Loading

Współpraca koła lokomotyw z szyną w łukach o małych promieniach

dr fnż. Eugeniusz Zajęcki
doc. w Zakładzie Pojazdów Szynowych w COBiRTK w Warszawie
mgr inż. Mirosław Lusłych
gł. specjalista w Zakładzie
Pojazdów Szynowych
w COBiRTK w Warszawie

 

"Trakcja i Wagony" Nr. 11-12/1980

UKD:625.1.032.5

W czasie przejazdu lokomotyw przez łuki siła prowadząca, działająca między obrzeżem koła i szyną, osiąga największe wartości w łukach o małych promieniach (od 150 do 180 m), a następnie szybko spada wraz ze wzrostem promienia do około od 600 do 800 m, dalej maleje wolniej i osiąga wartość występującą w czasie jazdy na torze prostym. W czasie jazdy przez łuki o małych promieniach siła prowadząca jest około 2-2,5 razy większa niż na torze prostym.
Ta specyfika prowadzenia pojazdów szynowych obrzeżem kół w łukach, jak również stosowanie lokomotyw o dużych mocach (z czym wiąże się duży nacisk koła na szyny) powoduje, że wzajemne oddziaływanie lokomotyw i toru w łukach o małych promieniach przebiega przy występowaniu bardzo dużych sił. Ma to wpływ na obniżenie bezpieczeństwa jazdy przed wykolejeniem, na deformację poprzeczną toru oraz na naprężenia w elementach pojazdu i nawierzchni kolejowej. Towarzyszy temu, jako jeden ze skutków eksploatacyjnych, intensywne zużywanie się zarówno obrzeży kół, jak i główek szyn. Wszystko to jest powodem, że lokomotywy i zespoły trakcyjne przewidziane do eksploatacji na liniach obfitujących w dużą liczbę "ostrych" łuków muszą mieć podwozie odpowiednio skonstruowane, aby utrzymać siły wzajemnego oddziaływania na odpowiednio niskim poziomie i jednocześnie przeciwdziałać intensywnemu zużywaniu się kół i szyn w eksploatacji.

Siły działające na zestaw kołowy w czasie jazdy lokomotywy w łuku

W czasie jazdy w łuku na zestaw kołowy działają - znane z teorii wpisywania się pojazdów szynowych w łuk - następujące siły,które odgrywają zasadniczą rolę przy ocenie właściwości biegowych pojazdu w łuku, a mianowicie:
- siła prowadząca Y,
- pionowy nacisk koła na szynę Q,
- siła poprzeczna S działająca na przęsło toru.
Na rysunku 1 pokazane są wszystkie siły działające na zestaw kołowy, który nabiega obrzeżem koła prawego na szynę zewnętrzną w łuku, w punkcie At pod kątem a. W tym samym czasie koło lewe styka się z szyną w punkcie A2, położonym na powierzchni tocznej.
Z warunków równowagi zestawu kołowego otrzymuje się równanie:

gdzie:

Yi - Y2 = S jest siłą poprzeczną przekazywaną na przęsło tonu.
Dla oceny właściwości biegowych pojazdu trakcyjnego w łuku miarodajne są następujące kryteria:
- bezpieczeństwo jazdy przed wykolejeniem, określone stosunkiem siły {Y/Q)um,
- deformacja poprzeczna toru, określona granicaną wartością siły poprzecznej Sum, przy której następuje trwałe odkształcenie poprzeczne toru,
- zużywanie się obrzeża koła i główki szyny, określone siłą tarcia T[ii = Ni . tg qi w punkcie nabiegania Ai lub siłę prowadzącą Yi, która jest rzutem wypadkowej obu sił (Ni li Tli) na kierunek poziomy.
Siły prowadzące Yi lub Y2 odgrywają zasadniczą rolę zarówno w aspekcie spełniania wyżej wymienionych kryteriów, jak i z punktu widzenia naprężeń w szynach oraz obciążeń elementów ich przymocowania. Należy więc w pojeździe trakcyjnym zastosować wszelkie, ekonornicznie uzasadnione, środki konstrukcyjne, aby utrzymać te siły na możliwie niskim poziomie.

 

Rys. 1. Układ sił działających na zestaw kołowy Pi - siła kierująca, Yi - siła prowadząca, y2 - siła poprzeczna na kole nie nabiegającym (pozioma siła tarcia), Ql, Q2 - rzeczywiste pionowe naciski koła na szynę przekazywane w punktach Ai (koło nabiegające) lub At (koło nie nabiegające), Ni - siła normalna do powierzchni styczności obrzeza koła z szyną, Nz - siła normalna do powierzchni styczności powierzchni tocznej koła z szyną, Tm - siła tarcia między obrzeżem koła a szyną, Ti2 - siła tarcia między powierzchnią toczną koła a szyną, gi - kąt tarcia, tj. kąt zawarty między siłą normalną a siłą wypadkową siły normalnej i siły tarcia, w momencie wspinania się obrzeża koła nabiegającego na główkę szyny, q2 - kąt tarcia na kole nie nabiegającym, (3i - kąt nachylenia obrzeża koła do poziomu, 72 - kąt nachylenia powierzchni tocznej koła nie nabiegającego do poziomu (wyznaczony ,w pobliżu punktu styku a2), Hy - siła poprzeczna przekazywana z ramy wózka na czop zestawu kołowego, m - masa nieusprężynowana zestawu kołowego, y - przyspieszenie poprzeczne masy nieusprężynowanej zestawu kołowego, m(-y) - siła bezwładności pochodząca od masy nieusprężnowanej zestawu kołowego, G - ciężar nieusprężynowany zestawu kołowego, Fi, f2 - siły pionowe od sprężyn nośnych przekazywane na poszczególne łożyska zestawu kołowego, bz - odległość od środka sprężyn nośnych do środka zestawu kołowego, oa - odległość od punktu styku koła z szyną do środka zestawu kołowego, r - promień okręgu tocznego koła

