce funkcjonuje kilka kolei, które można nazwać miejskimi (Park Śląski, Wrocław, Gdynia). Obecnie opracowywanych jest kilka projektów dotyczących zastosowania kolei linowych w miastach (Kraków, Kłodzko, Zakopane, Wejherowo, Żory).

W celu zapewnienia odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa koleje linowe podlegają dozorowi na podstawie określonych aktów prawnych [6, 7, 8, 9]. Podstawowymi aktami prawnymi systemu nadzoru bezpieczeństwa dla kolei linowych w Polsce są:

– ustawa z dnia 21 grudnia 2000 r. o dozorze technicznym (Dz.U. z 2000 r. Nr 122, poz. 1321);

– dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady nr 2000/9/WE z dnia 20 marca 2000 r. odnosząca się do urządzeń kolei linowych przeznaczonych do przewozu osób;

– rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 11 grudnia 2003 r. w sprawie zasadniczych wymagań dla kolei linowych przeznaczonych do przewozu osób (Dz.U. z 2004 r. Nr 15, poz. 130);

– rozporządzenie Ministra Transportu z dnia 1 czerwca 2006 r. w sprawie warunków technicznych dozoru technicznego w zakresie projektowania, wytwarzania, eksploatacji, naprawy i modernizacji urządzeń transportu linowego (Dz.U. z 2006 r. Nr 106, poz. 717).

Nadzór nad tymi urządzeniami sprawuje organ państwowy Transportowy Dozór Techniczny na podstawie ustawy o dozorze technicznym [9].

Rys. 2 Podział napowietrznych kolei linowych (źródło: opracowanie własne)

Rys. 3 Podział kolei linowych terenowych (źródło: opracowanie własne)

Systemy kolei linowych

Napowietrzne koleje linowe do transportu osób i towarów można podzielić według kilku kryteriów (rys. 2 i 3). Napowietrzna kolej linowa charakteryzuje się tym, że pojazdy poruszane są za pomocą liny lub układu lin, które jednocześnie stanowią tor jezdny dla pojazdów. Pojazdy w tego typu systemach mogą być otwarte lub zamknięte. Pojazdy kolei napowietrznych poruszają się nad ziemią. Napęd przekazywany jest najczęściej za pomocą sprzężenia ciernego pomiędzy liną a kołem napędowym w układzie napędu kolei.

W kolejach linowych terenowych pojazdy poruszają się po torze jezdnym ułożonym na gruncie lub po specjalnej konstrukcji stalowej w postaci estakady. Koleje linowe terenowe w porównaniu z innymi tego rodzaju urządzeniami charakteryzują się dużą pojemnością wagonów i mogą być stosowane w układzie jednotorowym z tzw. mijanką lub w układzie z dwoma niezależnymi torami dla obu kierunków ruchu. Taka budowa torowiska pozwala również na zastosowanie ruchu okrężnego, głównie dla kolei w ruchu miejskim, przez co można uzyskać bardzo duże zdolności przewozowe tych systemów.

Fot. 1 Kolej linowa o ruchu okrężnym – Medellin w Kolumbii

Ze względu na rodzaj ruchu pojazdów kolei napowietrznych można wyróżnić ruch okrężny (fot. 1) i ruch wahadłowy (fot. 2).

W kolejach o ruchu okrężnym pojazdy poruszają się w obu kierunkach po pętli zbudowanej z lin.

Ruch wahadłowy pojazdów polega na tym, że pojazdy kolei poruszają się od jednej stacji do drugiej i odwrotnie po tym samym torze lub po oddzielnych torach.

Nowoczesne koleje o ruchu okrężnym mają wyprzęgane pojazdy z liny w stacjach w celu zapewnienia odpowiedniego komfortu podczas wsiadania i wysiadania. Wpływa to korzystnie zarówno na bezpieczeństwo pasażerów, jak i możliwość stosowania większych prędkości na trasie do 5-6 m/s.

Zastosowanie systemu o ruchu wahadłowym pozwala na uproszczenie konstrukcji stacji, natomiast wadą tego systemu jest niska zdolność przewozowa zmniejszająca się wraz ze wzrostem długości trasy kolei.

