Technologické řešení lodního výtahu Orlík

Lodní výtah – unikátní technologie

Lodní výtah Orlík slouží k přepravě menších sportovních lodí s dopravou osob v kabině výtahu. Transport zajišťuje obecně pro všechny typy plavidel od pramic, kajaků či vodních skútrů až po největší sportovní motorové čluny a plachetnice, které se pohybují na vodních cestách v ČR. Za jednu vykonanou jízdu z vodní hladiny přehrady Kamýk na vodní plochu Orlické přehrady lodní výtah vystoupá cca sedmdesátimetrové převýšení na korunu hráze a následně klesne o cca 12 m na hladinu přehrady Orlík.

Nositelem kompletní technologické části byla česká rodinná firma EL-VY spol. s r.o. a firma KOUPENÝ, s.r.o., ADIng s.r.o. Jejich úkolem bylo zdvojnásobit nosnost výtahu na 6,6 t z původních 3,5 t, prodloužit možnou délku přepravované lodi z maximálně původních 8 m na 10 m i příprava zvýšení možného maximálního ponoru lodí z 1,2 m na 1,4 m a rovněž vyřešit systém zafixování přepravované lodi na ložné ploše vozu. Samotná technologie vozu je na výše požadované parametry připravena a až dojde k prohloubení dojezdu na vzdušném líci, bude možné přepravovat i lodě o ponoru 1,4 m.

Princip lodní přepravy

Lodní výtah na Orlické přehradě funguje na principu suchého koše, ve kterém je zafixována přepravovaná loď. Koš se při každé jízdě částečně ponoří pod vodní hladinu, nad hladinou zůstávají pouze boční podpěry vozu s kabinou. Loď vpluje do prostoru koše vozu předkem, kde je vycentrována na střed ložné plochy prostřednictvím elektro-mechanických paralelogramů a zafixována elektricky ovládanými napínanými popruhy. Loď je přepravována pouze při dosednutém kýlu na podlaze vozu. Z hlediska dynamických sil a omezených zdrojů elektrické energie na voze není možné lodě přepravovat v zavěšené poloze. Počáteční fixace lodi a její vyvázání na vůz je provedeno z důvodu nutného následného popojetí vozu výtahu vzhůru, aby loď dosedla kýlem na dno. Poté je fixace dokončena a posádka opouští palubu plavidla a přechází do kabiny vozu za bezpečnostní branky, sloužící jako kabinové dveře.

Poté je možno vykonat jízdu vozu rychlostí 1 m/s na korunu hráze. Pohon výtahu je bubnový na dvou lanech ve strojovně, která je umístěna na centrální točně celého zařízení. Kompletní zařízení výtahu je tedy v zaparkované poloze osazeno na točně na koruně hráze.

Na tuto točnu je vytažen vůz s lodí až do vzdálenosti cca 1 m mezi vozem a navíjecím bubnem. Po zastavení vozu na točně a zabrzdění systému dojde k otočení točny o 180°. Následně je vůz s lodí spuštěn na vodní hladinu na opačné straně hráze. Systém disponuje automatickým zpomalením vozu před vodní hladinou. Po vjezdu plošiny do vody, nadnesení lodi a jejím uvolnění posádka nastupuje na palubu a odvazuje loď. Mezitím řidič výtahu uvolní všechny mechanismy, loď vycouvá na vodní plochu a jízda je ukončena.

V sezoně se odplouvající loď míjí s čekající lodí, které je dán signál zeleným svítidlem, že je výtah připraven pro vykonání další jízdy. Výtah dokáže obsloužit až čtyřicet lodí denně, šest dní v týdnu.

Design lodního výtahu

Investor, Povodí Vltavy, s.p., kladl poměrně vysoké nároky na designové provedení vozu a strojovny navijáku. V rámci nalezení speciálního řešení designu výtahu byl osloven ateliér SM ARCHITECTS s.r.o.

