Hamulec wagonów towarowych – perspektywy rozwoju* Dr in. Pawe Urbaczyk, mgr in. Krzysztof Plewniak, Laboratorium Bada Taboru, Pracownia Hamulców, Instytut Kolejnictwa.
PAWE URBACZYK, KRZYSZTOF PLEWNIAK*
HAMULEC WAGONÓW TOWAROWYCH – PERSPEKTYWY ROZWOJU
FREIGHT CARS BRAKE – FUTURE DEVELOPMENT
S t r e s z c z e n i e
W artykule opisano konstrukcje obecnie stosowanych ukadów hamulcowych wagonów towa- rowych oraz perspektywy rozwoju.
Sowa kluczowe: wagony towarowe, hamulec klockowy, hamulec tarczowy
A b s t r a c t
In the present brake systems in freight cars and future of freight car brakes have been shown.
Keywords: freight cars, shoe brake, disc brake
318
Z rozwojem kolejnictwa nierozerwalnie wie si rozwój kolejowych systemów hamul- cowych. Rozwój ten przebiega na wielu paszczyznach i dotyczy przede wszystkim: udosko- nalania systemów sterowania hamulcem, zwikszania skutecznoci i niezawodnoci pracy hamulca oraz poszukiwania nowych rozwiza zapewniajcych ekonomiczn i niezawodn prac hamulca, szczególnie w sytuacjach awaryjnych.
Pocztkowe lata historii kolei zwizane s z hamulcem klockowym. W hamulec tego typu wyposaone byy zarówno pojazdy trakcyjne, jak równie wagony pasaerskie i to- warowe. Stopniowe zwikszanie prdkoci i mas poszczególnych pojazdów kolejowych oraz pocigów wymogo na konstruktorach wprowadzenie wielu udoskonale. Zmianom ulegaa konstrukcja czci pneumatycznej i mechanicznej hamulca, a take materiay cierne. W kocu zaczy si pojawia nowe typy hamulca, jak np. hamulec tarczowy oraz hamulce beztarciowe i niezalene od przyczepnoci koo–szyna.
Obecnie moemy zaobserwowa niezwyk sytuacj – z jednej strony hamulce taboru pasaerskiego, szczególnie zespoów trakcyjnych, dynamicznie si rozwijaj, wykorzystujc nawet rozwizania znane z lotnictwa (jak hamulec aerodynamiczny), natomiast z drugiej strony w rozwoju hamulców taboru towarowego obserwujemy wrcz stagnacj. Stosowa- ne obecnie rozwizania w swojej istocie niewiele róni si od konstrukcji znanych sprzed 100 i wicej lat.
2. Stan obecny
Obecnie w taborze towarowym dominujcym typem hamulca jest hamulec klockowy. Dla przykadu w Polsce jest w niego wyposaone niemal 100% wagonów towarowych. W innych krajach sytuacja jest bardzo zbliona i mona przyj, e nawet w najbardziej rozwinitych technologicznie zarzdach kolejowych odsetek wagonów z hamulcem klockowym to okoo 97%. Jedyn istotn rónic jest to, e w Polce 99% wagonów towarowych z hamulcem kloc- kowym wyposaonych jest we wstawki hamulcowe wykonane z eliwa, natomiast w krajach z modszym taborem jest to okoo 95%.
Po zakoczeniu epoki pary i rozpowszechnieniu si trakcji spalinowej oraz elektrycz- nej moliwe stao si zwikszenie prdkoci pocigów oraz ich mas brutto. To z kolei spo- wodowao konieczno unowoczenienia infrastruktury kolejowej oraz taboru, a zwaszcza ukadów biegowych i hamulcowych. Ze wzgldu na coraz wiksze energie hamowania oraz dziki coraz lepszemu poznawaniu procesów zwizanych z hamowaniem hamulec ten zmie- nia si. Najwaniejsze punkty zwrotne w jego historii to: – wprowadzenie podziau jednolitego klocka na obsad i wymienn wstawk hamulcow, – wprowadzenie klocków wielowstawkowych, – zastosowanie tworzyw sztucznych na materia cierny wstawek hamulcowych. Dla taboru towarowego w Europie szczególnie wanym momentem byo wprowadzenie
do eksploatacji wózków typu Y25 (rys. 1), co stao si w poowie ubiegego wieku. Na owe czasy bya to udana konstrukcja czca prostot, nowe rozwizania i dobre waciwoci biegowe. Wózek ten sta si standardowym wózkiem UIC i do dzisiaj jest wytwarzany w Eu- ropie przez wielu producentów.
