transportszynowy.pl

najobszerniejsze centrum wiedzy o transporcie szynowym po polsku

Szczegółowy opis rozwiązań technicznych taboru > Układy pneumatyczne

Układy pneumatyczne w pojazdach kolejowych poza wykorzystaniem dla celów zasilania urządzeń hamulcowych stosowane są również do zasilania w sprężone powietrze innych odbiorników pneumatycznych, które wykorzystują powietrze do swojego działania. Są nimi np.: syreny pneumatyczne, piasecznice, odbieraki prądu, styczniki elektropneumatyczne, urządzenia sanitarne, drzwi, elementy mechaniki zespołów samowyładowczych wagonów towarowych itp.
W większości przypadków stosowany jest układ pneumatyczny NADCIŚNIENIOWY. W niektórych kolejach wysokogórskich, ze względu na występujące tam wyższe ciśnienie powietrza atmosferycznego można spotkać zastosowanie układu pneumatycznego PRÓŻNIOWEGO. W niniejszym opisie omówiony będzie układ wykorzystujący nadciśnienie powietrza.

Za wytworzenie, przygotowanie, magazynowanie i rozprowadzenie powietrza odpowiada układ zasilania sprężonym powietrzem.

W skład układu zasilania wchodzą:
a) Układ wytwarzania i przygotowania powietrza, czyli układ odpowiedzialny za wyprodukowanie sprężonego powietrza. Głównymi elementami tego układu są sprężarki. Każdy kolejowy pojazd trakcyjny wyposażony jest w sprężarki główne, które wytwarzają powietrze dla potrzeb zasilania układu pneumatycznego pojazdu trakcyjnego jak również całego składu pociągu.
W elektrycznych pojazdach trakcyjnych, w których do odbioru energii zastosowane są dachowe odbieraki prądu stosuje się dodatkowo sprężarki pomocnicze pantografów. W związku ze sterowaniem pneumatycznym odbierakami prądu w przypadku braku ciśnienia w głównym układzie pneumatycznym elektrycznego pojazdu trakcyjnego nie jest możliwe ich podniesienie. Załączenie sprężarki głównej w celu napełnienia układu pneumatycznego sprężonym powietrzem jest z kolei możliwe tylko przy zasilaniu energią z sieci trakcyjnej, gdyż sprężarki główne zasilane są najczęściej energią elektryczną z przetwornic pokładowych. Z tego powodu pojazdy wyposaża właśnie się w dodatkowe sprężarki, które zasilane są z baterii akumulatorów pojazdu trakcyjnego, przez co mogą pracować niezależnie od pracy przetwornic pokładowych.
Sprężarki pomocnicze, umożliwiają wytworzenie sprężonego powietrza potrzebnego do podniesienia odbieraków prądu w przypadku braku ciśnienia w układzie pneumatycznym pojazdu trakcyjnego. Po podniesieniu odbieraków prądu i zasilaniu przetwornic pokładowych napięciem sieciowym możliwe jest uruchomienie sprężarek głównych i wytworzenie sprężonego powietrza w ramach głównego układu pneumatycznego pojazdu. Gdy układ główny pneumatyczny pojazdu jest zasilony sprężonym powietrzem odbieraki prądu są już z niego zasilane.

Kliknij aby powiększyć    Sprężarka pomocnicza pantografu - EU07


Sprężarka główna to urządzenie mechaniczno-pneumatyczne służące do sprężania powietrza wykorzystywanego do zasilania układów pneumatycznych.
Rozróżnia się trzy podstawowe typy sprężarek: tłokowe, śrubowe i rzadko stosowane spiralne. W tych pierwszych elementami realizującymi sprężanie powietrza są tłoki zamocowane na korbowodzie i poruszające się w cylindrach. W sprężarkach śrubowych powietrze sprężane jest za pośrednictwem specjalnych śrub ślimakowych (głównej i pomocniczej) obracających się w komorze sprężania. Sprężarki spiralne działają na zasadzie dwóch spiral, w których jedna porusza się ruchem mimośrodowym względem drugiej.
W sprężarkach tłokowych wielocylindrowych, cylindry mogą mieć układ widlasty, rzędowy pionowy lub poziomy.