Fot. 2 Kolej linowa o ruchu wahadłowym – Bregenz w Austrii

Koleje linowe można podzielić ze względu na funkcje lin, jakie spełniają. Mogą być jednolinowe lub dwulinowe. W kolejach jednolinowych lina pełni funkcje zarówno liny nośnej (przenosi obciążenie od ciężaru pojazdu), jak i liny napędowej (służy do przemieszczania pojazdów). W kolejach dwulinowych te zadania są rozdzielone. Zastosowanie dodatkowych lin nośnych w kolejach dwulinowych pozwala na pokonywanie znacznie dłuższych odcinków bez podpór i przewożenie znacznie większych pojazdów. Koleje te nazywane dwulinowymi mają jedną lub dwie liny nośne i jedną linę napędową.

W systemach tradycyjnych kolei jednolinowych występuje jedna lina nośno-napędowa, natomiast w kolejach dwulinowych była zwykle jedna lina napędowa i jedna lina nośna. Konstrukcje takie są mało skomplikowane w budowie i sterowaniu, charakteryzują się jednak mniejszą nośnością i podatnością na działanie wiatru. Zastosowanie dwóch lin nośnych lub nośno-napędowych znacznie zwiększa możliwości transportowe kolei jak również daje możliwość pracy kolei przy większej sile wiatru bocznego.

Przykład zastosowania kolei linowej terenowej przedstawiono na fot. 3.

Fot. 3 Kolej linowa terenowa na górę Gubałówkę w Zakopanem

Napowietrzne koleje jednolinowe o ruchu okrężnym

Napowietrzne koleje jednolinowe o ruchu okrężnym zaliczane są do najczęściej stosowanych systemów transportu linowego do przewozu osób. Pierwsze koleje jednolinowe zostały zbudowane w 1935 r. w Sunshine Village (Kanada) oraz Sun Valley (Stany Zjednoczone).

Istnieje bardzo dużo rozwiązań tych urządzeń stosowanych zarówno do transportu turystów pieszych, jak i narciarzy. Systemy te możemy podzielić według różnych kryteriów. Urządzenia tego typu wyposażone są w pojazdy otwarte w postaci krzeseł (1-, 2-, 3-, 4-, 6-, 8-osobowe) lub pojazdy zamknięte, np. gondole (4-, 6-, 8-, 10-, 15-osobowe), lub kabiny nawet 30-osobowe w przypadku systemu Funitel. Zapotrzebowanie na koleje jednolinowe o ruchu okrężnym jest bardzo duże w porównaniu z systemami kolei dwulinowych czy kolei linowych terenowych. Rozwiązania konstrukcyjne tych kolei zostały ujednolicone przez producentów i są produkowane praktycznie seryjnie. Rocznie na świecie produkuje się kilkaset nowych kolei linowych mających różne zastosowanie. Głównymi odbiorcami tych systemów są ośrodki turystyczne. Poziom bezpieczeństwa kolei linowych przez ostanie lata uległ znacznej poprawie poprzez ujednolicenie standardów i wprowadzenie wysokich wymagań norm europejskich i ocenę zgodności elementów przez jednostki notyfikowane. Koleje jedno- linowe pozwalają na uzyskanie dużej zdolności przewozowej. W przypadku kolei linowych niewyprzęganych zdolność przewozowa może wynosić 2800 osób/godz., natomiast w przypadku kolei linowych wyprzęganych do ok. 4000 osób/godz. Koleje jedno- linowe należą do najtańszych systemów napowietrznych kolei linowych, jednakże muszą one spełnić określone wymagania. Musi być odpowiedni profil trasy. Obciążenie liny nośno-napędowej stosunkowo dużą liczbą pojazdów skutkuje ograniczeniem długości przęseł między podporami. Wymagana jest wtedy większa liczba podpór ze względu na spełnienie wymagań normowych dotyczących zarówno prześwitu, jak i maksymalnej odległości pojazdów od terenu. Koleje jedno- linowe są stosunkowo mało odporne na działanie wiatru. Pojazdy stosowane w tych systemach są lekkie, a więc wrażliwe na działanie wiatru, co ogranicza poruszanie się pojazdów w czasie przejazdu przez podpory. Są również systemy ograniczające możliwości poprzecznych wychyleń pojazdów kolei, np. Funitel.