319
Rys. 1. Wózek typu Y25 z klasycznym ukadem hamulca klockowego [2]
Fig. 1. Y25 bogie with traditional shoe-brake [2]
Od tego momentu zauway mona jednak zastój i niech do wprowadzania nowych rozwiza w wagonach towarowych, szczególnie wózkowych. Standardowym wagonem to- warowym w Europie sta si obecnie 4-osiowy, 2-wózkowy wagon na wózkach typu Y25, wyposaony w klasyczny ukad hamulca klockowego. Jedyn nowink w najnowszych kon- strukcjach jest stosowanie wstawek z materiaów kompozytowych w miejsce wstawek e- liwnych.
Mimo i pojawio si wiele nowych konstrukcji wózków, np. wózek LEILA lub Axiom Rail AMIII, to nadal dominuje, i to w konstrukcji nowych wagonów, wózek Y25 w wielu odmianach.
Podsumowujc, mona stwierdzi, e tabor towarowy tkwi obecnie w „kolejowym re- dniowieczu”.
3. Rozwój hamulca klockowego i powrót do przeszoci
Para cierna hamulca klockowego w pierwotnej formie skadaa si z koa i dociskane- go do niego klocka hamulcowego, który by jednolitym elementem wykonanym z eliwa (rys. 2, pierwsze zdjcie od lewej). Zwikszanie mocy hamowania i konieczno minima- lizacji negatywnych skutków procesu hamowania doprowadziy do podzielenia jednolitego klocka na obsad i wymienne wstawki hamulcowe (jedna do trzech w jednej obsadzie) – rys. 2 (klocek jednowstawkowy porodku i dwuwstawkowy po prawej).
Pocztkowo du popularnoci cieszyy si wózki typu Diamond (rys. 3), które stoso- wane byy ju przed II wojn wiatow, a po niej i do dzi powszechnie stosowane s w wa- gonach towarowych kolei amerykaskich, jak te w krajach byego ZSRR. Z punktu widze- nia hamulca istotny jest fakt, e koa w tych wózkach hamowane s jednostronnie, co nie zapewnia duej skutecznoci hamowania, lecz we wspomnianych wyej krajach wymagane minimalne drogi hamowania s dusze ni w Europie. Z tego wanie wzgldu w europej- skich zarzdach kolejowych najpopularniejszymi wózkami byy wózki znane w Polsce pod oznaczeniem 1XT, a nastpnie francuskiego pochodzenia wózki Y25. Obydwa typy wózków z reguy wyposaone byy w hamulec umoliwiajcy obustronne hamowanie kó.
320
Fig. 3. Diamond-type bogie [3]
Jak ju wczeniej wspomniano, obecnie dominuje wózek Y25, którego waciwoci bie- gowe nie s ju dzi uznawane za zadowalajce. Z kolei równie hamulec klockowy osign kres swoich moliwoci, który wyznaczaj dopuszczalne obcienia cieplne pary ciernej wstawka–koo. W praktyce oznacza to, e hamulec ten nie moe by stosowany w wago- nach, które kursowa mog z prdkociami powyej 120 km/h lub których masa hamujca przypadajca na o wynosi powyej 18 t.
Pomimo powyszych ogranicze hamulec klockowy jest nadal rozpowszechniony ze wzgldu na bardzo prost budow ukadu mechanicznego przekadni, niezawodno dziaa- nia i opanowan technologi obsugi.
Coraz wysze wymagania stawiane wspóczenie taborowi kolejowemu dotycz m.in. haasu, który emitowany jest przez wagony towarowe podczas ruchu. Niestety wagony z kla- sycznym ukadem hamulca klockowego wyposaone we wstawki eliwne nie speniaj obo- wizujcych dzi norm. Z tego wanie wzgldu podjto próby wyeliminowania jednego z najistotniejszych róde haasu – wysokiej chropowatoci i uszkodze powierzchni tocznej kó wspópracujcych ze wstawkami eliwnymi.
