Urządzenia pociągowo - zderzne > Sprzęgi samoczynne typu Scharfenberga

Sprzęgi typu Scharfenberga realizują jednocześnie połączenie mechaniczne, elektryczne i pneumatyczne pojazdów kolejowych. Wykorzystywane są najczęściej do łączenia w trakcję ukrotnioną jednostek trakcyjnych pasażerskich (EZT i SZT).
Przy zastosowaniu tego rodzaju sprzęgów nie stosuje się urządzeń zderzakowych, gdyż taki sprzęg pełni funkcje pociągową, spinającą i zderzakową w jednym.
Na poniższym zdjęciu widać sprzęg samoczynny oraz tak zwane absorbery energii zderzeniowej, które pochłaniają energię zderzeniową w ramach konstrukcji bezpieczeństwa biernego pojazdów (strefa kontrolowanego zgniotu). Tarcze absorberów sprzęgniętych pojazdów nie stykają się ze sobą, gdyż nie pełnią roli zderzakowej z punktu widzenia wzajemnej współpracy sprzęgniętych pojazdów kolejowych.

 
Sprzęg samoczynny i absorbery (opis na powiększeniu)

Poniższa fotografia przedstawia pojazd ze sprzęgiem samoczynnym, gdzie wspomniane wyżej absorbery energii zderzeniowej schowane są za elementami z tworzywa.

 
SZT ze sprzęgiem samoczynnym

Omawiane sprzęgi mocowane są do nadwozi pojazdów poprzez wsporniki przegubowo - sprężyste, które mogą być wyposażone dodatkowo w urządzenia odkształcalnego pochłaniania energii zderzeniowej (opis w dalszej części). Wsporniki te zapewniają właściwą podatność sprzęgu w płaszczyźnie poziomej i pionowej oraz w zakresie amortyzacji i tłumienia drgań.

 
Przykładowy wspornik z przegubem sprężystym mocowania sprzęgu do czołownicy nadwozia

Zaletą sprzęgów typu Scharfenberga jest ich samoczynność. Umożliwiają one sprzęganie jednostek bez konieczności użycia żadnych dodatkowych narzędzi, urządzeń, ani tym bardziej personelu.
Każdy sprzęg mechaniczny omawianego typu składa się z wypustu stożkowego i gniazda dokładnie odpowiadającemu kształtem takiemu wypustowi.
Dojeżdżając z prędkością nie przekraczającą 5km/h jednostką do drugiej jednostki następuje zetknięcie sprzęgów. Zaczep (łącznik) jednego sprzęgu wchodzi w gniazdo drugiego (sercówkę), a zaczep drugiego wchodzi w sercówkę pierwszego. Zaczepy samoczynnie zakleszczają się w sercówkach poprzez sprężynowy mechanizm zaczepowy.
Na płycie czołowej głowicy zabudowane są złącza pneumatyczne przewodu głównego (PG - hamulcowego), przewodu zasilającego (PZ) oraz złącza sygnałów pneumatycznych do rozłączania sprzęgu.
Nad głowicą sprzęgu lub po jej bokach znajduje się sprzeg elektryczny, czyli tak zwana klawiatura, która zapewnia elektryczne połączenie między jednostkami. Poza sygnałami analogowymi  przez sprzęg elektryczny mogą być transferowane również sygnały magistral cyfrowych takie jak np. CAN, ETHERNET itp.

 
Głowica sprzęgu samoczynnego (opis na powiększeniu)

   
 Głowica sprzęgu z otwartymi sprzęgami elektrycznymi bocznymi 

 
Głowica sprzęgu z otwartym sprzęgiem elektrycznym górnym (opis na powiększeniu) 

   
Przykładowy sprzęg elektryczny boczny (zamknięty / otwarty)

    
Siłownik sprzęgu elektrycznego (opis na powiększeniu)

 
Dwie jednostki sprzęgnięte ze sobą

 
Instalacja pneumatyczna w głowicy sprzęgu (widok od spodu)


Podczas dojeżdżania w celu sprzęgnięcia głowice sprzęgów naprowadzane są przez drążki naprowadzające (w postaci wygiętych skośnie profili wystających przed płytę czołową) w celu wzajemnego wycentrowania głowic. Przed samym zetknięciem płyt czołowych głowic centrowanie realizuję otwór i wypust znajdujące się w płycie czołowej.

