Kolej

Powrót

Rodzaje podwozi i wózki:

Dynamika, oparcia nadwozi na wózkach i usprężynowanie:

Pojazdy szynowe poruszają się w kierunku wyznaczonym przez tor - jest to tzw ruch podstawowy pojazdu, który jest zaburzany ruchami szkodliwymi, które wywołują obciążenia pochodzące od nierówności toru oraz luzów pomiędzy szynami, a obrzeżami zestawów kołowych.
Odpowiednia konstrukcja wózków, ich zawieszenia w tym stosowanie elementów dwustopniowego usprężynowania, czyli więzów sprężystych pomiędzy korpusami maźnic zestawów kołowych, a ramą wózka oraz pomiędzy ramą wózka, a nadwoziem pojazdu wpływa na zmniejszanie szkodliwych obciążeń dynamicznych poziomych i pionowych powstających podczas jazdy zapewniając jednocześnie wymaganą spokojność biegu pojazdu. Należy tu zauważyć, że obciążenia szkodliwe są tym większe im większa jest prędkość jazdy pojazdu.

Usprężynowanie powinno więc mieć wpływ na zmniejszenie wrażliwości pojazdu w stosunku do stanu toru.
Przy projektowaniu miękkości usprężynowania pionowego pojazdu należy zachować dopuszczalną stateczność poprzeczną pojazdu, co jest szczególnie ważne, przy elektrycznych pojazdach trakcyjnych ze względu na współpracę ich odbieraka prądu (pantografu) z siecią trakcyjną. Nadmiernie wychylenie boczne pudła pojazdu mogłoby spowodować zesunięcie się przewodu jezdnego poza obszar roboczy części ślizgowej odbieraków.

Występujące drgania podczas jazdy dzieli się na drgania proste i skrętne takie jak:
- szarpania - drgania w kierunku wzdłużnym,
- przesunięcia boczne - drgania w kierunku poprzecznym,
- podskakiwania - drgania w kierunku pionowym,
- kołysania poprzeczne - drgania skrętne wokół osi wzdłużnej,
- pochylania (galopowanie) - drgania skrętne wokół osi poprzecznej,
- obracanie w płaszczyźnie poziomej - drgania skrętne wokół osi pionowej,


Do charakterystycznych niekorzystnych ruchów pojazdu należy wężykowanie, które występuje gdy podstawowy ruch pojazdu jest zakłócany przesunięciami poprzecznymi i ruchami obrotowymi wokół osi pionowej pojazdu.




Usprężynowanie i rodzaje sprężyn:

W powszechnie stosowanym, w taborze kolejowym dwustopniowym usprężynowaniu pierwszy stopień usprężynowania tworzy filtr mechaniczny tłumiący i amortyzujący drgania przenoszone z zestawu kołowego na ramę wózka. W skład tego stopnia usprężynowania wchodzą wszystkie więzy sprężyste zastosowane w pojeździe pomiędzy maźnicami (łożyskami głównymi) zestawów kołowych, a ramą wózka lub ostoją pojazdu w pojazdach ostojnicowych.
Elementami sprężystymi w tym rozwiązaniu są w starszych pojazdach sprężyny stalowe piórowe (resory), a w nowszych konstrukcjach sprężyny śrubowe naciskowe (pojedyncze lub wielokrotne), sprężyny gumowe lub sprężyny metalowo - gumowe.

 
I st. usprężynowania - sprężyny metalowo-gumowe klinowe

 
I st. usprężynowania - resor piórowy i sprężyny śrubowe



Jeżeli ramy wózków oparte są na maźnicach poprzez niezależne od siebie zespoły sprężyn to w pojeździe zastosowano indywidualne usprężynowanie wózków.
Jeżeli natomiast sprężyny usprężynowania poszczególnych zestawów kołowych są powiązane między sobą np. wahaczami, to taki układ nazywamy usprężynowaniem sprzężonym. Rozwiązanie takie spotykane jest w lokomotywach z wózkami trzyosiowymi (np. ET22, SM31).

 
Usprężynowanie I stopnia sprzężone (SM31)





Drugi stopień usprężynowania tworzy filtr mechaniczny tłumiący i amortyzujący drgania przenoszone z wózka na nadwozie. Elementami sprężystymi w tym rozwiązaniu mogą być sprężyny śrubowe naciskowe lub dwufunkcyjne, sprężyny pneumatyczne, sprężyny metalowo - gumowe lub czasem sprężyny gumowe.

 
II st. usprężynowania - sprężyny śrubowe i tłumik hydr.