Schemat cylindra sprężarki tłokowej oraz układy cylindrów


W elektrycznych pojazdach trakcyjnych napęd sprężarki realizuje silnik elektryczny, obracający korbowodem tłoków lub śrubami. W pojazdach spalinowych jest napęd elektryczny poprzez silnik elektryczny lub napęd od silnika spalinowego, z którego moment obrotowy przenoszony jest na sprężarkę poprzez wały pędne.

Kliknij aby powiększyć    Sprężarka główna tłokowa - EU07 (opis na pow.)

Kliknij aby powiększyć   Nowoczesna sprężarka główna tłokowa - Vectron  

Kliknij aby powiększyć    Sprężarka tłokowa - EN57/71 (opis na pow.)

Kliknij aby powiększyć    Wał korbowy sprężarki tłokowej

Kliknij aby powiększyć    Sprężarka główna śrubowa - 6Dg

Kliknij aby powiększyć    Turbiny (śruby ślimakowe) sprężarki śrubowej - 2 zdjęcia


W zależności od potrzeby wydajności na pojazdach trakcyjnych mogą występować jedna lub dwie sprężarki główne (w ET41 - elektrowóz dwusekcyjny - są w sumie 4).


Powietrze wykorzystywane w układzie pneumatycznym pojazdów kolejowych musi spełniać odpowiednie parametry jakościowe, tak by zapewnić prawidłową, niezawodną pracę urządzeń pneumatycznych w tym hamulców. W związku z tym w ramach układu zasilania sprężonym powietrzem konieczne jest stosowanie układu przygotowania powietrza. Układ ten odpowiada za oczyszczenie, schłodzenie, osuszenie i odolejenie sprężonego powietrza.

Oczyszczenie powietrza realizowane jest przez zastosowanie filtrów powietrza, które eliminują zabrudzenia pochodzące z atmosfery.

 
Filtr powietrza na dolocie sprężarki


Schłodzenie powietrza jest konieczne, gdyż praca sprężarki powoduje jego nagrzewanie na skutek sprężania. W związku z tym w układzie zastosowane są układy chłodnicze. W starszych rozwiązaniach stosowane są układy chłodzenia niewymuszonego. Polega to na poprowadzeniu rur np. pod podwozie pojazdu w formie wężownicy, gdzie schłodzenie powietrza następuje na skutek jazdy – pęd powietrza wokół pojazdu owiewając wężownice schładza sprężone powietrze w nich biegnące.

Kliknij aby powiększyć    Wężownica chłodząca (opis na pow.)


Najpopularniejszym obecnie rozwiązaniem w tym zakresie jest stosowanie chłodzenia wymuszonego poprzez zastosowanie specjalnych chłodnic zintegrowanych ze sprężarkami lub w formie niezależnych modułów chłodzących, napędzanych silnikiem elektrycznym.

     
Przykładowe chłodnice powietrza sprężarek (strzałka czerwona -> powietrze rozgrzane, niebieska -> schłodzone)



Osuszanie powietrza jest bardzo istotne z punktu widzenia prawidłowej pracy układu pneumatycznego. Chodzi o wyeliminowanie wilgoci z powietrza. Powietrze zasysane z atmosfery może być mniej lub bardziej zawilgocone. Drobinki wody w układzie pneumatycznym mogą mieć niekorzystny wpływ na jego działanie (korozja, nieszczelności na uszczelnieniach itp.). Aby powietrze było suche, w układzie przygotowania powietrza stosuje się układy wytrącające wodę. W starszego typu pojazdach stosowano rozwiązania wykorzystujące do tego celu alkohol. Przed sprężarką w rurze ssącej powietrze z atmosfery montowano rozpylacz alkoholu. zasysane powietrze pociągało ze zbiornika alkohol, który wytracał wodę z powietrza.