321
Jedn z metod okazao si zastosowanie w miejsce wstawek eliwnych – wstawek wy- konanych z tworzywa sztucznego. Powierzchnia wspópracujcych z nimi kó rzeczywicie cechuje si duo wysz jakoci, a dodatkowo wstawki te zuywaj si znacznie wolniej ni eliwne. Jednak nie wyeliminowano innych róde haasu, jakimi s np. lune elementy przekadni hamulcowej. Dodatkowo pojawio si wiele nowych problemów: zwikszone ob- cienia cieplne kó, wysoka tendencja do oblodzenia wstawek w warunkach zimowych czy te podatno na uszkodzenia wstawek wskutek wysokich obcie cieplnych. Nie udao si równie opracowa takiego materiau ciernego, który byby w peni zamienny ze wstawkami eliwnymi w dotychczas eksploatowanych wagonach, na skutek czego wstawki z tworzywa sztucznego stosowane s wycznie w wagonach nowych lub gboko modernizowanych.
Dalsze prace nad sprostaniem obowizujcym wymaganiom doprowadziy producentów ukadów hamulcowych do pomysu zabudowy caej przekadni hamulcowej na wózku. Tak powstay m.in. rozwizania zaprezentowane na rys. 4–5. Rozwizania te proponowane s najczciej w wersji zabudowanej na wózku Y25. Powstao te kilka nowych typów wóz- ków, jednak w znacznej czci opieraj si one na przestarzaej konstrukcji wózków Y25.
Opisane wyej rozwizania bez wtpienia przyczyniaj si do eliminacji czci wad kla- sycznego ukadu hamulca klockowego, jednak eliminuj równie podstawow jego zalet, dla której tak trudno rozsta si z nim w taborze towarowym – prostot budowy. Dodatkowo naley pamita, e zredukowanie o poow liczby klocków hamulcowych powoduje ko- nieczno ponad dwukrotnego zwikszenia si docisku wstawek hamulcowych do kó, a to moe jeszcze spotgowa problemy, które dla wstawek kompozytowych nie zostay dotych- czas w peni rozwizane – wraliwo na wysokie obcienia cieplne i tendencj do pkania wstawek.
Nasuwa si równie wniosek, e zamiast postpu w dziedzinie hamulca dla wagonów towarowych mamy ju nie tylko stagnacj, lecz wrcz cofamy si do rozwiza z lat 20. ubiegego wieku, jakimi byy wózki Diamonda z jednostronnie hamowanymi koami!
Rys. 4. Ukad hamulca klockowego jednostronnego na wózku (typ BFCB produkcji Faiveley) [5]
Fig. 4. Single sided shoe-brake on the bogie (type BFCB from Faiveley) [5]
322
Rys. 5. Ukad hamulca klockowego na wózku (typ CFCB produkcji Knorr-Bremse) [1]
Fig. 5. Single sided shoe-brake on the bogie (type CFCB from Knorr-Bremse) [1]
4. Przyszo hamulca w wagonach towarowych
Wobec osignicia kresu moliwoci hamulca klockowego, jego wielu ogranicze oraz coraz nowszych i restrykcyjniejszych wymaga stawianych taborowi towarowemu naley sobie zada pytanie: jak drog pody jego rozwój?
ledzc rozwój ukadów hamulcowych w taborze pasaerskim, mona stwierdzi, e po hamulcu klockowym kolejnym krokiem w postpie jest hamulec tarczowy, a nastpnie ha- mulce niezalene od przyczepnoci koo–szyna, jak: hamulec szynowy elektromagnetyczny czy wiroprdowy. Ze wzgldu na fakt, e wagony towarowe nie posiadaj zasilania w ener- gi elektryczn, najlepszym rozwizaniem wydaje si zastosowanie hamulca tarczowego.