Siły te są między innymi w dużym stopniu zależne od współczynnika tarcia w kierunku poprzecznym ny. Z punktu widzenia ich charakteru działania, w sile prowadzącej Yla można wydzielić następujące siły składowe:
- składową statyczną siły prowadzącej Ym, su pochodzącą od momentu oporowego, jaki pojazd musi pokonywać przy wpisywaniu się w łuk,
- składową ąuasistatyczną siły prowadzącej Yia, qst, będącą sumą siły statycznej Yia,st oraz nadwyżki lub niedoboru siły odśrodkowej Fi (względnie składowej poziomej od ciężaru pojazdu, jadącego po łuku o określonej przechyłce),
- składową dynamiczną siły prowadzącej Yiad, wywołaną wężykowaniem zestawu kołowego lub uderzeniem o lokalne, poprzeczne nierówności toru.
W związku z tym, sumaryczną siłę prowadzącą przedstawić można za pomocą następującej zależności:

gdzie:

Przebieg poszczególnych składowych siły prowadzącej YIa, w zależności od prędkości jazdy v, został pokazany na rysunku 2. Zakreskowa-na powierzchnia przedstawia nadwyżkę siły dynamicznej względem ąuasistatycznej siły prowadzącej. Siły te zostały wyodrębnione dlatego, gdyż w zależności od ich charakteru inne jest źródło powstawania, a ponadto różne są środki konstrukcyjne, przez które można wpływać na poszczególne składniki siły Yla.
Podobnie rzeczywisty chwilowy nacisk pionowy koła na szynę przedstawić można za pomocą zależności:

 

 

Kryteria oceny właściwości biegowych

Dla oceny właściwości biegowych pojazdu w łuku miarodajne są następujące kryteria dotyczące:
- bezpieczeństwa jazdy przed wykolejeniem,
- deformacji poprzecznej toru,
- wzajemnego zużywania się obrzeży kól i szyny.

Kryterium bezpieczeństwa jazdy przed wykolejeniem

Dla zapewnienia bezpieczeństwa jazdy przed wykolejeniem jest miarodajna nie wartość bezwzględna podstawowych sił (Y, Q) z osobna działających między kołem a szyną, lecz ich stosunek Y/Q.

 

Rys. 2. Składowe siły prowadzącej Ym na kole prowadzącym Ym max [kN] - sumaryczna, maksymalna siła prowadząca na zewnętrznym kole prowadzącym (indeks a), pierwszego zestawu kołowego (indeks 1)

V - prędkość jazdy [km/h],
Fi [kN] - nadwyżka lub niedobór siły odśrodkowej,
Yia, st [kNJ - składowa statyczna siły prowadzącej,
Yia, ąst [kNJ - składowa ąuasistatyczną siły prowadzącej,
Yiad [kN] - składowa dynamiczna siły prowadzącej
W celu zapewnienia odpowiedniego bezpieczeństwa jazdy, jest wymagane, aby w każdych warunkach jazdy stosunek rzeczywistych sił działających między kołem a szyną Y/Q był mniejszy od wartości dopuszczalnej (Y/Q)Um, tzn., aby:

Dopuszczalną wartość stosunku siły (Y/Q)lim można przekroczyć przez wzrost siły prowadzącej Y lub przez spadek pionowego nacisku koła Q, lub odpowiednią i równoczesną zmianę obu sił.
Z rysunku 1, dla koła nabiegającego (punkt AJ, wynika następująca zależność, zwana również wzorem Nadal'a:

gdzie:

u1 = tgq1 jest współczynnikiem tarcia między obrzeżem koła -nabiegającego a szyną.
Ze wzoru Nadal'a (5) wynika, że dopuszczalny stosunek siłjest tym większy ,im większy kąt pochylenia Obrzeża koła B1oraz im mniejszy jest współczynnik tarcia Mn.
Jeśli założy się spotykane w eksploatacji wartości dla kąta fa, np. B1='60° lub = 10° oraz maksymalny rzeczywisty współczynnik tarcia U1, wówczas uzyska się dopuszczalny (ze względu na bezpieczeństwo jazdy) stosunek (Y1Q1)lim. I tak ,np. dla kąta B1= 60° i współczynnika U1=0,4 dopuszczalny stosunek podczas gdy dla kata B1 = 70° wartość granicznego stosunku sił wzrasta do wartości 1,17.
Podobnie można przeanalizować wpływ współczynnika tarcia m-i na zmianę dopuszczalnego stosunku sił (Y/Q)llm. W przypadku koła . z obrzeżem o kącie pochylenia B1 = 70° i współczynnika tarcia U1= 0,4 (szyna i obrzeże koła suche) otrzymuie sie jak już powiedziano (co można osiągnąć przez smarowanie obrzeży koł lub Dowierz-chni bocznej główki szyny), wówczaswzrasta do wartości 2,05.
Określona za pomocą wzoru (5) wartość dopuszczalnego stosunku sił (Y1/Q1)lim odnosi się do statycznych albo ąuasistatycznych przebiegów sił, a więc zakłada jednocześnie długi czas ich działania. Z praktyki i badań doświadczalnych jest znane, że wiele przebiegów sił Y i Q, a tym samym i stosunek Y,/Qi mają charakter dynamiczny, jak np. przy przejeździe przez lokalne, krótkofaliste nierówności toru.
Koleje japońskie opracowały w latach sześćdziesiątych odpowiednie kryterium dla krótkotrwałych stosunków sił Y/Q na podstawie teoretycznych rozważań (teoria uderzeń) i badań na modelach. Rysunek 3 przedstawia rezultaty tych badań, przy czym lewa część wykresu odnosi się do warunków dynamicznych, zaś prawa do warunków ąuasistatycznych, które przyjmuje się, na ogół, że występują przy prędkościach jazdy do 40 km/h. Rzeczywisty czas działania ti pomierzonej siły Y jest tu decydujący i rozstrzyga, czy ma się do czynienia z warunkami dynamicznymi, czy też z warunkami ąuasistatycznymi, dla których miarodajny jest wzór Nadal'a.

Rys.3 Dopuszczalny stosunek sił dla quasistatycznych i dynamicznych warunków jazdy

Słuszność tych dwóch teorii jest oczywiście najbardziej problematyczna w strefie granicznej obu zakresów zjawisk. Tym niemniej zostało udowodnione, że można się posługiwać tym kryterium z wystarczającą dokładnością w określonych granicach kąta nabiegania a.

Kryterium deformacji poprzecznej toru

W czasie jazdy pojazdu po określonym torze są przekazywane od zestawu kołowego na tor następujące siły:

Na podstawie badań eksperymentalnych, wykonanych przez koleje francuskie (SNCF), została określona przez Prud'homme graniczna wartość siły poprzecznej Slim działającej na przęsło toru, przy przyłożeniu której oraż równoczesnym pionowym obciążeniu toru siłą 2Qo, rozpoczyna się trwała deformacja poprzeczna toru.
Siłę tę można określić za pomocą wzoru:

gdzie:

- pionowy nacisk osi na szyny.

Przyjmując pewien współczynnik bezpieczeństwa =0,85 uwzględniający fakt, że stan toru, na jakim są prowadzone badania, niekoniecznie odpowiada najgorszemu dla danej maksymalnej prędkości umaX> oraz że pojazd, na którym prowadzi się pomiar sił nie jest w najgorszym stanie utrzymania uzyskuje się następujące kryterium dla deformacji poprzecznej toru:

Powyższe kryterium stosuje się również do oceny właściwości biegowych pojazdu na torze prostym oraz przy badaniach zagadnień stateczności biegu przy dużych prędkościach jazdy.

Kryterium minimalnych obciążeń oraz minimalnego zużywania się koła i szyny

Powstałe w wyniku działania sił Y i Q naprężenia w nawierzchni kolejowej oraz zestawie kołowym nie powinny przekraczać wartości dopuszczalnych przyjmowanych dla poszczególnych elementów konstrukcyjnych. Z tego więc względu, oprócz wyżej podanych powodów, należy utrzymać siły Y i Q na możliwie jak najmniejszym poziomie wielkości.
Dla warunków właściwej eksploatacji pojazdów trakcyjnych w łukach o małych promieniach na pierwszy plan wysuwa się jednak zagadnienie optymalnego zużywania się koła i szyny.
Duże tarcie obrzeża koła o boczną powierzchnię główki szyny pogarsza wpisywanie się zestawów kołowych w łuk, powiększa opory ruchu pojazdu w łukach i na prostej. Zastosowanie odpowiedniego (samocentrującego) profilu'koła (jak np. AOC na PKP) oraz właściwych materiałów, obróbki termicznej kół i szyn nie jest wystarczającym środkiem zapobiegawczym dla zmniejszenia się zużywania obrzeży kół i główek szyn na liniach podgórskich, obfitujących w łuki o małych promieniach. Nieodzownym środkiem zapewniającym prawidłowe warunki eksploatacji na tych liniach jest smarowanie Obrzeży kół lub główek szyn.
Według Heumann'a współczynnik Z, określający stopień intensywności zużywania się obree-ży kół, wyrażany jest za pomocą wzoru:

gdzie:
P - siła kierująca (rys. 1),
a - kąt nabiegania koła na szynę,
r - promień koła,
u1 - współczynnik tarcia,
B1- kąt pochylenia obrzeża koła.
Z powyższej zależności widać, że dla danego koła intensywność zużycia zmienia się wprost proporcjonalnie do siły kierującej P (a więc i siły prowadzącej Y), kąta nabiegania a i współczynnika tarcia 1^1 obrzeża koła o szynę. Ten ostatni czynnik daje się znacznie zmniejszać za pomocą smarowania obrzeży kół lub główek szyn.