   
II st. usprężynowania - sprężyna pneumatyczna i tłumiki hydr.



Zastosowane elementy sprężyste są dobierane w zależności od prędkości jazdy pojazdu, jego masy oraz typu zastosowanych rozwiązań prowadzenia zestawów kołowych czy też podparć nadwozia itp. W przypadku stosowania sprężyn śrubowych lub powietrznych ze względu na bark występującego w nich tarcia współpracują one z tłumikami hydraulicznymi.

Rodzaje sprężyn:

1) Sprężyny stalowe piórowe (resory) składają się z zespołu płaskich sprężyn zwanych piórami, które części środkowej ujęte są opaską z zaciśniętym klinem.
Pióra dzielące się w zależności od konstrukcji na główne i podpierające układane są na sobie w malejącej długości.
Ponieważ resory wykazują dość dużą sztywność, aby zwiększyć elastyczność więzu na końcach piór głównych stosuje się dodatkowe gumowe amortyzatory lub sprężyny śrubowe (dot. I st. usprężynowania).

 
Sprężyna stalowa piórowa - resor (opis na pow.)




2) Sprężyny śrubowe walcowe to odpowiednio nawinięte na gorąco pręty o przekroju kołowym. Sprężyny takie mogą być prawo lub lewoskrętne w zależności od kierunku ich nawijania.
W zależności od konstrukcji pojazdu mogą one pracować w wersji pojedynczej lub wielokrotnej. Wielokrotność polega na zastosowaniu współosiowo zamontowanych sprężyn przeciwnie skręconych (jedna sprężyna w drugiej).
Sprężyny śrubowe dzielą się na: sprężyny naciskowe, przenoszące tylko ruchy wzdłuż ich osi (stosowane w I i II st. usprężynowania) oraz sprężyny dwufunkcyjne typu „flexiciol”, czyli w tłumaczeniu „giętka spirala” przenoszące zarówno ruchy wzdłuż ich osi jak również ruchy poprzeczne (stosowane tylko w II st. usprężynowania).
Sprężyny dwufunkcyjne z jednej strony osadza się w gniazdach na podłużnicach ramy wózka, a z drugiej strony wspiera się na nich nadwozie. Ponieważ ten typ sprężyn przenosi zarówno ruchy pionowe jak i poziome nie ma potrzeby stosowania pośrednich elementów oparć nadwozia takich jak np. belek bujakowych, czy skrętowych, które umożliwiają realizację ruchów wózka w płaszczyźnie poziomej (obrotów), gdyż możliwość tych ruchów zapewnia już praca tych sprężyn w płaszczyźnie poziomej.
Powyższe elementy oparć nadwozia są konieczne przy zastosowaniu sprężyn śrubowych naciskowych w II stopniu usprężynowania, gdyż w związku z wyłączną pracą pionową sprężyn nie ma możliwości jednoczesnej realizacji pracy wózka w płaszczyźnie poziomej.
Więcej informacji na temat konstrukcji pośrednich elementów oparć nadwozia w dalszej części.

 
Sprężyny śrubowe



Schemat sprężyny śrubowej
widok w przekroju - rysunek poglądowy



 
Sprężyny śrubowe naciskowe - wielokrotne (opis na pow.)


 
Sprężyny śrubowe dwufunkcyjne typu "flexicol" (opis na pow.)




3) sprężyny gumowe występują w postaci płyt płaskich lub kątowych, krążków, pierścieni stożkowych lub cylindrycznych. Mają dużą zdolność tłumienia drgań o wysokiej częstotliwości oraz dużą pojemność energetyczną względem masy.



4) sprężyny metalowo - gumowe to elastyczne bloki w których skład wchodzi guma (sprężyna gumowa) odpowiednio zwulkanizowana zwulkanizowana z elementami metalowymi. Wulkanizacja w tym przypadku polega na trwałym powleczeniu (sklejeniu) gumą elementów metalowych.
W I stopniu usprężynowania najczęściej stosuje się sprężyny metalowo – gumowe typu pierścieniowego lub klinowego.
W tych pierwszych pomiędzy pierścieniami gumowymi znajdują się pasy gumy natomiast środkiem tego zespołu biegnie kolumna prowadząca zestaw kołowy.
W rozwiązaniu klinowym, powszechnie stosowanym w nowych pojazdach trakcyjnych, sprężyna składa się z dwóch pakietów kątowych elementów gumowych przedzielonych kątowymi blaszkami.