 
Sprzęgi podczas sprzęgania - widać drążki naprowadzające tuż przed zetknięciem

Omawiany typ sprzęgów może być wyposażony w elementy grzejne w celu zapewnienia prawidłowego funkcjonowania mechanizmów przy niskich temperaturach.

Rozłączanie sprzęgów zasadniczo realizuje się przez użycie odpowiedniego manipulatora w kabinie. Rozłączenie jest też możliwe przez użycie specjalnej rękojeści rozprzęgającej zamontowanej na sprzęgu. Przy normalnym rozłączaniu po użyciu manipulatora w kabinie, następuje uruchomienie siłownika pneumatycznego w głowicy sprzęgu, który powoduje rozłączenie mechanizmu zaczepowego, przez odpowiednie zadzaiłanie zbijaka. Zaczep wypustu stożkowego zostaje "uwolniony" z sercówki wpustu stożkowego.

   
Przycisk do rozłączania sprzęgów w podnóżku 

 
Łącznik rozłączania sprzęgów na pulpicie

 
Przykładowa rękojeść do ręcznego rozłączania (rozłączenie przez pociągnięcie za uchwyt połączony linką z mechanizmem zaczepowym)

Przykładowa rękojeść do ręcznego rozłączania (rozłączenie przez nasadzenie dźwigni rękojeści na trzpień mechanizmu zaczepowego i jej obrócenie)

Sprzęgi samoczynne służą zasadniczo do łączenia pojazdów kolejowych ze sobą. Występują jednak też rozwiązania, w których sprzęgi samoczynne zastosowane są na łączeniach międzyczłonowych. Poniżej przykład zespołu trakcyjnego typu GTW z członem napędowym wpiętym pomiędzy człony pasażerskie. W tym układzie, do połączenia członu napędowego z członami pasażerskimi zastosowano właśnie sprzęgi automatyczne.

 
Zespół trakcyjny GTW i człon napędowy (1) oraz sprzęgi samoczynne na łączeniu (2)