Rys. 4 System DLM – Double Loop Monocable [5]

Rys. 5 System DMC – Double Mono Cable [5]

W celu zapewnienia odpowiedniego napięcia układu linowego powszechnie stosuje się układy napinające. Obecnie stosowane są hydrauliczne układy napinania [3] z systemem sterującym zapewniającym odpowiednią siłę napinania. Najkorzystniejsze zastosowanie układu napinania jest wtedy, gdy napęd jest w stacji górnej, a napinanie w stacji dolnej. Natomiast obecnie powszechnie jest stosowany układ tzw. kompaktowy, czyli napęd i napinanie w jednej stacji (przeważnie w stacji dolnej).

Mała prędkość transportowa (np. dla kolei niewyprzęganej krzesełkowej 4-osobowej wynosi 2,3 m/s dla narciarzy i 1,0 m/s dla pieszych) zwiększa czas narażenia pasażerów na niekorzystne warunki atmosferyczne (deszcz, śnieg). Kolej jednolinowa z pojazdami otwartymi niewyprzęganymi z liny może mieć długość nawet do 2000 m, natomiast z pojazdami otwartymi wyprzęganymi z liny nośno-napędowej nawet ponad 3400 m. W przypadku zastosowania pojazdów zamkniętych możliwe jest budowanie znacznie większych odcinków, nawet do kilku kilometrów. Obecnie najdłuższa kolej linowa gondolowa jest eksploatowana w mieście La Paz (Boliwia). Dziesięciokilometrowa kolej jest najdłuższą koleją linową na świecie zbudowaną na potrzeby transportu miejskiego w 2014 r. Nowoczesnym i wydajnym systemem kolei linowych o ruchu okrężnym jest system Funitel. Głównym założeniem tego systemu jest zdwojenie liny nośno-napędowej w postaci dwóch pętli linowych (system DLM – Double Loop Monocable, rys. 4) lub jednej pętli liny (system Cable, DMC – Double Mono, rys. 5).

Zastosowanie takiego rozwiązania pozwala na pracę kolei linowych przy znacznie większych prędkościach wiatru bocznego. Koleje tego typu mogą pracować przy prędkościach wiatru do 25-30 m/s. Dla tego systemu możliwe jest uzyskanie zdolności przewozowych na poziomie nawet 5000 osób na godzinę przy prędkości kabin 7 m/s i pojemności 33 osób w kabinie. Na fot. 4 przedstawiono system kolei typu Funitel z ciekawym sposobem wyprzęgania i wprzęgania kabin na różnych poziomach.

Należy zwrócić uwagę, że wyprzęgane koleje dają możliwość połączenia ze sobą kilku stacji, pozwala to na połączenie wielu szczytów z możliwością wysiadania na stacjach pośrednich. Tego typu systemy są stosowane jednak bardzo rzadko ze względu na wysoki koszt.

Fot. 4 Kolej typu Funitel Galzigbahn – St. Anton w Austrii

Napowietrzne koleje dwulinowe

Napowietrzne koleje dwulinowe należą do najstarszych systemów kolei. Pierwsze koleje tego typu powstały ponad 140 lat temu. W 1872 r. inż. A. Bleichert razem z inż. T Otto skonstruowali pierwszą kolej linową przeznaczoną do transportu towarów dla fabryki parafiny. System ten polegał na zastosowaniu dwóch lin, z których jedna stanowiła tor jezdny wózków przewożących towar, natomiast druga o znacznie mniejszej średnicy i lżejsza była liną służącą do napędu wózków [4].

Koleje dwulinowe w porównaniu z systemami jednolinowymi mogą być stosowane do znacznie dłuższych odcinków przęseł i znacznie większych odległości od terenu. Długości przęseł dla kolei dwulinowej o ruchu okrężnym (rys. 6) mogą wynosić do 1500 m, natomiast dla ruchu wahadłowego nawet ponad 3000 m. Ze względu na wartości sił, jakie występują przy napinaniu lin nośnych, stacje muszą mieć większe gabaryty. Podpory oraz ich głowice są znacznie bardziej rozbudowane. Zastosowanie liny napędowej w pozycji poniżej liny nośnej dla tego systemu daje korzystny moment przywracający pozycję pojazdu w przypadku wychylenia podczas działania np. wiatru bocznego.

