Elektryczne zespoły napędowe > Systemy napędowe - system przyczepnościowo-zębaty

Systemy napędu zębatego stosowane są na liniach o dużych pochyłościach terenu, gdzie klasyczny napęd przyczepnościowy (adhezyjny), czyli przyczepność koła do szyny jest niewystarczający do pokonania wzniesienia.

  Kolej zębata w Budapeszcie - Budapesti Fogaskerekű Vasút

Kliknij tutaj i zobacz opis kolei zębatych.


Graniczna wartość przyczepności koła do szyny występuje przy pochyleniu terenu około 80-90 promilii. Przy pochyleniach większych od tej wartości konieczne jest zastosowanie napędu zębatego.



Zakresy stosowania napędów przyczepnościowych i zębatych

W kolejach górskich stosowana jest głównie trakcja elektryczna, której zaleta jest cicha jazda natomiast konieczna infrastruktura zasilania trakcyjnego nie zawsze dobrze wkomponowuje się w krajobraz górski.

 
Sieć płaska nad torem kolei


Występują również koleje górskie z pojazdami z napędem spalinowym. Wadą tego rozwiązania jest emitowany hałas. Początkowo jak było wspomniane wcześniej w kolejach górskich stosowana była trakcja parowa.

W zespołach napędowych kolei górskich stosuje się elektryczne silniki trakcyjne. Moment obrotowy przez nie wytworzony jest przenoszony poprzez zespół przeniesienia napędu odpowiednio na zestawy kołowe (napęd przyczepnościowy) / koła napędu zębatego.
Rozróżnia się:

1. NAPĘD PRZYCZEPNOŚCIOWY NIEZALEŻNY OD NAPĘDU ZĘBATEGO czyli taki w którym napęd koła zębatego jest realizowany niezależnie od napędu kół jezdnych.

2. NAPĘD PRZYCZEPNOŚCIOWY STALE SPRZĘGNIĘTY Z NAPĘDEM ZĘBATYM, czyli taki w którym moment obrotowy z silnika przenoszony jest na zestaw kołowy wyposażony na osi w klasyczne koła jezdne i koło zębate. W rozwiązaniu takim koło zębate pełniące funkcję napędową zamocowane jest na wspólnej osi z kołami jezdnymi, które pełnią funkcję toczną - prowadzącą. Niekorzystnym zjawiskiem w tym układzie jest to, że przy jeździe zębatej, zestaw kołowy porusza się z większym poślizgiem ze względu na różnicę momentów sił obwodowych kół jezdnych i koła zębatego.

 
Zestaw kołowy toczny stale sprzęgniętego
napędu przyczpenościowego i zębatego


3. NAPĘD PRZYCZEPNOŚCIOWY ROZPRZĘGALNY OD SYSTEMU ZĘBATEGO, czyli taki w którym podczas jazdy załączany jest tylko jeden z napędów. Obydwa ukłądy napędzane sa przez ten sam silnik, a rozprzęganie realizowane jest poprzez układ przekładniowy. Omawiane rozwiązanie jest najbardziej korzystne z punktu widzenia parametrów trakcyjno - eksplatacyjnych.
Gdy pojazd porusza się po odcinkach płaskich (bez trzeciej szyny zębatej) uruchomiony jest napęd przyczepnościowy. Silnik trakcyjny napędza klasycznie poprzez przekładnię zestaw kołowy.
W momencie wjazdu na odcinek zębaty napęd przyczepnościowy zostaje zatrzymany, a uruchamia się napęd zębaty. Silnik trakcyjny napędza koło zębate poprzez przekładnię napędową napędu zębatego. Koła jezdne pełnią wtedy już rolę toczną - prowadzącą.
Aby takie przełączanie było możliwe konieczne jest zastosowanie skomplikowanego układu - zespołu napędowego. Napędowe koło zębate zamontowane jest na specjalnym wale z zamocowanym na nim również kołem zębatym przekładni napędowej. Środkiem wału przebiega klasyczna oś zestawu kołowego.
Schemat takiego rozwiązania przedstawia poniższy rysunek:


Schemat napędu przyczepnościowo - zębatego przełączalnego

 
Napęd przyczepnościowo-zębaty przełączalny w wagonie produkcji STADLER A.G. (opis na powiększeniu)

W związku z eksploatacją kolei zębatych na dużych pochyłościach terenu, stosowane w nich silniki trakcyjne mają moc w zakresie 180-300 kW, czyli około 2 razy większą niż silników trakcyjnych tramwajowych. Prędkość jazdy na odcinkach zębatych wynosi około 20 km/h.


Gdy trasy posiadają odcinki zębate tylko na fragmentach ich długości, napędowe koła zębate mają zastosowany sprężysty wieniec (pomiędzy piastą, a obręczą zębatą znajdują się sprężyny). Takie rozwiązanie jest konieczne, gdyż koło zębate podczas jazdy zazębia się z szyną zębatą w momencie wjazdu na odcinek zębaty. Koło nie jest cały czas z nią zazębione jak to ma miejsce w kolejach górskich gdzie szyna zębata zabudowana jest na całej długości trasy.

 
Koło zębate ze sprężynami

Dodatkowo dla celów poprawnego i bezpiecznego zazębiania się koła zębatego z szyna zębatą stosuje się dodatkowo sprężyste zamocowanie początkowego fragmentu szyny zębatej.
Powyższe rozwiązania powodują, że jeżeli zęby koła napędowego nie są ustawione zgodnie z zębami szyny to nie nastąpi podniesienie wagonu, co mogłoby doprowadzić do jego wykolejenia. Ugięcie szyny oraz elastyczność koła zębatego powoduje, że podczas wjazdu na odcinek zębaty, zęby koła i szyny wzajemnie i samoczynnie dopasują swoje położenie.
Na poniższym schemacie przedstawiam omówione powyżej sytuacje:


Zazębianie zębatek


Hamulce
W kolejach górskich stosowane są w zależności od zastosowanego napędu dwa rodzaje hamulców ciernych. Do hamowania gdy jazda odbywa się z użyciem napędu przyczepnościowego wykorzystuje się na przykład hamulce klockowe.
Gdy uruchomiony jest napęd zębaty (gdy przyczepność kół do szyn zanika) w celu umiejscowienia pojazdu uruchomione zostają hamulce pasowe.
Zasadza działania hamulców pasowych polega na dociskaniu taśmy ciernej do bębnów hamulcowych, a hamowanie realizowane jest przez koło zębate. Moment hamujący przenoszony jest z hamulców pasowych przez koło zębate na szynę zębatą.


Schemat działania hamulca pasowego


Ponieważ podczas jazdy na wzniesieniu koła jezdne nie mają przyczepności do realizowania hamowania, koła zębate z hamulcami pasowymi montowane są również na zestawach kołowych tocznych.

Hamulce sterowane są pneumatycznie. W kolejach górskich można spotkać typowe systemy hamulcowe nadciśnieniowe.
Na niektórych trasach przebiegających na znacznych wysokościach stosowane są w taborze hamulce pneumatyczne próżniowe. Ich działanie jest analogiczne do nadciśnieniowych tylko zamiast sprężarki zastosowana jest pompa próżniowa. Próżnia odpowiada w tym rozwiązaniu nadciśnieniu.
Hamulcem służbowym (roboczym) w kolejach górskich może być oczywiście hamulec elektrodynamiczny. Obracające się wały silników trakcyjnych podczas hamowania pracują jako prądnice. Powstały przy produkcji energii elektrycznej opór obrotowy jest przenoszony przez przekładnie na aktualnie załączony system napędu. Hamowanie prądnicowe może być powiązane z rekuperacją energii do sieci trakcyjnej.

Przy napędzie przyczepnościowo - zębatym stale sprzęgniętym hamowanie jest realizowane przez hamulce pasowe.