W celu zapewnienia właściwego procesu sprzęgania oraz współpracy między sobą połączonych pojazdów, sprzęgi wyposażone są w podatne komponenty, które zapewniają elastyczność oraz odpowiedni stopień pochłaniania energii powstającej na skutek obciążeń występujących w codziennym użytkowaniu taboru. Są to elementy z tak zwanej grupy elementów odwracalnego pochłaniania energii, czyli jeżeli dopuszczalne wartości sił nie zostaną przekroczone, to po ich ustaniu wracają one do swojego pierwotnego kształtu i gabarytu. Zachowują się na tej samej zasadzie co zasada skoku sprężystego w klasycznych zderzakach. Tłumią obciążenia szkodliwe wynikające z normalnej eksploatacji. W ramach tych układów stosowane są np. elementy metalowo-gumowe lub elastomerowe w ramach wsporników mocujących sprzęg do nadwozia oraz tłumiki (sprężynowe, hydrauliczne, hydrauliczno-gazowe itp.) instalowane w ramach konstrukcji drąga sprzęgu.
Należy mieć też na uwadze, że przy zderzeniu czołowym, to w większości przypadków właśnie sprzęg jest pierwszym podzespołem, który wchodzi w kontakt z przeszkodą. Z tego też powodu sprzęgi automatyczne mogą być wyposażone w różnego rodzaju rozwiązania konstrukcyjne służące do pochłaniania energii zderzeniowej, w sytuacji gdy działające siły przekroczą zasadniczy zakres pracy sprzęgu. W ramach takich układów mowa również o urządzeniach mechanicznych, w których przejęcie energii następuje przez odkształcenie elementów ich konstrukcji, które jest nieodwracalne. Po ich zadziałaniu sprzęg musi być wymieniony na nowy. W tych urządzeniach pochłanianie energii następuje na skutek trwałego odkształcania plastycznego elementów, skrawania czy też zrywania sworzni i śrub mocujących. Typ sprzęgu z zastosowanymi urządzeniami pochłaniającymi odwracalnymi i nieodwracalnymi jest odpowiednio dobierany w ramach opracowywania konstrukcji pojazdu z punktu widzenia całego procesu wytracania energii zderzeniowej w ramach pojazdowych układów bezpieczeństwa biernego. W zależności od typu pojazdu, jego masy, konstrukcji nadwozia i podwozia oraz dopuszczalnej prędkości konstrukcyjnej, dobiera się urządzenia bezpieczeństwa biernego, tak by maksymalnie ograniczyć skutki zderzeń, obniżyć ryzyko uszkodzeń oraz zabezpieczyć pojazdy przed wykolejeniem na skutek wspinania się pojazdów na siebie po uderzeniu. Wszystko dla zapewnienia najwyższego możliwego poziomu bezpieczeństwa. Rodzaj zastosowanych układów podatnych pochłaniania energii w sprzęgu jest zależny od konkretnej konstrukcji sprzęgu i analiz konstrukcyjnych przeprowadzonych przez jego producenta zgodnie z oczekiwaniami wytrzymałościowymi producenta pojazdu.


Absorbery zderzeniowe z użebrowaniem antywspinaczkowym i sprzęg z urządzeniem podatnym

   
Urządzenia pochłaniania energii w sprzęgach - urządzenia amortyzujące (nieodkształcalne) i pochłaniacze odkształcalne (opis na 1 i 2 powiększeniu)


Wspornik sprzęgu z urządzeniem pochłaniającym odkształcalnym plastycznie (widok na makiecie) - opis na powiększeniu

 
Sprzęg bez odkształcelnego urządzenia pochłaniającego we wsporniku mocującym do nadwozia (opis na 1 powiększeniu)

Wskazane na powyższej fotografii urządzenie do ustawiania sprzęgu w pozycji środkowej służy do tego, by sprzęg wracał do pozycji środkowej i był w niej utrzymywany w stanie zasadniczym. Składa się z krzywki połączonej z drągiem sprzęgu, w której są dwa wgłębienia. Z wgłębieniami współpracują stemple zakończone rolkami dociskane sprężynami talerzykowymi.

W pojazdach przeznaczonych do prędkości 160 km/h w większości przypadków sprzęgi automatyczne nie są chowane za osłonami zintegrowanych ze ścianami czołowymi. Jest to podyktowane faktem, że przy takich prędkościach ich wpływ na aspekty oporów aerodynamicznych jest nieznaczący, a znacząco mniej skomplikowana jest budowa ściany czołowej pojazdu. Dla zabezpieczenia głowic sprzęgów przez zabrudzeniami stosuje się dedykowane osłony elastyczne (pokrowce) lub w postaci demontowanych pokryw sztywnych. W pojazdach przeznaczonych do wyższych prędkości sprzęgi automatyczne chowa się za automatycznie otwieranymi osłonami, które zabezpieczają je przed zabrudzeniami oraz wpływają na redukcje oporów aerodynamicznych. Jedyną częścią sprzęgu, która wystaje przed osłony jest drążek naprowadzający, czasem mylony z anteną komunikacyjną pojazdu.