Czynniki wpływające na wielkość sił prowadzących Y w łukach torowych

Jak już o tym wspomniano, siły prowadzące Y dają się podzielić na składowe statyczne i dynamiczne.
Siły Yst o charakterze statycznym zależą od:
- promienia łuku torowego,
- kształtu i wzajemnego położenia stykających się zarysów profilu koła i igłówki szyny,
- współczynników tarcia na powierzchniach styku,
- konstrukcyjnego rozwiązania podwozia.
Poniżej zostanie omówiony wpływ tych czynników.

Wpływ promienia łuku torowego

Promień łuku torowego wpływa w dwojaki sposób na wartość sił Yst. Z jednej strony, przy założeniu sztywnego w kierunku podłużnym prowadzenia zestawu kołowego w wózku i w połączeniu z luzem zestawu w torze, wartość promienia łuku określa, czy wózek zajmie położenie najbardziej Skośne, pośrednie lub swobodne, z drugiej zaś,określa dla danego pojazdu kąt nabiegania a zestawu kołowego na szynę, a tym samym wartość poślizgu poprzecznego sly i odpowiadającego mu poprzecznego współczynnika tarcia u1y .

 

Rys. 4.
Ruch obrotowy
i siła tarcia przy obrocie - prędkość obrotowa w łuku R odpowiadająca prędkości v ruchu postępowego.

Ustawienie się odpowiednie wózka w torze na łuku jest miarodajne dla wyznaczenia położenia środka tarcia (środka obrotu), a tym samym dla wyznaczenia wielkości sił prowadzących.

Rys. 5.
U1y w funkcji promienia łuku

 

Wpływ poprzecznego współczynnika tarcia

Siły prowadzące zależą w dużym stopniu od wielkości poprzecznego współczynnika tarcia przedniego względnie tylnego zestawu kołowego wózka. Współczynniki te są z kolei zależne od:
- stanu powierzchni szyny i koła (Stan suchy, wilgotny, zabrudzany),
- kąta nabiegania o, tj. od ustawienia się wózka w torze na łuku.
Przy założeniu stałego stanu powierzchni szyn na danym odcinku toru, współczynnik tarcia !-4y daje się wyrazić jak następuje (rys. 4):

Poprzeczny współczynnik tarcia u1y zależy od kąta nabiegania a, a tym samym również od stosunku P/R, tzn. odległości P środka tarcia od zestawu prowadzącego i promienia łuku R.
Na rysunku 5 jest pokazana zależność między współczynnikami tarcia Viy a promieniem łuku R uzyskana dla szyny suchej i dla statycznego nacisku osi na szynę 75 kN (wagon).
W podobny sposób przebiegać będzie quasistatyczną składowasiły prowadzącej.

Wpływ profilu koła i szyny

Rzeczywisty kształt profilu koła i główki szyny decydują o tym czy styk koła z szyną odbywa się w jednym, czy też w dwóch punktach. W przypadku styku jednopunktowego koło nabiegające nie musi wykonywać poślizgów poprzecznych, w związku z czym siła kierująca Pi jest mniejsza niż przy styku dwupunktowym. Koło o profilu zapewniającym styk dwu-punktowy (np. koło nowe o profilu stożkowym 1 : 40, 1 : 20) po pewnym czasie eksploatacji (ok. 30 tys. km przebiegu) przyjmuje kształt odpowiadający naturalnemu zużyciu. Wiąże się z tym nieodzownie zapewnienie styku jednopunktowego. Nowoczesny profil kołowy, tzw. samocentrujący odpowiada właśnie zużytemu kształtowi, poczynając już od stanu nowego (np. profil AOC na PKP). Zapewniony jest przez to, przez cały okres eksploatacji, jednopunktowy styk koła z szyną, z czym wiąże się zmniejszone zużycie obrzeży kół i bardziej stabilne właściwości biegowe zestawu kołowego w czasie.
Profil samocentrujący charakteryzuje się znacznie większym kątem nachylenia na powierzchni tocznej niż profil stożkowy o małych pochyleniach. Przy wychyleniu zestawu kołowego z położenia środkowego o wartość Ay rośnie znacząco różnica promieni r% - r2 okręgów, przechodzących przez chwilowe punkty styku Aj i A2 (rys. 1), a tym samym rośnie również wielkość poziomej siły zwrotnej. Siła ta zapewnia samocentrowanie zestawu kołowego w torze, sprowadzając go po określonym wychyleniu ponownie w położenie środkowe, nie dopuszczając do jednostronnego nabiegania obrzeżem koła na szynę. Warunki takiego biegu są zapewnione oczywiście na torze prostym oraz w łukach o promieniach dochodzących nawet do 300 m, przy elastycznym prowadzeniu zestawów kołowych w kierunku podłużnym.
Toczenie się swobodne kół po okręgach tocznych o dużej różnicy średnic jest przyczyną ruchu wężykowego o stosunkowo krótkiej fali.Ponieważ ten ruch wężykowy jest ruchem zakłócającym spokojny bieg wózka i pudła wagonu, usiłowano go przedtem przez dłuższy czas ograniczać przez stosowanie konstrukcji ze sztywnym prowadzeniem zestawu kołowego w kierunku podłużnym. Oczywistym skutkiem wypływającym stąd były duże poślizgi kół i ich zużycia. Według nowych badań należy nie zakłócać naturalnego ruchu zestawu kołowego, o ile odbywa się on z prędkościami wystarczająco różniącymi się od prędkości krytycznej.
Wprowadzając odpowiedni samocentrujący profil koła uzyskuje się ruch wężykowy zestawu kołowego o małych amplitudach i dużej częstotliwości przy stosunkowo rzadkim nabieganiu zestawu obrzeżem na główkę szyny.
Dalszą korzystną zaletą nowoczesnego profilu kół zapewniającego stromy przebieg dla zależności jest to, że zestawy kołowe z wystarczająco elastycznym prowadzeniem w kierunku podłużnym mogą się ustawiać prawie radialnie w łukach o małych promieniach, wykonując tylko minimalne poślizgi-, poprzeczne z czym są związane małe statyczne siły prowadzące, jak również małe zużywanie się obrzeży kół i szyn w łukach.
W lokomotywach trudno jest zrealizować elastyczne prowadzenie zestawów w kierunku podłużnym, tym niemniej w wagonach silnikowych pojawiły się w niektórych zarządach kolejowych wózki silnikowe z radialnie nasta-wialnymi zestawami kołowymi, np. wózki do jednostki elektrycznej ET403 lub LD70.