 
Sprężyna metalowo - gumowa pierścieniowa, stożkowa


   
Sprężyna metalowo - gumowa klinowa



Sprężyny metalowo - gumowe klinowe spełniają w wózku podwójną rolę - oprócz usprężynowania odpowiadają bezpośrednio za prowadzenie zestawu kołowego (przenoszenie sił pociągowych) w wyniku czego nie ma potrzeby stosowania dodatkowych elementów prowadzenia (kolumn, wahaczy, cięgieł itp)


Wśród sprężyn metalowo-gumowych wyróżnia się również sprężyny dwufunkcyjne pracujące w płaszczyźnie poziomej i pionowej w II stopniu usprężynowania (analogicznie jak sprężyny typu „flexicoil”). Składają się one z pełnych krążków gumowych z zawulkanizowanymi metalowymi płytkami. Taki zespół (krążek + 2 płytki metalowe na czołach) ustawione są na sobie, a ich wzajemną pozycję ustalają krótkie czopy zlokalizowane w osi pionowej. Zespoły krążków (bloki) przenoszą obciążenia pionowe poprzez ściskanie, a poprzeczne poprzez ścinanie.

 
Sprężyna metalowo - gumowa dwufunkcyjna (opis na pow.)



Schemat sprężyny metalowo - gumowej dwufunkcyjnej
widok w przekroju - rysunek poglądowy


Innym typem sprężyny metalowo-gumowej dwufunkcyjnej jest rozwiązanie zastosowane w poniżej przedstawionej lokomotywie firmy GANZ. Drugi stopień usprężynowania realizują tu płaskie, kwadrtowe płyty gumowe zwulkanizowane z kwadratowymi płytkami metalowymi.

 
Sprężyny metalowo - gumowe dwufunkcyjne (kwadratowe)




5) sprężyny pneumatyczne występują w wersjach membranowych lub półtoriodalnych.
Sprężyny membranowe mają małą odkształcalność poprzeczną w związku z czym muszą być stosowane z pośrednimi elementami usprężynowania wózków takimi jak belki skrętowe, aby wózek prawidłowo pracował w płaszczyźnie poziomej zgodnie z kierunkiem toru.
Sprężyny półtoriodalne nie wymagają stosowania belek skrętowych, gdyż ze względu na inny kształt powłoki miecha mają właściwości umożliwiające dużą odkształcalność poprzeczną. Sprężyny półtoriodalne oparte są więc bezpośrednio na podłużnicach (belkach ostojnicowych) ramy wózka, a na nich spoczywa nadwozie pojazdu.
Sprężyna pneumatyczna składa się z płyty mocującej, pierścienia, powłoki gumowej zwanej miechem sprężyny pneumatycznej wypełnionej sprężonym powietrzem oraz sprężyny dodatkowej. Sprężyna dodatkowa pełni funkcję awaryjną - w przypadku ubytku powietrza w miechu przejmuje obciążenia i umożliwia kontynuowanie jazdy z obniżoną prędkością.

Schemat sprężyny pneumatycznej półtoriodalnej
widok w przekroju - rysunek poglądowy


Usprężynowanie pneumatyczne wymaga układu zasilania pneumatycznego sprężonym powietrzem i sterowania. W układzie pneumatyki znajduje się zawór ważący, który utrzymuje stałą wysokość sprężyny dostosowując ciśnienie w miechu pneumatycznym do aktualnego obciążenia, reagując na zmiany ugięcia.
Sprężyny pneumatyczne naprzeciwległe są połączone pneumatycznie poprzez zawór wyrównawczy, który wyrównuje ciśnienia między sprężynami na wózku. W przypadku awarii jednego z miechów zawór ten wypuszcza też powietrze z miechu sprawnego, tak aby pudło z obydwu stron wparte było na sprężynie dodatkowej (awaryjnej) co zapewni wyrównanie nacisków nadwozia na wózek.

 
Sprężyna pneumatyczna półtoriodalna (opis na pow.)