Zespół trakcyjny ze sprzęgiem odkrytym

 
Pokrowce na głowicach sprzęgów

 
Pokrywy sztywne na głowicach sprzęgów

 
Zespół trakcyjny ze sprzęgiem chowanym - widoczny naprowadzacz (1) i otwarte, automatyczne osłony w ścianie czołowej (2)


Sprzęg schowany za automatycznie otwieranymi osłonami (widoczny naprowadzacz) - ED250

Zgodnie z obowiązujacymi przepisami wynikającymi z Rozporządzenia Komisji Europejskiej w sprawie technicznej specyfikacji interoperacyjności odnoszącej się do podsystemu „Tabor — lokomotywy i tabor pasażerski" - TSI Loc&Pas, pojazdy wyposażone w sprzęgi automatyczne muszą posiadać na swoim pokładzie dedykowane adaptery sprzęgów (tzw. sprzęgi ratunkowe), które umożliwiają połączenie takiego pojazdu z pojazdem wyposażonym w klasyczny sprzęg ręczny (śrubowy) w celu umożliwienia jego ciągnięcia lub pchania w sytuacji awaryjnej. Sprzęgi takie zwane też półsprzęgami wykorzystywane są również w typowych sytuacjach związanych z manewrowaniem taboru, gdy pojazd ze sprzęgami automatycznymi jest przetaczany np. przez lokomotywę wyposażoną w klasyczny sprzęg śrubowy (UIC).
Zgodnie wymaganiami powyższej TSI, adapter sprzęgu (sprzęg ratunkowy) musi:
- umożliwiać akcję ratowniczą z prędkością co najmniej 30 km/h,
- zapewniać pewne zamocowanie na haku cięgłowym i zabezpieczenie przed spadnięciem z niego,
- wytrzymywać siły wynikające z planowanych warunków działań ratowniczych,
- być zaprojektowany tak, by nie wymagał obecności człowieka między pojazdami podczas sprzęgania,
- nie ograniczać ruchu poprzecznego haka cięgłowego.

Omawiane adaptery sprzęgów są tak skonstruowane, że z jednej strony posiadają zespół sprzęgu automatycznego, a z drugiej strony zakończone są w sposób umożliwiający założenie na hak cięgłowy.
Adaptery sprzęgów przechowywane są w skrzyniach zewnętrznych pod nadwoziem pojazdu lub we wnętrzach pojazdów, w pobliżu drzwi zewnętrznych, szafach technicznych za kabiną maszynisty lub w samej kabinie.

     
 

Przykładowe lokalizacje półsprzęgów w kabinach

 
Przykładowe skrzynie z półsprzęgami pod nadwoziem

 
Przykładowe skrzynie z półpsrzęgami pod siedzeniami pasażerskimi 

Adapter sprzęgu może realizować tylko połączenie mechaniczne pojazdów kolejowych ze sprzęgiem samoczynnym i klasycznym sprzęgiem śrubowym. W przypadku konieczności realizacji połączeń pneumatycznych używa się w takim przypadku klasycznych sprzęgów powietrznych.


Półsprzęg na haku cięgłowym lokomotywy (tylko połączenie mechaniczne)

Bardziej zaawansowanym i powszechnie obecnie stosowanym rozwiązaniem są półsprzęgi wyposażone w złącza pneumatyczne, umożliwiające połącznie przewodu głównego i zasilającego bez konieczności niezależnego łącznia sprzęgów pneumatycznych. W głowicy półsprzęgu znajdują się gniazda pneumatyczne, współpracujące z króćcami głowicy sprzęgu automatycznego, które z przeciwnej strony zakończone są rurami ze złączami, umożliwiającymi podłączenie węży (półsprzęgów pneumatycznych). Węże te na jednym z końców posiadają złączki do połączenia ze złączami półsprzęgu, a z przeciwnej strony mają typowe głowice łączeniowe, stosowane w sprzęgach pneumatycznych.

 
Półsprzęg ze sprzęgami pneumatycznymi (1) i typowa głowica łączeniowa sprzęgu pneumatycznego (2) - opis na 1 powiększeniu 

 
 
Adapter zamontowany na haku cięgłowym sprzęgu UIC lokomotywy (opis na 1 powiększeniu)