Zastosowanie hamulca tarczowego umoliwia zwikszenie realizowanych mocy hamo- wania przy jednoczenie znacznym obnieniu poziomu emitowanego haasu nie tylko dzi- ki poprawieniu jakoci powierzchni tocznej kó, ale równie dziki wyeliminowaniu wielu elementów klasycznej przekadni hamulcowej, które ze wzgldu na charakter pocze s równie powanym ródem haasu. Hamulce tarczowe ju od dziesitków lat stosowane s w taborze pasaerskim i w pojazdach trakcyjnych. Konstrukcja poszczególnych elemen- tów i podzespoów tego hamulca jest dopracowana, nowoczesne technologie sprawiaj, e koszt produkcji jest niszy ni przed laty, zdobyto te wiele dowiadcze eksploatacyjnych i zgromadzono pokane iloci danych zarejestrowanych podczas bada. Zasadnicz wad hamulca tarczowego jest brak efektu oczyszczania powierzchni tocznej kó przez klocki ha- mulcowe (szczególnie dla wstawek eliwnych) oraz zwikszenie masy nieusprynowanej, natomiast najwaniejsz zalet jest moliwo optymalizacji materiau i konstrukcji kó pod ktem dobrych waciwoci biegowych, a tarcz hamulcowych pod ktem dobrych waciwo- ci ciernych i skutecznego odprowadzania ciepa wydzielanego w procesie hamowania. Nie do przecenienia jest fakt, e uszkodzenie tarczy hamulcowej wskutek np. nieprawidowej pracy lub przecienia hamulca nie ma zasadniczo wpywu na prawidowo biegu wagonu,
323
w przeciwiestwie do hamulca klockowego, gdzie uszkodzenie koa, bdcego równocze- nie elementem pary ciernej hamulca, moe doprowadzi do wykolejenia i katastrofy.
W taborze towarowym podejmowano ju wielokrotnie próby zastosowania hamulca tarczowego. Wysiki konstruktorów zmierzay zasadniczo w dwóch kierunkach: zastosowa- nie nowego typu hamulca w wózkach powszechnie stosowanych (rozumie przez to nale- y przede wszystkim niemiertelny wózek Y25), jak równie opracowanie cakowicie no- wych konstrukcji wózków, dziki czemu mona si liczy nie tylko z popraw skutecznoci i niezawodnoci pracy hamulca, ale co równie istotne, z popraw waciwoci biegowych i zmniejszeniem szkodliwego oddziaywania pojazdów na tor. Reprezentantem pierwsze- go kierunku rozwoju jest m.in. polskie rozwizanie zaprezentowane na rys. 6. Konstrukcja ta, badana przez Instytut Kolejnictwa (wówczas pod nazw Centrum Naukowo-Techniczne Kolejnictwa), opiera si dalej na wózku Y25, jednak hamulec tarczowy zabudowano na ze- stawach SUW 2000 umoliwiajcych zmian rozstawu kó odpowiednio dla linii normalno- i szerokotorowych. Przykadem drugiego kierunku rozwoju jest np. wózek LEILA, opraco- wany w Technical University Berlin (rys. 7).
Rys. 6. Hamulec tarczowy i zestawy SUW-2000 na wózku Y25
Fig. 6. Disc brake and SUW 2000 wheelsets on the Y25 bogie
Rys. 7. Wózek LEILA przeznaczony dla wagonów towarowych [4]
Fig. 7. LEILA bogie for freight cars [4]
324
Oczywicie w specjalistycznych szybkich pocigach towarowych ju od kilkunastu lat stosowane s nie tylko hamulce tarczowe, lecz równie inne typy hamulców znane z poci- gów pasaerskich. W ogólnej liczbie wagonów towarowych stanowi one jednak niewielki procent i sytuacja ta nie zmieni si w najbliszej przyszoci.
Niestety opisane powyej rozwizania nie przyjy si na wiksz skal i stanowi one raczej przykad eksperymentu ni praktycznego zastosowania.
5. Przyczyny stagnacji
Analiza sytuacji i rozwiza opisanych w poprzednich punktach niniejszego artykuu nasuwa wniosek, e wysiki konstruktorów wagonów towarowych i ukadów hamulcowych kr wci przede wszystkim wokó hamulca klockowego i wózka Y25.
Wprowadzenie do eksploatacji wstawek hamulcowych wykonanych z tworzywa sztucz- nego, wbrew pocztkowym zamierzeniom, nie powoduje obnienia poziomu haasu emi- towanego przez eksploatowane obecnie pocigi. Wynika to z faktu, e wstawki te nie s zamienne ze wstawkami eliwnymi i mog by stosowane jedynie w ukadach hamulcowych projektowanych do wspópracy z tego typu wstawkami. Sprawia to, e cichsze s jedynie wagony nowe, stanowice niewielki procent ogólnego ilostanu wagonów towarowych.