 
Przyłącza pneumatyczne sprężyny





Jak wynika z powyższych opisów w II stopniu usprężynowania, w więzach sprężystych, w zależności od konstrukcji mogą występować sprężyny współpracujące z belką bujakową i skrętową lub samodzielnie jako elementy wielofunkcyjne.
Poniżej zamieszczam ogólny opis występowania powyższych rozwiązań.


a) Oparcie nadwozia z udziałem belki skrętowej i wielokrotnych
sprężyn śrubowych na przykładzie lokomotywy SM42:

W zawieszeniu nadwozia na wózkach lokomotywy SM42 biorą udział sprężyny śrubowe wielokrotne, znajdujące się pomiędzy belką skrętową, a ostoją. Belka skrętowa jest podwieszona wieszakami do podłużnic ramy wózka i połączona czopem skrętu z poprzecznicą ramy wózka. Czop skrętu jest osią obrotu wózka - realizuje jego obroty w płaszczyźnie poziomej zgodnie z kierunkiem torów.
Stabilizację poprzeczną ramy wózka w stosunku do ostoi zapewniają odbijaki znajdujące się na poprzecznicy ramy wózka i w poprzecznicy ostoi.
Siły wzdłużne z wózka na nadwozie są przenoszone przez czop skrętu na belkę skrętową, a z niej poprzez cięgła trakcyjne połączone elastycznie z ostoją.

Schemat oparcia nadwozia na wózku - SM42
rysunek poglądowy


  Oparcie nadwozia na wózku - SM42 (opis na pow.)

    Belka skrętowa (opis na powiększeniu)

    Nakrętka czopa skrętu w belce skrętowej

  Odbijak w poprzecznicy ostoi (opis na pow.)




b) Oparcie nadwozia z udziałem dwufunkcyjnych
sprężyn metalowo-gumowych na przykładzie lokomotywy ET22:

Nadwozie lokomotywy ET 22 wsparte jest na wózkach poprzez dwufunkcyjne sprężyny metalowo - gumowe wspomagane tłumikami hydraulicznymi.
Omawiane rozwiązanie z powodu braku sztywnego zamocowania (czopa) wózka do pudła uelastycznia konstrukcję i poprawia parametry jezdne.
Zamocowanie pionowe wózka do nadwozia realizują wieszaki skośne połączone z ramą wózka poprzez sprężyny śrubowe.
Przenoszenie sił pociągowych z wózków na nadwozie realizują poziome cięgła trakcyjne.


Ogólny schemat wózka w ET22




    Sprężyna metalowo-gumowa dwufunkcyjna

    Gniazda sprężyn w ostoi

    Cięgła trakcyjne z mechanizmem dźwigniowym

    Wspornik zaczepowy cięgła przedniego w ostoi

    Cięgło trakcyjne tylne

    Elastyczna głowica cięgła - podatna na ruch wózka (opis na pow.)


    Tłumik hydrauliczny


W lokomotywach ET22 oprócz powyższych elementów zastosowany jest również sprzęg międzywózkowy, który poprawia własności dynamiczne lokomotywy, gdyż wózki wpisują się jednakowo w łuk zezwalając im na sprężyste odchylenia.

    Sprzęg międzywózkowy (3 zdjęcia)

    Miejsca mocowania cięgła sprzęgu międzywózkowego w wózku





c) Oparcie nadwozia z zastosowaniem układów bujakowych
na przykładzie EZT EN57/71 i lokomotywy EU07:

Oparcie bujakowe polega na oparciu nadwozia poprzez gniazdo skrętowe w belce poprzecznej zwanej belka bujakową, której końce oparte są na stalowych sprężynach śrubowych naciskowych. Spreżyny te natomiast wsparte są w gniazdach kołyski zwanej też wanną bujakową, która jest podwieszona przez przegubowe wieszaki do podłużnic ramy wózka.
W zależności od konstrukcji belka bujakowa może być połączona z ramą wózka podatnymi cięgłami, które przenoszą siły wzdłużne z wózka na bekę bujakową.
Cały układ jest wspomagany tłumikami hydraulicznymi, a belka bujakowa jest stabilizowana wobec poprzecznicy wózka przez odbijaki.
Sprężyny śrubowe współpracujące z tłumikami hydraulicznymi stanowią II stopień usprężynowania.

Czop skrętu jest zamocowany w ostoi (nadwoziu) pojazdu i osadzony w gnieździe czopa skrętu w środkowej części belki bujakowej. Na krańcach belki bujakowej znajdują się też ślizgi boczne na których wspiera się nadwozie umożliwiając prawidłowe ruchy poziome wózka oraz utrzymując prawidłową stateczność nadwozia.
Gniazdo skrętowe realizuje obroty wózka według kierunku toru oraz przenosi siły pionowe, wzdłuzne i poprzeczne z wózka na nadwozie.


    Czop skrętu w ostoi - EU07 (opis na pow.)

    Belka bujakowa z gniazdem czopa EU07 (opis na pow.)

