Loading

Trakcja elektryczna w pracy manewrowej kolei.

mgr inż. Stanisław Bolewski

"Trakcja i Wagony" nr1/1982

UKD:629.423:656.212.5

Prace manewrowe są dla kolei obciążeniem, które należy w miarę możliwości ograniczać i racjonalizować, ponieważ stanowią źródło kosztów własnych, nie pokrywanych opłatami taryfowymi klientów kolei, oraz zwykle przedłużają czas przewozu. Są one jednak ważnym i nieuniknionym składnikiem procesu przewozu kolei, który angażuje sporo pracy ludzkiej i znaczne środki techniczne oraz zużywa niemało energii mechanicznej. Cała organizacja ruchu i przewozów kolejowych jest ściśle związana z pracami manewrowymi.
W niniejszym artykule zostaną przedstawione niektóre sprawy modernizacji trakcji w zakresie pracy manewrowej. Znaczenie pracy manewrowej w służbie trakcji Obrazują dwa wskaźniki: jej udział w przebiegu pojazdów trakcyjnych oraz - jeszcze lepiej - udział w zużyciu energii i paliw na cele trakcyjne. Rozpatrzmy to na przykładzie PKP w 1978 roku.
W pracy manewrowej PKP uczestniczą, jak dotąd, prawie wyłącznie pojazdy trakcyjne parowe i spalinowe. W 1978 roku wykonały one na manewrach 11,75% ogółu pojazdo-kilometrów (udział parowozów - 31,64%, a lokomotyw spalinowych - 68,36%). Ten obraz nie jest zupełnie właściwy, ponieważ traktuje się w nim jednakowo pojazdokilome-try lokomotyw liniowych i lokomotyw manewrowych. Bardziej miarodajne jest porównanie paliwowo-energetyczne. W 1978 roku PKP zużyły na cele trakcyjne ogółem 2206,0 tys. ton węgla umownego, 682,0 tys. ton oleju napędowego i 3840,914 min kWh energii elektrycznej. W tym samym czasie trakcje parowa i spalinowa zużyły w pracach manewrowych (poza-pociągowyeh) 459 tys. ton węgla umownego i 116 tys. ton oleju napędowego. Wyrażając zużycie w tych samych jednostkach, kilokaloriach (kcal), otrzymujemy: zużycie w trakcji ogółem 3,3554 .10" kcal, zużycie na pracę manewrową 4,373 .1012 kcal. A więc udział pracy manewrowej w ogólnym zużyciu energii na cele trakcyjne PKP wyniósł 13,03% (przy przeliczaniu na kcal wykorzystano następujące wskaźniki: węgiel umowny 1 kg = 7000 kcal, olej napędowy 1 kg = 10000 kcal, energia elektryczna w rachunku ciągnionym 1 kWh = 0,42 kg paliwa umownego = 2940 kcal).
Jak widać, udział prac manewrowych w zużyciu energii na cele trakcyjne jest niemały i dlatego warto zajmować się racjonalizacją prac manewrowych również ze względu na oszczędność energii. W rozpatrywanym 1978 roku 31,64% prac manewrowych wykonywała jeszcze nieekonomiczna trakcja parowa. Gdyby założyć, że całość tych prac wykonałaby trakcja spalinowa, to zaoszczędzając 459 tys. ton węgla umownego, zużyłaby na ten cel razem 172,8 tys. ton oleju napędowego, to jest 1,728.1012 kcal. Byłoby to zużycie znaczne, zwłaszcza że dotyczące oleju napędowego - bardzo cennego paliwa płynnego.
Wszystko to przemawia za tym, że modernizacja trakcji w zakresie prac manewrowych nie powinna kończyć się na wyeliminowaniu parowozów i zastąpieniu ich lokomotywami spalinowymi. Jeżeli warunki PKP uzasadniają bezspornie doprowadzenie elektryfikacji linii do całego podstawowego układu sieci kolejowej (ponad 13,5 tys. km), a wzrastające ceny oleju napędowego obniżają ciągle próg opłacalności trakcji elektrycznej i zwiększają docelową długość linii kwalifikujących się do e-lektryfikacji, to nie sposób opierać w przyszłości pracy manewrowej wyłącznie na lokomotywach spalinowych, ale trzeba także przygotować odpowiednie lokomotywy manewrowe elektryczne.