Konstrukční řešení jednotlivých částí lodního výtahu Orlík

Stávající lodní výtah byl kompletně vyměněn. Původní výtah byl uveden do provozu v roce 1974. Základní koncepce původního lodního výtahu byla navržena odborníky z ČKD Slaný. Na způsobu vyrovnání měnícího se sklonu dráhy od 8° do 24° využitím čtyřkolejnicové dráhy nebo na koncepci pohonu točny nebylo nutné nic měnit. Výtah ovšem prošel velkými změnami, od zvýšení jeho maximální nosnosti, zavedení nových mechanismů pro stabilizaci lodí ve vozu výtahu po zajištění všech požadavků bezpečného provozu podle aktuálních evropských norem.

Bezpečnostní vozová brzda
Největší konstrukční problémem byla od počátku bezpečnostní vozová brzda, jejímž úkolem je zastavit vůz při prasknutí obou lan, nebo překročení maximální rychlosti o více než 20 %.

Brzda musí spolehlivě zastavit jak plně zatížený (naložený), tak i prázdný vůz, a to jak na suché kolejové dráze, tak i na kolejové dráze ponořené pod vodou. Z toho plynou i vysoké požadavky na volbu materiálů a jejich povrchové úpravy. Tam, kde to bylo technologicky možné, jsou použity nerez oceli.

Konstrukční náročnost uvedené vozové brzdy spočívá v jejích specifických provozních podmínkách. Při každé jízdě výtahu je brzda dvakrát zcela ponořena pod hladinu. Na trhu se obdobné bezpečnostní komponenty s takto specifickými podmínkami nevyskytují. Pro lodní výtah na Orlické přehradě bylo tedy třeba vyvinout nové unikátní brzdicí zařízení.

Nejdříve byl vyroben model vozu s brzdou v měřítku 1 : 10, na kterém byly snímány dynamické vlastnosti brzdného účinku. Bylo zkoušeno šest druhů brzdných čelistí z různých materiálů a povrchů, které se „zakusují“ do hlavy kolejnice. Bylo rovněž ověřováno, jakou silou musejí být brzdové čelisti přitlačovány k hlavě kolejnice, aby se dosáhlo žádaného brzdného účinku. Bylo provedeno cca šedesát měření a z vyhodnocených výsledků byl zvolen nejvhodnější typ obrobených brzdných čelistí, zajišťujících dostatečnou brzdnou sílu při mokré i suché trati a plně naloženém vozu. Zároveň brzdný systém nesmí zastavit příliš rychle při prázdném vozu na suché trati. Tato dvě omezení jsou jasně specifikována v právních předpisech pro šikmé výtahy z hlediska bezpečnosti přepravovaných osob a nákladů. Minimální a maximální zpomalení je podle ČSN EN 81-22 (274003) v rozmezí min. 0,1 g až max. 1 g přetížení.

Strojovna a navíjecí mechanismus
Nová strojovna na točně vznikla na stejném půdorysu jako původní, prostor byl vymezen rozměrem původní točny. Design strojovny byl konzultován s ateliérem SM ARCHITECTS s.r.o. a upraven podle technických předpokladů daných v zadání investorem. Prostor nové strojovny musel pojmout veškeré zařízení; i to, které bylo původně umístněno mimo strojovnu.

Nový navíjecí mechanismus je umístěn ve shodně velkém prostoru točny jako ten původní, a to i přes to, že došlo k navýšení výkonu zařízení a bezpečnostní opatření je mnohem přísnější, než tomu bývalo před padesáti lety. Lanový buben byl vlivem svých rozměrů a vzhledem k protiběžnému drážkování skutečným oříškem, původně pevná a průběžná hřídel nemohla být u nového stroje použita právě pro nedostatek místa uvnitř strojovny, také nová kotoučová brzda a převodový motor vyžadovaly jiné řešení konstrukce hřídele.

Brzdový systém pohonné jednotky
Výtah má několikanásobný bezpečnostní systém. Vedle výše popsané vozové brzdy disponuje pohonné ústrojí dalšími třemi brzdami.

Přímo na buben působí bezpečnostní kotou­čová brzda, hydraulicky odbrzďovaná P.I.V., tzv. hlavní brzda, která při ztrátě elektrické energie nebo přerušení bezpečnostního obvodu otevře škrticí ventil a s řízeným zpomalením zastaví buben, a to i v případě, že by došlo k rozlomení převodové hřídele.