    Osadzanie nadwozia na wózku - EU07

W układzie bujakowym siła pociągowa lub hamowania jest przenoszona z zestawów kołowych na ramę wózka, z niej przez cięgła trakcyjne lub odbijaki na belkę bujakową, z której siły są przenoszone poprzez czop skrętu na nadwozie.
Belka bujakowa obraca się w płaszczyźnie poziomej razem w wózkiem (to m.in. różnica w stosunku do belki skrętowej), a ślizgi zapewniają stateczność poziomą układu.

    Belka bujakowa - EN57/71 (opis na pow.)

    Ślizgi w belce bujakowej - EN57/71 (opis na pow.)

    Gniazda sprężyn w belce - EN57/71

    Zawieszenie bujakowe EN57/71

    Zawieszenie bujakowe EU07


Poniższa fotografia przedstawia zawieszenie bujakowe w węgierskich wagonach BDt / Bhv:

    Zawieszenie bujakowe BDt / Bhv




d) Oparcie nadwozia z zastosowaniem sprężyny pneumatycznej
na przykładzie wagonu silnikowego EN81 i SZT SA137:

Zastosowanie w pojazdach sprężyn wielofunkcyjnych stworzyło prosty układ oparcia nadwozia poprzez wyeliminowanie wcześniej stosowanych elementów pośrednich, wpływając na zmniejszenie masy wózka oraz miejsc, gdzie występuje tarcie.
Sprężyny pneumatyczne półtoriodalnej wsparte są na podłużnicach ramy wózka (belkach ostojnicowych), a na nich oparte jest nadwozie bez stosowania pośrednich, ruchomych belek.
Połączenie nadwozia z wózkiem realizuje czop skrętu osadzony w gnieździe jarzma poprzecznicy wózka, przez który przenoszone są siły trakcyjne.
Jarzmo gniazda czopa skrętu jest połączone z poprzecznica ramy wózka elastycznie poprzez wzdłużne cięgło lub cięgła podatne. Przy zastosowaniu dwóch ciegieł tworzy się lemniskatowy układ przenoszący siły wzdłużne z wózka przez jarzmo z czopem skrętu na nadwozie.

   
Oparcie z zastosowaniem sprężyn
pneumatycznych - EN81 (opis na pow.)

   
Czop skrętu i poprzecznica wózka (opis na pow.)

   
Zamocowanie czopa skrętu do
poprzecznicy wózka przez jarzmo - EN81 (opis na pow.)

   
Jarzmo czopa skrętu
i lemniskatowy układ cięgieł - SA137 (opis na pow.)





e) Rozwiązania oparcia nadwozia oraz przenoszenia sił trakcyjnych
na przykładzie lokomotyw EP09:

W elektrowozach EP09 początkowo zastosowano oparcie nadwozia na wózkach za pośrednictwem skośnych wieszaków i sprężyn śrubowych naciskowych. W ostatnich 10 sztukach zastosowano nowoczesne oparcie za pośrednictwem sprężyn wielofunkcyjnych typu "Flexicoil" ( w miejscu dotychczasowych wieszaków), co znacznie poprawiło własności biegowe tych pojazdów.

   
Oparcie pudła poprzez wieszaki skośne i sprężyny śrubowe naciskowe (opis na pow.)

   
EP09-010 z pudłem opartym poprzez wieszaki skośne i sprężyny śrubowe naciskowe



       
Oparcie pudła poprzez sprężyny typu "Flexicoil" (opis na pow.)

   
EP09-038 z pudłem opartym poprzez sprężyn typu "Flexicoil"


Siły trakcyjne z wózków na nadwozie przenosi specjalny układ cięgieł skośnych i poziomych przebiegających w osi wzdłużnej pojazdu. Założeniem zastosowanego ukladu było możliwie maksymalne wykorzystanie przyczepności pojazdu do szyn dzięki temu, że budowa i układ cięgieł trakcyjnych ustalają teoretyczny punkt przeniesienia sił trakcyjnych na poziomie główek szyn. Rozwiązanie to przedstawia poniższy schemat:


Cięgła trakcyjne w podwoziu elektrowozu EP09



   
Cięgła trakcyjne (opis na powiększeniu)

       
Zamocowanie cięgła skośnego w czołownocy ostoi (opis na pow.)






poniższy opis w przygotowaniu


Oparcie nadwozia z udziałem dwufunkcyjnych
sprężyn metalowo-gumowych i przenoszeniem sił trakcyjnych poprzez urządzenie pociągowo-skrętne na przykładzie lokomotywy SM31:

Do początku strony


Powrót