Historia eliminowania parowozów, zakończona w większości europejskich zarządów kolejowych, a na PKP będąca w fazie końcowej, wykazuje ciekawą cechę. Chodzi tu o pewną oporność prac manewrowych przed wprowadzaniem nowych rodzajów trakcji, a zwłaszcza trakcji elektrycznej. Jedną z przyczyn tego była i jest niewrażliwość silnika parowego na przeciążenia i łatwość regulacji przy rozruchu i małych prędkościach - zalety cenne w pracach manewrowych. W przeciwieństwie do tego dotychczasowe lokomotywy elektryczne klasycznej konstrukcji nie nadają się do sprawnej i ekonomicznej pracy przy częstych rozruchach i zmianach kierunku oraz małych prędkościach z dużą masą, a więc w warunkach typowych dla pracy manewrowej. Jednak zastosowanie półprzewodników w lokomotywach elektrycznych zmieniło zupełnie te okoliczności.

Manewrowa lokomotywa elektryczna serii Ee 6/6"*'

1 - odbierak prądu,
2 - przekładnik napięciowy dla napięcia pierwotnego,
3 - wyłącznik główny pneumatyczny i odłącznik uziemiajacy
4 -przekładnik prądowy dla prądu pierwotnego i wprowadzenie wysokiego napięcia,
5 -silnik trakcyjny,
6-transformator z cewką dławikową
7 - dławik sieciowy.
8 - kondensator,
9 - falownik,
10 - zwieracz i kondensator dla obwodu pośredniego
11 - nastawiacz czteropolożeniowy;
12 - fazowa wygładzająca cewka dławikowa i dławik uziemiający
13 - blok pomiarowy
14 - chłodnica olejowa dla pozycji 6, 7. 8.
15 - chłodnica olejowa dla pozycji 9, 11,12, 16- pompa olejowa
17 - silnik wentylatora,
18 - wentylator,
19 - przekładnia wentylatora,
20 - kondensatory faz pomocniczych,
21 -zbiorrnik wyrównawczy
22 - urządzenie do ładowania baterii,
23 - sprężarka tłokowa z silnikiem,
24 - wyposazenie:drabina dachowa tyczka uszyniająca itd.,
25 - sprężarka pomocnicza,
26 - tablica aparatów pneumatycznych,
27 - tablica rozdzielcza urządzeń pomocniczych (shp itd ),
28 - blok elektroniczny,
29 - oulpit maszynisty z tablicą wskaźników,
30 - tablica rozdzielcza rozrzadu
31-pomocnicza tablica rozdzielcza (radio itd.),
32 - skrzynia z baterią akumulatorów,
33 - zbiornik główny powietrza,
34 - zbiornik pomocniczy powietrza,
35 - sprzęgło poprzeczne (sprzęgu międzywozkowego)

 

