Układy hamulcowe > Hamulce szynowe

Hamulce szynowe stanowią obowiązkowe wyposażenie wszystkich wagonów tramwajowych i wykorzystywane są do hamowania uniezależniającego długość drogi hamowania od przyczepności kół do szyn. Działanie hamulców szynowych sprowadza się do działania elektromagnesu, stąd pełna nazwa tego typu hamulców to elektromagnetyczne hamulce szynowe.
Hamulce szynowe pełnią rolę hamulców awaryjnych na wypadek awarii hamulca służbowego oraz wspomagają inne tryby hamowania (bezpieczeństwa i nagłe).
Podstawowym elementem tego typu hamulców jest płoza hamująca, w której zainstalowana jest cewka elektryczna z uzwojeniem wykonanym z drutu nawojowego i umieszczonym w obudowie z materiału elektroizolacyjnego. Środkiem uzwojenia ("oknem" cewki) przebiega żelazny rdzeń, który służy do wzmocnienia pola magnetycznego generowanego przez cewkę. Po zewnętrznych stronach rdzenia i cewki zamontowane są kołnierze stanowiące nabiegunniki. Ich zadaniem jest przekazanie strumienia indukcji magnetycznej do płóz ciernych. Płozy (nakładki) cierne, wykonane ze stali o własnościach magnetycznych, najczęściej ze względu na zużywanie się cierne, przykręcane są do kołnierzy. Realizują one bezpośredni styk cierny z szyną. Pomiędzy płozami ciernymi zapewniona jest przerwa, która zapewnia przejście strumienia magnetycznego do szyny
Zasilanie cewki prądem elektrycznym, powoduje wytworzenie pola magnetycznego, przez co cewka i rdzeń zostają namagnesowane. Płozy cierne stanowią dwa bieguny układu magnetycznego hamulca. Zawieszenie płóz na wysokości około 10 mm ponad główką szyny, zapewnia przerwę powietrzną pomiędzy hamulcem, a główką szyny. Po zasileniu cewki, przerwa pomiędzy płozami, a szyną zamyka obwód magnetyczny. W efekcie tego płoza hamulca jest przyciągana z dużą siłą do główki szyny, przez wytworzoną w płozie siłą magnetyczną. Płozy cierne trą o powierzchnię główki szyny, w wyniku czego następuje hamowanie pojazdu uniezależnione od przyczepności zestawów kołowych.


Schemat płozy hamulca - widok w przekroju i zasada działania
A - cewka
B - rdzeń
C - kołnierze (nabiegunniki)
D - płozy cierne (nakładki)
linie czerwone - strumień magnetyczny
E - przerwa pomiędzy płozami ciernymi (materiał izolacyjny lub pusta przestrzeń)
X - przerwa powietrzna około 10 mm (dokładny wymiar podaje producent hamulca)

Przerwa "E" zapewnia przepływ strumienia elektromagnetycznego pomiędzy płozami ciernymi (nabiegunnikami), a szyną. Bardzo często przerwę tą wypełnia się materiałem izolacyjnym – np. tarnamidem (poliamidem), tak by nie dochodziło do osadzania się w uszczelnienie zabrudzeń, które mogłyby powodować przewodne połączenie sąsiednich nabiegunników, powodując przepływ strumienia magnetycznego bezpośrednio pomiędzy nimi, zamiast przez szynę. Powodowałoby to nieprawidłowe działanie hamulca w związku z ograniczeniem generowanej siły przyciągającej.

Elektromagnetyczne hamulce szynowe w tramwajach osiągają siłę przyciągania nawet 60 kN dla jednej płozy. Konkretna siła jest zależna od długości płozy i zastosowanej cewki. Według normy PN-K-92003 znamionowa siła hamulca szynowego powinna wynosić co najmniej 50 kN. Typ zastosowanych hamulców szynowych jest dobierany na etapie projektowania tramwaju w odniesieniu do konfiguracji podwozia, masy pojazdu i wymagań przepisów dla długości dróg i opóźnień hamowania awaryjnego.