Nieustanne próby doskonalenia hamulca klockowego jak te konstrukcji wózka typu Y25 w duszej perspektywie wydaj si lepym zaukiem, gdy obydwa rozwizania osigny ju kres swoich moliwoci, a ich kilkudziesicio (wózek Y25) i ponad stuletnia (hamulec klockowy) historia powinny by powoli koczone. Wprowadzanie dzi do ruchu nowych wagonów na wózkach Y25 wyposaonych w hamulec klockowy, ze wzgldu na przewidy- wany na okoo 30–40 lat okres eksploatacji wagonu towarowego, sprawia e rozwizanie to ma szanse doy wspólnych 100 lat na torach! Jake odlege jest to od rozwoju nie tylko w innych gaziach transportu, ale równie w kolejowym transporcie pasaerskim.
Podstawow do niedawna przyczyn, dla której zarzdy kolejowe nie decydoway si stosowa w nowych wagonach innych rozwiza ni tradycyjne wózki Y25 z hamulcem klockowym byy oczywicie koszty. Obecnie konkurencja na rynku i rozwój technologii sprawiy, e proporcje cenowe zmieniy si na korzy hamulca tarczowego, zwaszcza w porównaniu z propagowanymi ostatnio rozwizaniami hamulca z jednostronnym hamo- waniem kó. Dodatkow, nie mniej istotn przyczyn niechci do stosowania nowoczesnych rozwiza jest obawa przed koniecznoci rozbudowy zaplecza naprawczego, bazy czci zamiennych oraz szkolenia personelu.
Taki tok rozumowania jest uzasadniony ekonomicznie, ale w krótkim okresie. Inwestycja w nowe rozwizania z pewnoci zwróci si z nawizk po duszym okresie eksploatacji taboru, choby dziki wyeliminowaniu problemów nierozerwalnie zwizanych z hamulcem klockowym, jak np. pkanie i wykruszenia wstawek hamulcowych, które s przyczyn wy- czania wagonów z eksploatacji.
Dobr form rekompensaty dla eksploatujcych wagony z nowoczesnym ukadem bie- gowym i hamulcowym byoby wprowadzenie preferencyjnych opat za korzystanie z linii kolejowych, gdy rozwizania te zapewniaj nie tylko zmniejszenie emisji haasu, ale rów- nie ograniczenie niekorzystnych oddziaywa pojazdu na tor. Obecnie ju s stosowane pre- ferencyjne opaty dla wagonów z hamulcem innym ni klockowy ze wstawkami eliwnymi.
325
Od poowy ubiegego wieku obserwuje si stagnacj w rozwoju ukadów hamulcowych wagonów towarowych – dominujcym do dzi rozwizaniem jest wagon na wózkach typu Y25 z hamulcem klockowym. Nieliczne nowe rozwizania rzadko, niestety, wykraczaj poza faz eksperymentu. Przyczyn takiego stanu rzeczy jest obawa eksploatujcych przed po- niesieniem wikszych kosztów zwizanych z zakupem nowoczesnego taboru, zrónicowa- niem bazy czci zamiennych oraz szkoleniem personelu. Naley jednak przypuszcza, e wprowadzenie nowoczesnego taboru, podniesienie kwalifikacji personelu oraz ogólne pod- niesienie poziomu technicznego w duszym czasie powinny owocowa niszymi kosztami eksploatacji i redukcj liczby usterek oraz zwizanych z nimi wycze wagonów z uytko- wania.
Dodatkow form promowania nowoczesnych, a wic przyjaznych dla toru i otoczenia rozwiza byoby wprowadzenie niszych opat za korzystanie z infrastruktury kolejowej dla wagonów z nowoczesnymi rozwizaniami.
L i t e r a t u r a
[1] Development, Testing and TSI-Certification of the New Bogie Mounted Tread Brake Unit for Freight Cars, Knorr-Bremse, Graz, 16.09.2008.
[2] http://atc.sjf.stuba.sk, Autorizované školiace centrum pre MSC.ADAMS, 2011. [3] http://pl.wikipedia.org, 2011. [4] LEILA – a new cost-effective and environmentally friendly rail freight bogie, Berlin
Univeristy of Technology,14.06.2005. [5] Materiay reklamowe firmy Faiveley, 2010.