Od początku jednak miejsce wycofywanych parowozów manewrowych zajmowały znacznie sprawniejsze lokomotywy spalinowe z silnikami DieseFa. Wybór silników nie budził żadnych wątpliwości, ponieważ silniki Diesel'a są do dziś najsprawniejszymi termicznie silnikami cieplnymi i osiągnęły niezawodność oraz żywotność odpowiadającą wymaganiom kolejowym. Natomiast w dziedzinie przekładni lokomotyw istniały przekładnie: mechaniczna, hydrauliczna i elektryczna. Przekładnia mechaniczna (skrzynia biegów) utrzymała się jeszcze tylko w lokomotywach małej mocy - do ok. 111 kW, natomiast przekładnie hydrauliczna, a także elektryczna są powszechnie stosowane w lokomotywach większej mocy i konkurują ze sobą do dzisiaj. Lokomotywy spalinowe z przekładnią elektryczną lub hydrauliczną zdominowały obsługę prac manewrowych na kolejach światowych. Zastosowano w nich, m.in., takie praktyczne ulepszenia, jak możliwość zdalnego sterowania radiem spoza lokomotywy. W Polsce powstały również lokomotywy manewrowe z przekładnią elektryczną, a wśród nich szczególnie rozpowszechniona i ceniona lokomotywa SM42 o mocy silnika spalinowego 588 kW.
Ostatnio nastąpił kryzys energetyczny - szczególnie ostry w zakresie paliw płynnych, pochodzących z ropy naftowej; zwiększyły się również wymagania w zakresie ochrony środowiska. Wszystko to spowodowało zwiększone zainteresowanie wyeliminowaniem - przynajmniej częściowym - lokomotyw spalinowych z prac manewrowych i zastąpieniem ich lokomotywami elektrycznymi. Utrwala się pogląd, że trakcja spalinowa jest fazą przejściową zarówno w pracy liniowej, jak i manewrowej - między minioną trakcją parową a przyszłym wielkim zakresem stosowania trakcji elektrycznej. Zasadniczy przełom techniczny i realne możliwości rozszerzenia zakresu trakcji elektrycznej, także w pracy manewrowej, powstały - jak już wspomniałem - w wyniku zastosowania do lokomotyw techniki półprzewodnikowej.
PKP mają liczny park elektrycznych lokomotyw liniowych, jednak żadna z nióh nie nadaje się do typowych prac manewrowych. Dlatego PKP działają w kierunku pozyskania elektrycznych lokomotyw manewrowych, które mogłyby w przyszłości zastąpić - przynajmniej częściowo - lokomotywy SM31 i SM42 w ciężkich i średnich pracach manewrowych oraz pociągach zdawczych. Krajowy przemysł taboru kolejowego zna te potrzeby i PKP oczekują pojawienia się pierwszych elektrycznych lokomotyw manewrowych na swych torach około 1985 roku.
Warto zapoznać się z historią powstania i konstrukcją nowoczesnej ciężkiej elektrycznej lokomotywy manewrowej kolei szwajcarskich (SBB), którą omówimy na podstawie publikacji H. J. Kahler'a, zamieszczonej w SLM - Technische Mitteilungen w grudniu 1980 r.
Sieć Szwajcarskich Kolei Związkowych jest zelektryfikowana w 100%, a spalinowe pojazdy trakcyjne stanowią tam zaledwie około 9% wszystkich pojazdów trakcyjnych. Pozostałe - to elektryczne pojazdy trakcyjne. Tymi, nielicznymi stosunkowo, spalinowymi pojazdami trakcyjnymi są lokomotywy manewrowe. Koleje szwajcarskie od dłuższego czasu prowadzą badania i próby, które doprowadziły do powstania interesującej ciężkiej lokomotywy elektrycznej manewrowej serii Ee 6/6", która została wprowadzona do eksploatacji w 1980 roku w liczbie 10 sztuk. Lokomotywa jest wspólnym dziełem szwajcarskich firm SLM (część mechaniczna) i BBĆ (część elektryczna). Lokomotywa jest zasilana z sieci typowym dla kolei szwajcarskich jednofazowym prądem przemiennym 15 kV, 16 2/3 Hz. Wyposażono ją w najnowocześniejszy napęd elektryczny: trójfazowe bezkomutatorowe silniki asynchroniczne i statyczny przemiennik prądu oraz częstotliwości (falownik). Ten rodzaj napędu nie powstał na SBB od razu. Chcąc zbadać jego właściwości, została zbudowana - przerobiona w 1972 roku - próbna lokomotywa elektryczna z takim napędem. Próby ujawniły możliwość uzyskania wielu korzyści z nowego napędu, jak:
- obniżenie nakładów na utrzymanie dzięki bezkomutatorowym, prawie nie zużywającym się, silnikom trakcyjnym oraz dzięki wyeliminowaniu aparatów łączących (wyłączników) ze stykami mechanicznymi,
- dobre właściwości biegowe lekkich wózków przy ułoży skowaniu silników bezpośrednio na osi (zawieszenie "za nos") - z powodu małej masy silników asynchronicznych,
-zmniejszenie sił bocznych między kołem i szyną przy jeździe w łuku; również dzięki małej masie silnika,
- polepszenie przyczepności wskutek korzystnej charakterystyki momentu obrotowego w funkcji prędkości obrotowej silnika asynchronicznego,
- sprawność przekładni elektrycznej i korzystne zachowanie się na manewrach, ponieważ można osiągać duże siły pqciągowe przy małych prędkościach.