Koleje dwulinowe mają zasadnicze wady w porównaniu z kolejami jednolinowymi – znacznie wyższy koszt budowy w porównaniu z możliwą zdolnością przewozową. Dla kolei dwulinowej o ruchu okrężnym możliwe jest uzyskiwanie zdolności przewozowej na poziomie 4000 osób/godz., natomiast przy ruchu wahadłowym zdolność przewozowa wynosi ok. 400 osób/godz. i maleje w sposób proporcjonalny w stosunku do wydłużenia trasy kolei. Systemy dwulinowe to najczęściej stosowane rozwiązanie w układzie wahadłowym. Możliwe są wówczas duże pojemności pojazdów, nawet do 200 osób. Prędkości tych kolei mogą osiągać do 12 m/s, co daje możliwość transportu na duże odległości w krótkim czasie. Nowoczesnym rozwiązaniem kolei dwulinowych jest system o ruchu okrężnym z pojazdami wyprzęganymi oraz ze zdwojoną liną nośną (system 3S). System posiada trzy liny, w którym dwie z nich są linami nośnymi, a jedna liną napędową.
System ten jest coraz częściej stosowany, gdyż umożliwia pokonywanie dużych wysokości (najczęściej doliny) przez możliwość zastosowania przęseł o bardzo dużych długościach. Pozwala on jednocześnie na zapewnienie bardzo dużej zdolności przewozowej ludzi, na co głównie ma wpływ duża liczba kabin o pojemności dochodzącej do 35 osób. Zastosowanie wyprzęganych kabin pozwala na uzyskanie prędkości do 8,5 m/s, co daje zdolność przewozową na poziomie 6000 osób/godz. Możliwe jest stosowanie tego systemu przy dużych siłach wiatru bocznego.

Podsumowanie

Przedstawione systemy i rozwiązania konstrukcyjne kolei linowych świadczą o bardzo szerokich możliwościach zastosowania tych urządzeń.

Koleje linowe nie tylko pozwalają przewozić narciarzy i turystów w górach, ale również mogą doskonale uzupełniać układy komunikacyjne w dużych aglomeracjach miejskich, terminalach lotnisk czy kompleksach handlowo- -rozrywkowych. Obecnie budowane koleje linowe spełniają bardzo ostre kryteria ekologiczne, zarówno pod względem zużycia „czystej” energii elektrycznej, jak również hałasu.

Jak wspomniano, dużym rynkiem światowym dla kolei w miastach od kilku lat są kraje Ameryki Południowej. Według autorów wiele miast w Polsce mogłoby polepszyć komunikację przez zastosowanie odpowiedniego rozwiązania kolei linowych.

dr inż. Grzegorz Olszyna

dr inż. Tomasz Rokita

dr hab. inż. Marian Wójcik

AGH Akademia Górniczo-Hutnicza

Katedra Transportu Linowego

Zdjęcia G. Olszyna

Literatura

1. A. Doppelmayr, Warunki projektowania napowietrznych kolei jednolinowych o ruchu okrężnym, oprac. wyd. polskiego M. Wójcik, T. Rokita, Wyd. KTL AGH, Kraków 1997.
2. G. Olszyna, Opracowanie metodyki oceny stanu technicznego lin kolei linowych o długim okresie eksploatacji, praca doktorska, Kraków 2014.
3. T. Rokita, Hydrauliczne urządzenia napinające linę nośno-napędową w kolejach linowych, „Pneumatyka” nr 3/4 [88/89]/2013.
4. G. Olszyna, T. Rokita, M. Wójcik, Czy koleje dwulinowe mają przyszłość?, „Przegląd Komunikacyjny” nr 3/2017.
5. P. Sedivy, Seilbahnbau, Universitat Innsbruck, 2012.
6. Dyrektywa Unii Europejskiej i Rady nr 2000/9/WE odnosząca się do urządzeń kolei linowych przeznaczonych do przewozu osób, Dz.U. UE 2005/C 230/C, marzec 2000.
7. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 11 grudnia 2003 r. w sprawie zasadniczych wymagań dla kolei linowych przeznaczonych do przewozu osób, Dz.U. z 2004 r. Nr 15, poz. 130.
8. Rozporządzenie Ministra Transportu z dnia 1 czerwca 2006 r. w sprawie warunków technicznych dozoru technicznego w zakresie projektowania, wytwarzania, eksploatacji, naprawy i modernizacji urządzeń transportu linowego, Dz.U. Nr 106, poz. 717.
9. Ustawa z dnia 21 grudnia 2000 r. o dozorze technicznym, Dz.U. z 2000 r. Nr 122, poz. 1321.