Animacja działania hamulca szynowego

Wymagana długość drogi i wartość opóźnienia hamowania dla hamulców szynowych jest analogiczna jak dla hamulca służbowego (roboczego), stąd błędna jest spotykana opinia, że uruchomienie hamulców szynowych wdraża hamowanie z największą mocą (opoźnieniem). Największa siła hamowania jest uzyskiwana przy hamowaniu nagłym, w którym pracują najczęściej wszystkie rodzaje hamulców jakie tramwaj posiada - łącznie z hamulcami szynowymi. Hamulce szynowe generują stałą (nieregulowaną) siłę przyciągania płozy do szyny. Ta z kolei zależy np. od wymiaru długości płozy i cewki. Ewentualne różnice w zakresie generowanej siły mogą występować jako pochodne zmiany wartości napięcia zasilającego cewkę hamulca, czyli np. od stanu naładowania baterii akumulatorów i pracy przetwornicy pokładowej. Różnice wartości napięcia zasilającego cewkę, spowodują wytworzenie adekwatnego do napięcia strumienia magnetycznego, a więc w efekcie konkretnej siły przyciągania. Natomiast zasadniczo siła ta nie jest regulowana w ramach sterowania hamulcami i istotne jest zapewnienie właściwego zasilania obwodu hamulców szynowych.

 
Hamulec szynowy małych gabarytów w wózku zabytkowego tramwaju Zeppelin (opis na 2 powiększeniu)


 
Hamulec szynowy między kołami w wózku - klasyczny sposób montażu (opis na 1 powiększeniu)

   
Przykładowe płozy (opis na powiększeniach) 

 
Widok od strony płóz ciernych (nakładek) hamulca szynowego

 
Cewki

 
Zdemontowane kołnierze (nabiegunniki)

Płozy elektromagnetycznych hamulców szynowych zawieszone są elastycznie tuż nad powierzchnią toczną główki szyny (prześwit ok.: 10 mm – tzw. przerwa powietrzna - dokładny wymiar podaje producent hamulca). Zawieszenie płóz realizuje układ zawieszenia w postaci dwóch sprężyn zabierających i wrzecion zawieszenia, które po wyłączeniu zasilania cewki odciągają płozy od szyny, a następnie utrzymują je na ustawionej wysokości. Zawieszenie na sprężynach zapewnia podatność płozy wglądem wózka. Podczas hamowania siła przyciągania generowana przez strumień magnetyczny płozy przeciwstawia się sile sprężyn zabierających, w wyniku czego płoza obniża się i trze o szynę.

   
Przykładowe zawieszenia hamulców szynowych (opis na powiększeniach)

Z punktu widzenia działania układu, istotna jest weryfikacja i okresowa regulacja wysokości zawieszenia płozy nad główką szyny. Chodzi o to, by omówiona wcześniej przerwa powietrzna była zgodna z wymaganiami producenta hamulca szynowego. Przy zbyt dużej odległości płozy od szyny wygenerowane pole magnetyczne nie będzie w stanie przyciągnąć płozy. Z kolei przy zbyt małej odległości może dochodzić do częstego ocierania się płozy o szynę w wyniku drgań pochodzących od jazdy i nierówności torów. Wspomniane podatne zawieszenie zapewnia również, że nawet jeżeli podczas jazdy dojdzie do styku płozy z szyną, to płoza elastycznie się od szyny odbije bez np. ryzyka jej zerwania, czy uszkodzenia.
W większości przypadków płozy montowane są do ramy wózka. Jeżeli tramwaj będzie miał wykonaną reprofilacje kół jezdnych, po której jak wiadomo, koła mają mniejszą średnicę, dochodzi do obniżenia całego wózka w stosunku do główek szyn. Stąd w takiej sytuacji konieczna jest weryfikacja i w razie potrzeby regulacja wysokości zawieszenia hamulców szynowych. Trzeba je podnieść na układzie zawieszenia poprzez śruby / nakrętki regulacyjne na wrzecionach układu zawieszenia. W przypadku np. wymiany obręczy kół jezdnych na nowe, wózek zostaje podniesiony. Wtedy konieczne jest działanie odwrotne – czyli opuszczenie hamulców synowych.
Można spotkać rozwiązania, w których hamulce szynowe nie są zawieszone bezpośrednio w ramie wózka, ale oparte przez specjalny układ regulacyjny na kadłubach łożysk osiowych (maźnicach). W efekcie tego następuje samoczynna regulacja wysokości zawieszenia hamulca w odniesieniu do aktualnych średnic kół jezdnych. Jest to rozwiązanie jednak rzadko stosowane, ze względu na dodatkowy układ mechaniczny oraz obciążanie zestawów kołowych jego masą oraz z masą płóz (czyli zwiększanie masy niesprężynowanej zestawów kołowych).

