Kolej > Koleje zębate

Kolej zębata została wynaleziona i zastosowana jako pierwsza - około 12-13 lat przed koleją konwencjonalną (przyczepnościową).
Pierwszy parowóz był wyposażony w napęd zębaty ze względu na obawy, że sama przyczepność stalowych kół do szyn będzie niewystarczająca do ciągnięcia ciężkich składów pociągów.
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 zębatej w Budapeszcie.


W obecnych rozwiązaniach trzecia szyna - zębata jest sytuowana w osi toru pomiędzy szynami jezdnymi. Występują dwa rodzaje tras kolei zębatych:

a) Trasy wyposażone w trzecią szynę na całej długości - takie rozwiązanie stosowane jest gdy pochyłość terenu uniemożliwia zastosowanie konwencjonalnego napędu przyczepnościowego.

b) Trasy posiadające trzecią szynę w wybranych fragmentach - takie rozwiązanie stosuje się, gdy część trasy przebiega na pochyłości dopuszczalnej dla napędu przyczepnościowego, a część trasy na pochyłościach wymuszających zastosowanie napędu zębatego.


W Europie jest 45 linii kolei zębatych z czego 25 w Szwajcarii. 12 ze szwajcarskich to koleje "czysto" zębate, a pozostałe to wykorzystujące w części napęd przyczepnościowy.



Profil trasy pirenejskiej kolei górskiej na trasie Ribes - Nuria z zastosowaniem napędu przyczepnościowego i zębatego


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



Zakresy stosowania napędów przyczepnościowych i zębatych



Rozróżnia się dwa rodzaje systemów zębatych:

1) systemy zębate pionowe polegają na zastosowaniu koła zębatego, pracującego w płaszczyźnie kół jezdnych (wertykalnej). Poniższa fotografia przedstawia trzy głównie stosowane systemy szynowe. Nazwy systemów pochodzą od nazwisk wynalazców:

 
Systemy szyn zębatych (opis na powiększeniu)


- System STRUB - to najprostszy system kolei zębatej. Szyna składa się z jednej linii zębów w kształcie trapezu.


Schemat systemu STRUB

 
Szyna zębata w systemie Struba

 
Szyna zębata Struba w jezdni


- System RIGGENBACH - to najstarszy system kolei zębatej. Szyna zbudowana jest z dwóch podłużnych profili pomiędzy którymi znajdują się zęby.


Schemat systemu RIGGENBACH


Szyna systemu Riggenbacha

 
Koło zębate w szynie Riggenbacha


- System ABT - to dwa lub trzy koła zębate typu Struba połączone są ze sobą, a ich zęby wzajemnie przesunięte o jedną podziałkę w stosunku do siebie. Umożliwia dobre zazębianie się w każdej fazie obrotu.


 
Schemat systemu ABT (jednokrotne i dwukrotne przesunięcie zębów)

 
Szyna systemu Abt



2) system zębaty poziomy polegają na zastosowaniu kół zębatych, pracujących w płaszczyźnie horyzontalnej.

- system LOHER polega na zastosowaniu kół zębatych usytuowanych obok siebie poziomo. Szyna natomiast ma zęby usytuowane w płaszczyźnie horyzontalnej po obu stronach.

 
System zębaty Lohera

System ten eliminuje ryzyko wyskoczenia pojazdu z szyn spowodowane na przykład nie zazębieniem się zębów. Jego skomplikowana budowa (szczególnie rozjazdów i napędu w pojeździe) spowodowała, że nie przyjął się na większą skalę. Eksploatowany jest obecnie tylko na trasie Pilatusbahn w Szwajcarii na trasie kolei górskiej o największym nachyleniu, wynoszącym 480 promil.


 
Elektryczny zespół napędowy do zazębienia poziomego - InnoTrans2022

W związku z zastosowaniem szyny zębatej w osi toru w przypadku stosowania na trasach rozjazdów ich budowa jest bardziej skomplikowana od klasycznych rozjazdów torowych. W systemach zębatych pionowych konieczne okazało się wprowadzenie ruchomego podziału szyn łączących iglice z krzyżownicą. Powstały fragment rozjazdu połączony jest z przestawnymi fragmentami szyn zębatych rozchodzących się torów i poruszany poprzez osobny od iglicowego napęd zwrotnicowy.

 
Rozjazd torowy - widok ogólny (opis na powiększeniu)

 
Iglice (opis na powiększeniu)

 
Rozchodzące się szyny zębate (opis na powiększeniu)

 
Ruchome części szyn zębatych powiązane z szynami (opis na powiększeniu)

 
Typowe szyny skrzydełkowe i dziobownica

Zobacz opis rozjazdów kolejowych - tutaj.



Napęd
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 kolejki


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 z kołem zębatym na osi (stale sprzęgnięte)

 
Zespół napędowy (widok bez silnika) z zestawem kołowym dla toru wąskiego


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 - eksploatacyjnych.
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
A - zestaw kołowy
B - wał napędu zębatego
C - bębny hamulców pasowych
D - napędowe koło zębate
E - skrzynia przekładniowa
1 - koło zębate napędu wału B
2 - koło zębate napędu zestawu kołowego A

 
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.

 
Aparatura w podwoziu wagonu STADLER

 
Wnętrze wagonu STADLER

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:

 

Dla zmniejszenia halsu oraz zużycia elementów zębatych w nowoczesnych pojazdach stosuje się układy smarowania smarem ciekłym w postaci dysz zamontowanych w okolicach napędowego koła zębatego. Okresowo z dysz tryska na koło zębate i szynę smar.

 
Dysze smarujące

 
Koło zębate zazębione z szyną


Zazębianie zębatek
A - BRAK ZAZĘBIENIA - w tej sytuacji mogłoby nastąpić uniesienie wagonu i wykolejenie
B - SYNCHRONIZACJA ZĘBÓW - początek szyny zamocowany sprężyście obniża się pod wpływem nacisku koła zębatego wagonu
C - ZAZĘBIENIE PRAWIDŁOWE


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

 
Hamulec klockowy i pasowy (opis na pow.)

Podczas jazdy na wzniesieniu koła toczne również tracą przyczepność więc również na zestawach tocznych, wyposażonych w koła zębate napędu, montuje się hamulce pasowe.

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.

Zobacz opis hamulców - tutaj.

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