Zestawy kołowe - budowa i eksploatacja > Współpraca zestawów kołowych z torem

Zestawy kołowe to podzespoły taboru kolejowego odpowiadające za bezpośrednią współpracę z szynami toru. Sednem kontaktu między kołami, a szynami jest kształt profilu tocznego koła oraz odpowiednie nachylenie szyn. Profil koła to krzywa opisująca przebieg powierzchni koła na całej jego szerokości. Krzywą tą od strony wewnętrznej powierzchni bocznej koła wyznacza obrzeże, przechodząc później w powierzchnię toczną. Począwszy od podstawy obrzeża średnica powierzchni tocznej koła ulega sukcesywnemu zmniejszeniu w kierunku zewnętrznej powierzchni bocznej. Powierzchnia ta przebiega więc po skosie w stosunku do osi obrotu koła, czyli koło w przekroju ma kształt nawiązujący do stożka.

 
Schemat skośnego profilu kół jezdnych


Aby zestaw kołowy ze skośnym profilem prawidłowo współpracował z szynami konieczne jest zapewnienie odpowiedniego nachylenia szyn. W Polsce szyny w płaszczyźnie pionowej układane są w pochyleniu skierowanym do osi toru o wartościach 1:40 - w torach na podkładach betonowych i drewnianych z szynami typu UIC60 i pochyleniu 1:20 - w torach na podkładach betonowych i drewnianych z szynami typu S49 i ich pochodnymi.

 
Profil koła w odniesieniu do nachylenia szyn


Koła jezdne są w sposób stały zamontowane na osi. Jest to rozwiązanie odmienne w stosunku np. do układów zastosowanych w pojazdach samochodowych, gdzie naprzeciwległe koła zamontowane są na tzw. półosiach. Te z kolei są połączone ze sobą poprzez mechanizm różnicowy (tzw. dyferencjał). Mechanizm ten to zespół przekładni zębatych, który ma  za zadanie kompensację różnicy prędkości obrotowej kół osi podczas pokonywania przez nie torów jazdy o różnych długościach. Taka sytuacja ma np. miejsce podczas jazdy po łukach w płaszczyźnie poziomej, gdy koło pokonujące drogę po mniejszym promieniu przebywa mniejszy odcinek drogi niż koło poruszające się po większym promieniu. Zastosowanie dyferencjału zapobiega wytwarzaniu się niepożądanych naprężeń w układzie biegowym i napędowym w tym ogranicza powstawanie poślizgów pomiędzy oponami, a jezdnią.

 
Zasada dyferencjału w pojeździe samochodowym
r1 - promień toru jazdy dla koła wewnętrznego (krótsza droga)
r2 - promień toru jazdy dla koła zewnętrznego (dłuższa droga)
A - mechanizm różnicowy (dyferencjał)
V1 > V2 - prędkość na styku opony z jezdnią


W pojazdach kolejowych rolę mechanizmu różnicowego pełni właśnie stożkowaty kształt profilu koła. Podczas jazdy po łuku, zestaw kołowy przesuwając się względem osi toru, zgodnie z działaniem siły odśrodkowej powoduje, że jedno koło styka się z szyną inną średnicą niż przeciwne. W ten sposób następuje wyrównanie prędkości obrotowych kół.
Dodatkowo taki kształt powierzchni tocznej powoduje, że zestaw na odcinku prostym dąży do samoczynnego wyśrodkowania się względem osi toru.

 
Zasada dyferencjału w zestawach kołowych kolejowych
r - promień poziomy toru
r1 - promień szyny wewnętrznej toru (krótsza droga)
r2 - promień szyny zewnętrznej toru (dłuższa droga)
d1 < d2 - średnica w miejscu styku koła z szyną
V1 > V2 - prędkość na okręgu styku koła z szyną


Poniżej zamieszczam filmy, wyjaśniające powód stosowania w kolejnictwie zestawów kołowych ze stożkowatym profilem tocznym kół osadzonych sztywno na osi.





Profil koła o stożkowatej powierzchni ma więc niewątpliwe zalety - ułatwia pokonywanie łuków torowych w efekcie ograniczając zużycie bieżni kół na skutek minimalizowania poślizgów i naprężeń, pochodzących od różnic w prędkościach obrotowych kół na styku z szynami podczas jazdy po łukach. Taka konstrukcja jest jednak również powodem powstawania zjawiska zwanego wężykowaniem zestawu kołowego jak również wózka i całego pojazdu.
Wężykowanie polega na cyklicznym, poprzecznym względem osi toru przemieszczaniu się zastawu kołowego jadącego po torze prostym.