Pojawiły się także pewne problemy, na przykład z elektromagnetycznym oddziaływaniem na stałe urządzenia telekomunikacyjne i sygnalizacyjne oraz z miejscem w lokomotywie do zabudowy wyposażenia elektrycznego. Rozwiązanie problemów nie nastąpiło od razu i dlatego szwajcarscy producenci uznali za słuszne stopniowe wprowadzanie techniki falownikowej do pojazdów trakcyjnych.
Jednym z pośrednich etapów tego rozwoju było zbudowanie 6 lokomotyw manewrowych spalinowych serii Am 6/6 z przekładnią elektryczną z falownikiem. Pozytywne doświadczenia z częścią mechaniczną i stałe ulepszenia wyposażenia elektronicznego tych lokomotyw doprowadziło do następnego kroku, to jest do powstania omawianych elektrycznych lokomotyw manewrowych serii Ee 6/6", które są zasilane z sieci trakcyjnej jednofazowym prądem przemiennym 15 kV, 16 2/3 Hz.
Na rysunku przedstawiono widoki i przekroje tej lokomotywy, która jest przeznaczona do ciężkich prac manewrowych, zwłaszcza na górkach dużych stacji rozrządowych, oraz do prowadzenia pociągów specjalnych w służbie liniowej. Lokomotywa Ee 6/6" jest wyposażona w trójfazowe asynchroniczne bezkomutatorowe silniki trakcyjne oraz statyczny przemiennik prądu i częstotliwości (falownik). Środkowe położenie kabiuy maszynisty z dobrą widocznością w obydwu kierunkach stanowi zaletę w pracy manewrowej.

Główne dane techniczne lokomotywy Ee 6/611 są następujące:
- prześwit toru 1435 mm
- układ osi Co'Co'
- długość ze zderzakami 17400 mm
- szerokość 3070 mm
- wysokość z obniżonym odbierakiem prądu 4500 mm
- rozstęp skrajnych osi wózka 3800 mm
- rozstęp środków podpór drugiego stopnia 8620 mm
- średnica kół (nowe bandaże) 1260 mm
- przełożenie przekładni osiowej 1:7,69(16:123)
- masa części elektrycznej razem z zapasami 69,2 t
- masa części elektrycznej razem z napędami 36,8 t
- masa przyczepna lub służbowa 106.0 t
- masa wózka 22,0 t
- masa części mechanicznej wózka 14,2 t
- masa części elektrycznej wózka 7,8 t
- prędkość największa 85 km/h
- największa siła pociągowa na kołach 353 kN
- wielkości ciągłe:
moc 860 kW
siła pociągowa 305 kN
prędkość przy mocy ciągłej 10,2 km/h
- wielkości godzinowe:
moc 940 kW
siła pociągowa 353kN
prędkość przy mocy godzinowej 10 km/h
- hamulec elektryczny:
największa siła hamowania 140 kN
prędkość 0÷26 km/h
- ciężary hamujące:
hamulec samoczynny - 105 t
sprężynowo-zasobniikowy hamulec postojowy l7 t.

Lokomotywa elektryczna Ee 6/611 ma wiele wspólnego ze swą poprzedniczką - lokomotywą spalinową Am 6/6; na przykład kompletne wózki są wzajemnie zamienne. Oprócz napędu elektrycznego z falownikiem, w lokomotywie Ee 6/611 zastosowano także inne .nowoczesne, lecz zarazem sprawdzone rozwiązania konstrukcyjne. Zapewniono w ten sposób między innymi: dobre warunki pracy maszynisty, łatwą dostępność aparatów i urządzeń oraz dobre przewietrzanie i chłodzenie wyposażenia elektronicznego, a także silników trakcyjnych. Na rysunku widoczne jest rozłożenie ważniejszych urządzeń i sposób rozwiązania konstrukcyjnego wielu części. Hałas lokomotywy, czyli poziom ciśnienia akustycznego, mierzony przy maksymalnej sile pociągowej w niskim zakresie prędkości w kabinie maszynisty oraz w odległości 15 m od lokomotywy - nie przekracza 70 cLB(A). Dziesięć lokomotyw Ee 6/611 pracuje z powodzeniem od 1980 roku na różnych stacjach rozrządowych Szwajcarii zachodniej i wschodniej, z tym że dwie lokomotywy - po jednej na zachodzie i wschodzie - zostawiono do dyspozycji jako pojazdy rezerwowe.