Środki konstrukcyjne przyczyniające się do zmniejszenia siły prowadzącej w łuku

W zależności od charakteru siły prowadzącej Y, tzn. czy ma się do czynienia ze składową statyczną Yst lub dynamiczną Yd, stosuje się dla ich zmniejszenia odpowiednie środki konstrukcyjne.

Połączenie wózków za pomocą sprzęgu poprzecznego

Oprócz odpowiedniej (małej) sztywności cx prowadzenia zestawu kołowego w kierunku podłużnym w ramie wózka, co w połączeniu z profilem samocentrującym koła zapewnia radialne ustawienie się zestawu w łuku, stosuje się w przypadku lokomotyw kursujących po liniach obfitujących w łuki o małych promieniach, sprzęg międzywóżkowy.

Rys. 6. Zasada działania sprzęgu międzywózkowego

Sprzęg międzywóżkowy przyczynia się do zmniejszenia siły kierującej P1(a więc również i statycznej Składowej siły prowadzącej Yj) oraz kąta nabiegania a. W związku z tym zmniejsza się również iloczyn Px . a, a tym samym również współczynnik Z określający stopień zużywania się obrzeży i szyn w łukach (por. wzór 8).
Na rysunku 6 jest wyjaśniony sposób działania sprzęgu międzywózkowego na przykładzie dwóch wózków ustawionych w łuku torowym o promieniu 300 m. Literami c względnie c' oznaczono dwa schematycznie przedstawione wózki, które nie są połączone ze sobą sprzęgiem. Przednie zestawy kołowe obu wózków nabiegają na szynę zewnętrzną, a tylne zestawy tych wózków zajmują tzw. położenie swobodne (nie nabiegają na żadną z szyn). Kąt nabiegania pierwszego zestawu kołowego oznaczono przez ac. Jeśli teraz w środku podwozia lokomotywy, a więc na końcu dyszli sprzęgu 'poprzecznego, przyłożona zostanie siła K, działająca w kierunku na zewnątrz łuku, wówczas tylna część wózka przedniego obrócona zostanie w kierunku szyny zewnętrznej, co w skrajnym przypadku spowoduje tzw. cięciwowe ustawienie się przedniego wazka. O ile przyłoży się taką samą siłę KII = KI o przeciwnym zwrocie na przedni koniec tylnego wózka, wówczas drugi wózek będzie przemieszczał się swą tylną osią również w kierunku na wewnątrz łuku.Dla określonych sił w sorzesu miedzywózko-wymdla sprzęgu sprężystego) oba wózki zajmą zdeterminowane położenie równowagi (oznaczone na rys. 6 przez d i d'), przy którym powstanie określona siła kierująca Pt i kąt nabiegania ad; przy czym jest mniejszy od
Tak więc sprzęg międzywóżkowy przyczynia się w dwojaki sposób do zmniejszania siły prowadzącej, a mianowicie:
- bezpośrednio, gdyż siłyzmniejszając momenty oporowe powstałe pnzy wpisywaniu się obu wózków w łuk, zmniejszają irównież statyczne siły prowadzące na przednich zestawach tych wózków,
- pośrednie, gdyż zmniejszając kąt nabiegania z ae na aa przyczyniają się ido zmniejszenia poprzecznego współczynnika tarcia siły, a tym samym i statycznej składowej siły Y.
Na rysunku 7 został zilustrowany wpływ sprzęgu międzywózkowego na zmniejszenie ąuasistatycznej siły prowadzącej w lokomotywie o układzie osi CoCo. Z wykresu widać, że przy istnieniu sprzęgu międzywózkowego następuje zmniejszenie siły prowadzącej Y w łukach aż do promienia około 600 - 700 m wzwyż. Oczywiście, skuteczność sprzęgu na zmniejszenie sił prowadzących jest tym większa, im mniejszy jest promień łuku. I tak, np. w łuku o promieniu R - 300 m zmniejszenie siły prowadzącej Y wynosi około 45 kN (4,5 t), co stanowi 33,3% siły występującej w lokomotywie bez sprzęgu, zaś w łuku o promieniu R = 600 m siła ta jest jeszcze o 15 kN mniejsza niż w lokomotywie bez sprzęgu międzywózkowego.