  Rozpylacz alkoholu na dolocie powietrza


Obecnie tego typu rozwiązań w nowoczesnych pojazdach nie stosuje się. W celu osuszenia powietrza za sprężarką stosuje się osuszacze adsorpcyjne. Osuszacz taki działa na zasadzie adsorpcji na zimno w systemie dwukomorowym. Składa się z dwóch identycznych pojemników, wypełnionych środkiem osuszającym. Elektropneumatyczne urządzenie przełączające sprawia, że w jednym pojemniku zachodzi suszenie sprężonego powietrza, a drugi jest połączony jako zbiornik regeneracji (osusza swój wkład). Sprężone powietrze przepływa przez zbiornik suszenia. W tym miejscu wilgoć zawarta w sprężonym powietrzu jest w dużej mierze adsorbowana przez środek osuszający. Gdy środek nie jest w stanie przyjąć więcej wilgoci następuje przełączenie zbiornika w tryb regeneracyjny, suszenie sprężonego powietrza przejmuje drugi zbiornik, z którego wilgoć została już usunięta w procesie regeneracji. I tak na przemian.

  Osuszacz adsorpcyjny


Odolejenie powietrza to proces eliminujący ze sprężonego powietrz drobinki oleju który mógł się do niego dostać z układu smarowania olejowego sprężarki. Olej również ma zły wpływ na działanie układu pneumatycznego - wyobraźmy sobie np. że jakaś uszczelka w elektrozaworze jest zaolejona i nie zapewnia szczelności. Nowoczesne sprężarki oraz osuszacze mają zintegrowane w swojej konstrukcji filtry olejowe. W układzie stosowane są również dedykowane urządzenia odolejające tzw. odolejacze.



b) Układ magazynowania powietrza służy do gromadzenia powietrza wytworzonego w sprężarkach. Sprężone powietrze jest magazynowane w zbiornikach głównych, które zabudowane są w pojazdach trakcyjnych w ich wnętrzu lub na zewnątrz. Ciśnienie w tych zbiornikach osiąga wartość 0,7 - 0,8 MPa (7-8 bar) lub w niektórych przypadkach 1 MPa (10 bar). Spadek ciśnienia w zbiorniku głównym poniżej 0,7 MPa powoduje automatyczne załączenie sprężarki / sprężarek i dobicie sprężonego powietrza do wartości roboczej.
Ilość zbiorników głównych oraz ich pojemność jest zależna od potrzeb wydajności układu pneumatycznego hamulców.

  Zbiorniki główne powietrza w lokomotywie

  Zbiorniki główne w podwoziu EZT

  Zbiorniki główne powietrza na dachu EZT


W układzie pneumatycznym pojazdu stosowane są również zbiorniki takie jak: pomocnicze, sterujące, wyrównawcze, dodatkowe, rozrządcze itp.
Wszystkie zbiorniki wyposażone są w elementy do odwadniania, czyli do okresowego spuszczania z nich nagromadzonej w nich wody. Mimo, że układ przygotowania powietrza realizuje proces osuszania to pojazd w trakcie eksploatacji narażony jest na różne warunki atmosferyczne w tym zmiany temperatur, które mogą powodować skraplanie się wody. Stąd konieczne jest okresowe odwadnianie zbiorników z kondensatu. Dlaczego określanie kondensat? Roztwór w zbiornikach niekoniecznie musi być czystą wodą. Może zawierać dodatkowe zanieczyszczenia takie jak np. cząstki oleju czy inne zabrudzenia niewychwycone w procesie przygotowania powietrza.
Odwadnianie realizowane może być ręcznie przez kurki odwadniające lub automatycznie poprzez automatyczne odwadniacze. Kondensat ze zbiorników jest zebrany i odpowiednio utylizowany. W najnowocześniejszych pojazdach kondensat gromadzony jest w specjalnym zbiorniku, do którego roztwór spływa ze wszystkich zbiorników pneumatycznych na skutek działania układu automatycznego odwadniania.

  Zbiorniki kondensatu



Uproszczony schemat układu zasilania sprężonym powietrzem



c) Układ rozprowadzania powietrza to instalacja pneumatyczna służąca do rozprowadzenia powietrza po pojeździe trakcyjnym jak i składzie pociągu. Sprężone powietrze ze zbiorników głównych przekazywane jest do przewodu zasilającego, skąd jest rozprowadzone do odbiorników pneumatycznych w tym do zasilania układu hamulcowego.


Zasadniczo w pojazdach kolejowych zastosowane są dwa najważniejsze przewody pneumatyczne połączone odpowiednio z pozostałymi rurociągami i podzespołami.