Omówione zawieszenie poprzez sprężyny zabierające przenosi obciążenia pionowe pochodzące od masy płozy hamulca. Podatność płozy w stanie zasadniczym (podniesiona), w zakresie swobody ruchów poprzecznych i wzdłużnych jest ograniczana przez układ prowadzenia płozy w formie najczęściej elementów ślizgowych i odbijaków, odpowiednio zamontowanych na płozie i w ramie wózka. Pomiędzy tymi elementami zapewniony jest odpowiedni luz, zapewniający swobodne w zakresie dozwolonej podatności, poruszanie się płozy hamulca oraz zapewniający również swobodne obniżenie się płozy do pozycji roboczej, gdy inicjowane jest hamowanie. Zetknięcie  płozy hamulca szynowego z powierzchnią główki szyny (następuje tarcie), powoduje, że na skutek działającej siły wzdłużnej, płoza zostaje przesunięta w przeciwnym kierunku, w stosunku do kierunku jazdy i opiera się płytkami ślizgowymi o odbijaki wzdłużne ramy wózka. W ten sposób przenoszona jest siła hamująca z płozy na wózek. Boczne odbijaki układu prowadzenia stabilizują płozę poprzecznie, aby znajdowała się w prawidłowej pozycji względem szyn. Po wyłączeniu hamulca, płoza wraca do górnego położenia.

   
Zawieszenie i układ prowadzenia płóz z zastosowaniem płytek ślizgowych i odbijaków (opisy na powiększeniach)

   
Przykładowe ślizgi układów prowadzenia płóz

Schematy przykładowych hamulców szynowych
1 - kołnierze (nabiegunniki)
2 - płozy (nakładki) cierne
3 - cewka
4 - rdzeń
5 - przyłącza elektryczne zasilania cewki
6 - wsporniki układu prowadzenia i zawieszenia płozy hamulca
7 - sprężyny zabierające (zabieraki)
8 - wrzeciono zawieszenia płozy hamulca
9 - nakrętka regulacji wysokości zawieszenia płozy
10 - płytki ślizgowe układu prowadzenia płozy
A - fragmenty zarysu konstrukcji ramy wózka z widocznymi wspornikami zawieszenia (a) i odbijakami prowadzenia (b)

Innym rozwiązaniem jest zastosowanie prowadzenia płozy z zastosowaniem podatnego prowadnika. Taki układ przedstawia poniższa fotografia. Przez wskazany prowadnik przenoszona jest siła hamująca na wózek. Dodatkowo od wewnętrznej strony wózka zamiast ślizgowych prowadników poprzecznych zastosowano sprężynowe stabilizatory.

   
Układ prowadzenia hamulca szynowego z zastosowaniem prowadnika skośnego

Przykładowe przyłącza instalacji zasilania (+ / -)


Najczęściej stosowane w tramwajach są płozy pełne. Można jednak spotkać również układy z zastosowaniem płóz segmentowych, których nabiegunniki z częścią cierną składają się z segmentów przykręcanych wokół cewki. Segmentowość wpływa na lepsze dostosowanie się przylegania części ciernych do główek szyn. Płozy segmentowe powszechnie stosowane są w kolejnictwie - zobacz opis - tutaj.

   
Płoza zwykła i płoza segmentowa (1), cewka płozy segmentowej 2) i nabiegunniki segmentowe (3)