Mezi motorem a převodovkou je bezpečnostní kotoučová brzda NORD, odbrzďovaná elektricky, a na konci na motoru je instalována originální elektromagnetická motorová brzda.

Každá z výše uvedených brzd je dimenzována tak, že v případě selhání všech ostatních brzd zastaví plně naložený vůz jedoucí plnou rychlostí.

Brzdový systém je vybaven vždy při přerušení bezpečnostního obvodu, jako je především překročení rychlosti, snímané standardním certifikovaným omezovačem rychlosti, který je umístěn přímo na navíjecím bubnu, bezpečnostními vypínači, snímajícími povolení jednoho lana, či při ztrátě zabezpečeného přenosu mezi strojovnou a vozem výtahu.

Stabilizace lodí v kleci lodního výtahu

Ze strany investora byly také kladeny velké nároky na řešení efektivního, rychlého, spolehlivého a univerzálního systému stabilizace lodí pro jejich převoz lodním výtahem. Z hlediska nároků na počet přepravených lodí bylo nutné vyřešit systém rychlé stabilizace lodí bez přesného zadání z hlediska typu lodí nebo jejich tvarů

Na základě studií vzniklo upřesněné zadání a byl realizován čtvrtinový model lodi s prototypy stabilizačních mechanismů. Tento model představil dodavatel objednateli (Metrostav a.s.) i investorovi (Povodí Vltavy, s.p.). Po schválení systému bylo možno zahájit výrobu příslušných komponent.

U původního výtahu se přepravovaná loď uvazovala ručně k bočním sloupům, pevně připevněným (přivařeným) ke konstrukci lodního vozu. Uvázání prováděl kapitán plavidla a také za něj odpovídal. Tento proces byl poměrně náročný a zdlouhavý. Nové systémy fixují loď bez účasti kapitána a ovládá je z řídicí kabiny obsluha výtahu.

Na obou koncích ložné plochy vozu jsou osazeny protilehlé dvojice tuhých paralelogramů ovládaných elektropohony přes řetězové synchronizační převody. Ve složené poloze (při najíždění lodi do vozu výtahu) jsou mechanizmy ukryty do nosných sloupů. Po najetí lodi na vůz se paralelogramy vysunou až o 650 mm z každé strany a sevřou příď i záď lodi z obou stran. Aby nedošlo k poškození obšívky lodi, jsou přítlačná ramena mechanismu opatřena plastovými lištami. Velikost vysunutí a sílu přítlaku volí obsluha výtahu.

Mezi paralelogramy jsou na obdobných nosných sloupech na každé straně vozu upevněny trojice mechanismů s textilními popruhy. Na jednom konci jsou popruhy upevněny u středu vozu, na druhém konci jsou zavedeny do navíjecích bubnů poháněných přes řetězové převody elektropohony. Při navíjení popruhů na bubny se tyto popruhy zkracují a postupně si „lehají“ na boky lodě. Tento systém umožňuje měkce obemknout prakticky jakýkoliv tvar lodního boku, aniž by jej poškodil (odřel, promáčkl apod.). Velikost napnutí a tím i sílu přítlaku volí obsluha výtahu. Do výchozí polohy se kurty vracejí zpětným odvíjením bubnů za pomoci pružinových mechanismů, které vracejí volné kurty do drážek připravených na dně vozu.

Pohony obou fixačních mechanismů jsou dvourychlostní. Aktivovat každý mechanismus lze samostatně a návrat do výchozí polohy se provádí u všech mechanismů automaticky, jedním povelem.

Zdroj elektrické energie ve voze lodního výtahu

Výše uvedené mechanismy stabilizace lodí jsou poháněny celkem deseti asynchronními motory s frekvenčními měniči. Tyto pohony vyžadují příkon elektrické energie (10 × 0,25 kW), které jsou výrazně vyšší než energetické nároky na řídicí systém výtahu (0,2 kW). Bylo tedy zapotřebí vyřešit dostatečné zásobování vozu elektrickou energií bez závěsného kabelu nebo elektrické troleje.