 

Rys. 7.
Wpływ sprzęgu międzywózkowego na zmniejszenie sił prowadzących Y w lokomotywie Codo

Rys. 8.
Możliwość zabudowy sprzęgu międzywózkowego na lokomotywie iz trzema wózkami

Fakt ten jest powodem, że w krajach mających dużą ilość linii górskich, obfitujących w łuki o małych promieniach (jak np. na kolejach szwajcarskich (SBB), austriackich (ÖBB), czy zachodnioniemieekich (DB) większość lokomotyw jest wyposażona w sprzęgi między wózkowe.
Z badań COBiRTK prowadzonych w lokomotywie elektrycznej ET22 i lokomotywach spalinowych SM31 i SU46, w czasie których mierzono siłę poprzeczną Hy, uzyskano potwierdzenie tezy o korzystnym wpływie sprzęgu międzywózkowego na zmniejszenie poprzecznego oddziaływania lokomotyw na tor. W związku z tym na niektórych lokomotywach, przeznaczonych do eksploatacji na liniach obfitujących w dużą ilość "ostrych" łuków, stosuje się sprzęg międzywóżkowy.
Niekiedy zamiast układu osi CoCo stosuje się dla lokomotyw górskich potrójny układ BoBoBo. Możliwość zabudowy sprzęgu międzywózkowego w takich lokomotywach jest pokazana na ryskunku 8.

Zestawy kołowe ułożyskowane sprężyście w kierunku poprzecznym

Poprzeczne, sprężyste ułożyskowanie zestawów kołowych, zapewniające połączenie ich z ramą wózka, zmniejsza w dużym stopniu dynamiczną składową Y1ad siły prowadzącej przy nagłych obrotach wózków, wywoływanych nie- . równościami toru w łukach (duże różnice strzałek krzywizn łuku) lub przejazdem przez rozjazdy o gorszym stanie utrzymania. Tego rodzaju rozwiązanie stosuje się w przypadku wózków dwuosiowych, we wszystkich zestawach kołowych, natomiast w lokomotywach z wózkami trzyosiowymi, sprężyste ułożyskowanie zapewnia się tylko krańcowym zestawom każdego wózka. Optymalną charakterystykę sprężystego ułożyskowania (napięcie wstępne i współczynnik sprężystości) dobiera się w zależności od stosunku wartości średniej do maksymalnej siły łożyskowej oraz od będącego do dyspozycji sprężystego ugięcia. Ten środek konstrukcyjny działa tym skuteczniej, im jest większy moment bezwładności wózka względem osi pionowej Z.
Na rysunku 9 jest pokazany przebieg sumarycznej (maksymalnej) siły prowadzącej i lo W zależności od prędkości jazdy v, przy różnych rozwiązaniach konstrukcyjnych podwozia lokomotyw. Sprężysty przesuw poprzeczny zestawu kołowego powoduje obniżenie składowej dynamicznej Yiad, a tym samym i sumarycznej siły prowadzącej Yla w czasie jazdy po łuku o promieniu 300 m o wartości 25% -30% w zależności od prędkości jazdy. Rozpatrywany łuk wykazywał znaczne poprzeczne deformacje toru. Z rysunku 9 widać wyraźnie wpływ stosowanego układu osi na przebieg sił prowadzących. W przypadku wózków dwuosiowych 3 siły Y przebiegają na znacznie niższym poziomie niż dla lokomotywy wyposażonej w wózki trzyosio-we 1. Jest to powodem tego, że dla linii obfitujących w "ostre" łuki, preferuje się do eksploatacji lokomotywy BoBo, a nie lokomotywy CoCo.

 

Rys. 9.
Porównanie sił prowadzących Y w łuku o (promieniu 300 m dla lokomotyw kolei szwajcarskich o układzie osi BoBo oraz CoCo i nacisku 20 t/oś

W przypadku wymaganej dużej mocy, a więc i tym samym dużego ciężaru napędnego, stosuje się - z przyczyn lepszego wpisywania się w łuki - lokomotywy sześcioosiowe o układzie osi BoBoBo lub ośmioosiowe lokomotywy dwuczłonowe o układzie osi BoBo + BoBo.