PRZEWÓD ZASILAJĄCY (PZ) – zwany też przewodem pomocniczym jest to rurociąg połączony ze zbiornikami głównymi i służy do zasilania wszystkich pojazdów składu pociągu w sprężone powietrze ze zbiornika głównego, które wykorzystywane jest np. do zasilania pneumatycznego sterowania drzwiami, do zasilania siłowników w wagonach samowyładowczych, czy też zasilania toalet itp.

PRZEWÓD GŁÓWNY (PG) – zwany też przewodem hamulcowym jest to rurociąg biegnący wzdłuż całego składu pociągu w postaci stalowych rur o przekroju 1” lub 1 ¼” pod podwoziem pojazdów. Połączenia pomiędzy pojazdami realizują elastyczne sprzęgi pneumatyczne. Przewód ten odpowiada za transmisję sygnałów pneumatycznych z układu sterującego hamulcem zespolonym do zaworów rozrządczych poszczególnych pojazdów składu pociągu. Ciśnienie zasadnicze w przewodzie głównym wynosi 0,5 MPa (5 bar).


Schematy przebiegu PG i PZ


 
Fragment instalacji pneumatycznej w nadwoziu pojazdu
z widocznym PG i PZ (opis na powiększeniu)



Na łączeniach pojazdów kolejowych, zastosowane są sprzęgi pneumatyczne. W skład sprzęgu pneumatycznego wchodzi kurek odcinający, wąż oraz głowica łączeniowa.
Kurki odcinające umożliwiają zamknięcie danego przewodu, gdy dany pojazd jedzie w składzie pociągu jako pierwszy lub ostatni. Brak zamknięcia przewodu na końcach pociągu powodowałby wylot powietrza do atmosfery. Z tego też powodu przy rozprzęganiu pojazdów należy najpierw zamknąć kurki przewodów powietrznych w rozłączanych pojazdach, a następnie rozłączyć głowice połączeń wężowych (sprzęg pneumatyczny). Po tym dopiero rozpina się sprzęgi mechaniczne i elektryczne.

Sprzęgi pneumatyczne przewodu głównego są malowane na kolor czerwony natomiast przewodu zasilającego na kolor żółty lub biały.



Rozwidlone końce przewodów PG i PZ dla zapewnienia rezerwy


  Sprzęgi powietrzne pojedyncze

  Sprzęgi powietrzne rozwidlone

  Sprzęgi powietrzne rozwidlone (tylko PG)

Kliknij aby powiększyć    Kurki hamulcowe (opis na powiększeniu)


Kliknij aby powiększyć    Kliknij aby powiększyć   
Główki łączeniowe przewodu zasilającego i przewodu głównego



W zespołach trakcyjnych, które są pojazdami trakcyjnymi wieloczłonowymi (jednostkami) połączenia członów między sobą realizują sprzęgi krótkie.
Biegnący w podwoziu przewód główny i zasilający na tych łączeniach posiadają węże elastyczne jednak bez główek łączeniowych. Spowodowane to jest faktem, że człony jednostek nie są rozdzielane podczas służbowej eksploatacji, a jedynie przy naprawach, przeglądach w zakładach obsługujących tabor.

Kliknij aby powiększyć    Sprzęgi pneumatyczne międzyczłonowe


Omówione sprzęgi pneumatyczne stosuje się zawsze gdy pojazdy kolejowe wyposażone są w klasyczne sprzęgi śrubowe UIC lub sprzęgi automatyczne realizujące jedynie połączenie mechaniczne (np. SA-3).

  Sprzęg śrubowy UIC i sprzęgi pneumatyczne

  Sprzęg automatyczny SA-3 i sprzęgi pneumatyczne


W zespołach trakcyjnych jak i czasem wagonach silnikowych zamiast klasycznych sprzęgów śrubowych do połączenia pojazdów mogą być zastosowane przez sprzęgi automatyczne typu Scharfenberga, które realizują jednocześnie połączenie mechaniczne, elektryczne i pneumatyczne pojazdów (Zobacz dział opisujący urządzenia pociągowo - zderzne).

  Sprzęg samoczynny (opis na pow.)

  Jednostki STADLER Flirt sprzęgnięte

Przy takim rozwiązaniu sprzęganie pneumatyczne realizowane jest automatycznie w ramach przyłączy na głowicach sprzęgów.