Technici EL-VY spol. s r.o. problém vyřešili realizací dobíjecí dokovací stanice na točně, kdy při každém přijetí vozu na točnu dojde k okamžitému dobíjení baterií, z kterých jsou napájeny všechny elektrospotřebiče během jízdy vozu mimo točnu. Nicméně vzhledem k předpokládanému vytížení výtahu byl tento způsob nedostačující a systém dobíjení vozových baterií byl proto doplněn o dobíjení pohybem samotného vozu, a to dvěma alternátory z nákladních automobilů. Řetězovým převodem je od horního kola vozu pod kabinou přenášena točivá energie do převodovky, na jejímž výstupu je řemenový pohon alternátorů. První plavební sezona ukázala, že je tento způsob dobíjení baterií ve voze dostačující a provoz vozu nebyl přerušován z nutnosti dobíjení baterií.

Sklon dráhy, pohon točny a výtahu

Dráha výtahu je o dvou sklonech, 8º a 22º, s přechodovými oblouky o poloměru 180 m. Po obou stranách hráze tvoří dráhu betonová koryta, k jejichž dnu jdou přikotveny kolejnice typu Xa vnitřní dráhy o rozchodu 2 420 mm, která slouží pro pojezd běhounu vozu a horních kol vozu po celé délce dráhy včetně závěsu s vozovou brzdou. Dolní vnitřní kola vozu pojíždějí po vnitřních kolejnicích jen při sklonu dráhy 8º. Od počátku přechodových oblouků až do sklonu dráhy 22º pojíždějí dolní vnější kola po vnějších kolejnicích o rozchodu 3 120 mm, které plynule vystupují nad úroveň horní hrany vnitřních kolejí a jsou přikotveny k horní ploše stěn koryta. Na počátku dráhy o sklonu 22º tedy činí výškový rozdíl 865 mm, což je nutná podmínka pro zachování vodorovné roviny plošiny vozu na obou sklonech dráhy. Stávající kolejnice byly kompletně vyměněny za nové.

Pohon výtahu byl navýšen na dvojnásobnou nosnost, koncepce navíjecího bubnu se dvěma lany vedoucími po šroubovici od sebe v prvním nábalu a proti sobě v druhém nábalu byla převzata z původního řešení. Z hlediska aktuálních právních předpisů mají lana 12× větší únosnost, než je minimální vypočtená hodnota. Bylo nutné instalovat zařízení zabraňující, resp. kontrolující přeskočení lana do třetí vrstvy.

Koncepce pohonu točny zůstala stejná jako původní, a to pohon s tvarovým stykem prostřednictvím ozubeného pastorku a cévového nebo také klínového ozubení. Samotný pohon je navržen kompletně nově, se systémem odpružení, který zajišťuje výrazně tišší chod než u původní točny. Výkon pohonu je 0,25 kW.

Ovládání výtahu a signalizace

Lodní výtah je ovládán z kabiny vozu řidičem přídrží ovládacího joysticku ve směru jízdy. Řidič zodpovídá za bezpečnou jízdu výtahu. Z tohoto hlediska má řidič výtahu právo odmítnout v závažných případech přepravu lodi. Má-li například podezření, že kapitán neuvedl pravdivou informaci o celkové hmotnosti lodi a překračuje maximální povolenou hmotnost, může spustit režim vážení lodi za jízdy. Vůz přejde do vážicího režimu a při pomalé jízdě zváží loď s přesnosti +/– 15 %. Tato informace je dostatečná pro případné překročení celkového zatížení výtahu o maximální nosnost +15 %, provoz výtahu je systémem zastaven a je dovolena pouze jízda dolů zpět na vodní hladinu.

Z hlediska signalizace je vůz vybaven vizua­lizací polohy vozu na trati s podáním dalších základních informací, které mohou být předány přepravované posádce. Po stránce zajištění bezpečnosti a prokazatelnosti případných nepříjemných situací je na voze instalována kamera, která zaznamenává dění v kabině lodního výtahu po dobu celého procesu vykonání přepravy lodi. Tento záznam je v případě nutnosti k dispozici u provozovatele, ­Povodí Vltavy, s.p.