Urządzenia smarujące obrzeża kół

Dla poprawienia warunków współpracy koła z szyną, szczególnie w czasie jazdy taboru kolejowego po łukach o małym promieniu, stosuje się smarowanie miejsc najbardziej narażonych na zużycie cierne. Przyczyną tych zużyć jest siła tarcia występująca w miejscu styku koła z szyną. Siły te osiągają największe wartości w pojazdach trakcyjnych. Z tego powodu urządzenia smarujące instaluje się w lokomotywach i wagonach silnikowych. Zawsze są smarowane skrajne zestawy pojazdu (pierwszy i ostatni), a w przypadku lokomotyw o układzie osi CoCo skrajne zestawy obu wózków (rys. 10). Smarowanie obniża współczynnik tarcia i zmniejsza wprost proporcjonalnie intensywność zużycia kół.

 

Rys. 10.
Miejsce smarowania obrzeży w lokomotywach zależnie od układu osi

Stosuje się je tylko w miejscu bocznego styku obrzeża koła z wewnętrzną powierzchnią główki szyny (rys. 11), a sposób doprowadzenia środka smarnego zabezpiecza przed przedostaniem się jego na powierzchnie boczną kół i szyn. Ma to istotne znaczenie, aby nie spowodować obniżenia przyczepności kół i szyn na powierzchniach, na których jest rozwijana siła pociągowa i siła tarcia przy hamowaniu klockowym.

 

Rys. 12.
Tempo zużycia obrzeży przy różnych urządzeniach smarujących

W zależności od profilu linii kolejowej intensywność zużycia obrzeża kół w lokomotywach jest różna. Badania prowadzone przez różne zarządy kolejowe wykazały, że lokomotywy bez urządzeń smarujących obsługujące linie o trudnym profilu mają przebiegi między przetocze-niami obręczy od 8000 do 35000 km. Po wprowadzeniu w tych lokomotywach urządzeń do smarowania uzyskano w tych samych warunkach eksploatacji 2-3-krotny wzrost przebiegu między przetoczeniami zestawów kół. Uzyskano zatem trzykrotnie większą trwałość obręczy. Dodatkowym zyskiem ze stosowania smarowania jest zmniejszenie zużycia szyn. Na liniach obfitujących w łuki o małych promieniach stwierdzono nawet dwukrotnie większą ich trwałość. Dzięki stosowaniu smarowania tylko w niektórych lokomotywach kursujących na danej linii poprawiają się w zauważalnym stopniu przebiegi między przetoczeniami obręczy również w innych lokomotywach (bez urządzeń smarujących) eksploatowanych w tych samych warunkach. Jest to spowodowane smarowaniem pośrednim przez smar pozostawiony na powierzchniach bocznych szyn przez lokomotywy z urządzeniami smarującymi. Typ urządzenia smarującego ma zasadniczy wpływ na zmniejszenie intensywności zużycia obrzeży (rys. 12).
Zaletami urządzeń do smarowania obrzeży kół w lokomotywach są:
- oszczędność wysokogatunkowych stali obręczy i szyn, 
- zmniejszenie pracochłonności przy utrzymaniu zestawów kołowych (rzadsze przetaczanie),
- zmniejszenie przestojów pojazdów trakcyjnych w lokomotywowniach i zakładach naprawczych dla przetaczania i wymiany obręczy,
- obniżenie oporów ruchu, skąd wypływa oszczędność energii elektrycznej bądź paliwa,
- zmniejszenie kosztów utrzymania nawierzchni (wymiany szyn),
- ograniczenie czasów zamknięć torowych dla wymiany szyn,
- podniesienie bezpieczeństwa przed wykolejeniem.
Urządzenia smarujące można usystematyzować według różnorodnych kryteriów:
- miejsca instalacji:
- w torze,
- na pojeździe trakcyjnym;
- rodzaju smaru:
- ciekły olej,
- smar gęsty,
- smar twardy;
- sposób sterowania podawaniem smaru:
- w zależności od przebytej drogi,
- w zależności od przechyłki toru,
- w zależności od promienia łuku,
- w izależności od ruchu wężykowego pojazdu;
- sposobu nanoszenia smaru na powierzchnię smarowaną:
 - rozpylanie,
- ściekanie z dyszy (grawitacyjne),
- nanoszenie;
- elementu smarowanego:
- obrzeże koła,
- wewnętrzna powierzchnia główki szyny.
Na kolejach europejskich i w innych zarządach kolejowych są stosowane różnorodne typy urządzeń smarujących. Bardziej rozpowszechniły się urządzenia instalowane w lokomotywach od urządzeń stacjonarnych zakładanych w torach przed łukami o małych promieniach. Urządzenia przytorowe z uwagi na rozmieszczenie na sieci kolejowej sprawiają kłopoty z konserwacją.

Rys. 13.
Urządzenie smarujące Nalco Moly Stick

Rys. 15.
Urządzenie smarujące De Iimon

Rys. 16.
Urządzenie smarujące obrzeże Secheron

Natomiast urządzenia zainstalowane w pojeździe sprawiają mniej kłopotu z utrzymaniem, a przemieszczając się wraz z lokomotywą, rozprowadzają smar na całej linii.
Smarowanie obrzeża kół zrealizowano najprościej za pomocą pręcików ze smaru stałego. Pręcik smarujący mocowano w uchwycie ustawionym na ramie wózka. Znajdował się w stałym kontakcie ze smarowaną powierzchnią, a smar był rozprowadzony przez ścieranie i dzięki swej konsystencji przylegał ściśle do powierzchni. Oprócz prostoty budowy i działania, zaletą jest również to, że do stałego smaru nie przyczepia się piasek i pył z klocków hamulcowych. Skuteczność smarowania była niewielka. Przykładem tego rozwiązania jest urządzenie smarujące Nalco Moly Stick (rys. 13).
Bardziej rozbudowanym urządzeniem smarującym jest rozwiązanie Friedmana (rys. 14). Jest to urządzenie stosowane jako jedyne o szerszym zasięgu w taborze PKP (lokomotywy spalinowe St43). Pracuje ono na zasadzie gęstego smaru, który dzięki pompie tłokowej jest przetłaczany ze zbiornika do dysz usytuowanych przy obrzeżach. Pompa smarowa jest napędzana mechanicznie od osi zestawu kołowego. Częstotliwość podawania smaru jest zależna od przebytej drogi i może być nastawiana dla warunków eksploatacyjnych. Odległość dyszy od obrzeża reguluje się w miarę zużycia koła. Wadą rozwiązania jest odrzucanie smaru z koła pod działaniem siły odśrodkowej oraz częste zatykanie się otworu dyszy pyłem z klocków hamulcowych. Efektywność jest niewielka w porównaniu z nowszymi rozwiązaniami. Dlatego też rozwiązanie to ulepszono przez wprowadzenie natrysku smaru za pomocą sprężonego powietrza. Rozwiązaniem podobnym do ulepszonego Friedmana jest urządzenie smarujące De Limon (rys. 15). Czynnikiem smarującym jest , gęsty smar dostarczany i dozowany do dysz mechaniczną pompą, a natryskiwany na obrzeże sprężonym powietrzem. Do nowej generacji urządzeń smarujących należy urządzenie typu Secheron (rys. 16). Jest ono bardzo rozpowszechnione na kolejach europejskich. Urządzenie to montowano w lokomotywach elektrycznych CoCo (odpowiednik lokomotywy ET22) produkowanych przez "Pafawag" dla Maroka.

Rys. 17.
Urządzenie smarujące Willy Vogel

Rys.18
Urządzenie smarujące Kinki Nippon I
Urządzenie smarujące Kinki Nippon II

 

Czynnikiem smarującym jest specjalny olej charakteryzujący się małą lepkością w momencie rozpylenia z wtryskiwacza oraz dużą przyczepnością do natryśniętej powierzchni i wytrzymałością na duże naciski. Urządzenie Secheron składa się z podstawowych części: aparatu sterującego, rozdzielacza, systemu rozpylenia smaru.
Aparat sterowania elektronicznego jest podłączony do szybkościomierza i w zależności od nastawionej częstotliwości smarowania przesyła impulsy do zaworu elektromagnetycznego, który przepuszcza sprężone powietrze do rozdzielacza i dysz rozpylających. Rozdzielacz przy każdym impulsie z układu sterującego dozuje określoną ilość oleju, która pod ciśnieniem jest wytryskiwana z dyszy na powierzchnię obrzeża koła.

Rys. 20
Urządzenie smarujące Fuji

Urządzenie to jest bardzo efektywne i zużywa mało oleju (ok. 3 cmVkm). Podobne działanie do opisanego ma urządzenie Willy Vogel (rys. 17).
Na kolejach japońskich są stosowane urządzenia smarujące Kinki Nippon Railway typ I i II (rys. 18 i 19), które są umieszczone na wózkach lokomotyw, ale smarują boczną wewnętrzną powierzchnię główki szyny. Czynnikiem smarującym jest olej. Proces smarowania jest ciągły podczas jazdy w łuku i cykliczny podczas jazdy po torze prostym. Ciągłym podawaniem oleju na powierzchnię smarowaną steruje specjalny zawór. Jest to bardzo istotna korzyść stosowania tego urządzenia, gdyż smarowanie jest najintensywniejsze wtedy, kiedy występują największe siły tarcia. Rozwiązanie II (ulepszone) różni się od rozwiązania I tym, że zamiast dysz natryskujących olej na szynę zastosowano rolkę rozprowadzającą środek smarujący po bocznej powierzchni szyny.
W innym rozwiązaniu japońskim Fuji (rys. 20) zastosowano również rolkę smarującą, lecz rozprowadza ona olej po obrzeżu koła. Intensywność smarowania rośnie ze wzrostem prędkości obwodowej koła, co jest wynikiem działania siły odśrodkowej na cząsteczki oleju znajdujące się na rolce smarującej. Urządzenie charakteryzuje się niedużym zużyciem oleju wynoszącym ok. 1 cm3/km. Stosowanie smarowania obrzeży kół i wewnętrznej powierzchni szyn prowadzi do oszczędniejszej eksploatacji taboru kolejowego i nawierzchni. Temat ten został również podjęty w pracy OSŻD pt.: "Zapobieganie zużyciom obrzeży kół pojazdów trakcyjnych i szyn występujących przy jeździe w krzywiznach toru o promieniu mniejszym od 500 m". Opracowano w nim m. in. zalecenia dla zarządów kolejowych należących do tej organizacji, aby w lokomotywach eksploatowanych na liniach obfitujących w łuki o małych promieniach były instalowane urządzenia do smarowania obrzeży kół.