 
Zjawisko wężykowania

Idealnym zachowaniem zestawu kołowego podczas poruszania się po torze prostym jest jazda z utrzymaniem przez zestaw kołowy jednopunktowego styku kół z szynami. Jest to styk tylko pomiędzy powierzchniami tocznymi kół, a szynami. Siły boczne oddziałujące na pojazd są jednak zjawiskiem normalnym. Powodują one poprzeczne ruchy pojazdu w tym też przekładają się na przesuwy zestawów kołowych. Właściwa współpraca zestawu kołowego z szynami toru podczas jazdy po torze prostym występuje, gdy siły poprzeczne są niwelowane w ruchu wężykowym w taki sposób, że nie dochodzi do powstania styku dwupunktowego. Styk dwupunktowy ma miejsce gdy wartość sił od wymuszeń poprzecznych jest na tyle duża, że nie może być zniwelowana przez ruch wężykowy. W takiej sytuacji dochodzi do nabiegnięcia zestawu kołowego na jedną z szyn i oparcie się obrzeża koła o boczną powierzchnię główki szyny.

 

Styk jednopunktowy i dwupunktowy zestawu kołowego


Projektując pojazdy szynowe, w tym układy biegowe, oparcia nadwozia i usprężynowania, przeprowadza się analizy mające na celu zastosowanie takich rozwiązań konstrukcyjnych, które wpłyną na ograniczenie ruchów wężykowych podczas jazdy po torze prostym. Oczywistym jest, że przy wjeździe w łuki torowe na skutek zadziałania znacznych sił bocznych w tym siły odśrodkowej dojdzie do styku dwupunktowego. Zadaniem obrzeża koła jest właśnie kierowanie pojazdu zgodnie z przebiegiem torów. Jednak styk obrzeża z główką szyny powinien być ograniczony do niezbędnego minimum, czyli przede wszystkim w zakresie przejazdu po łukach.
Obrzeże koła stanowi część koła zabezpieczającą przed wykolejeniem, czyli wypadnięciem zestawu kołowego z toru. Wartości sił poprzecznych są tym większe im większa jest prędkość pojazdu. Oczywiście istotnym czynnikiem w tym zakresie jest również stan infrastruktury (jakości toru), po którym pojazd się porusza. Im gorszy stan toru (np. wichrowatość) tym konieczne jest ograniczenie prędkości eksploatacyjnej. Analogicznie sprawa się ma do stopnia niedoboru przechyłki na łuku torowym, która w pewnym stopniu kompensuje siłę odśrodkową na łukach.

Niebezpieczna sytuacja zaczyna się tworzyć gdy koło coraz mocniej napiera poprzecznie na szynę, na skutek rosnących wartości sił bocznych (boczne wymuszenia). W takiej sytuacji zanika styk dwupunktowy i następuje tylko jednopunktowy styk obrzeża główką szyny. Płaszczyzna toczna traci styk z główką szyny i postępuje tzw. wspinanie się obrzeża na szynę. Postępujące wymuszenia boczne mogą w takiej sytuacji doprowadzić do zejścia koła z szyny i w efekcie wykolejenia pojazdu.

 
Styk jednopunktowy obrzeża i wykolejenie


Kryterium bezpieczeństwa przez zejściem koła z szyny określa warunek Nadala. Jest to tzw. kryterium bezpieczeństwa przed wykolejeniem, które zostało wprowadzone ma początku XX wieku i obowiązuje do dnia dzisiejszego. Według tego kryterium pojazdy szynowe projektuje i bada się w aspekcie bezpieczeństwa przed wykolejeniem. Jest to stosunek siły poprzecznej Y (od wymuszenia bocznego) w punkcie styku koła z szyną do siły pionowej Q (od masy pojazdu) przenoszonej w punkcie styku koła z szyną. Z tej definicji wiemy, że parametr ten wynika z warunku równowagi sił na powierzchni styku koła i szyny. Przekroczenie wartości Y/Q = 1,2 oznacza możliwość powstania zjawiska tzw. wspinania się obrzeża na główkę szyny, w efekcie mogącego doprowadzić do wykolejenia. W rozwinięciu wzoru dochodzi do ścisłej zależności współczynnika wykolejenia od współczynnika tarcia oraz kąta pochylenia obrzeża. Przyjmuje się obowiązujący kąt nachylenia obrzeża koła = 70 stopni oraz współczynnik tarcia 0,36.
Parametr Y/Q poza obliczeniami podczas procesu projektowego pojazdu, bada się w warunkach rzeczywistych. Podczas testów w trakcie prowadzonych badań homologacyjnych prototypowego pojazdu na torze badawczym, analizuje się siły występujące pomiędzy kołem a szyną, symuluje się niedobór przechyłki toru i sprawdza zachowanie pojazdu pod względem wartości wspinania się obrzeża na główkę szyny. Pozwala to potwierdzić poprawność zastosowanych rozwiązań, co przekłada się na potwierdzenie pojazdu z wymaganiami bezpieczeństwa.
Siłę prowadzącą Y należy wyznaczyć na torze o promieniu R = 150 m bez przechyłki. Mierzy się wtedy parametry takie jak: siły prowadzące na wewnętrznym i zewnętrznym kole badanego zestawu kołowego, siły pionowego nacisku na wewnętrznym kole badanego zestawu kołowego oraz kąt nabiegania prowadzącego zestawu kołowego.

Przy projektowaniu, badaniach, eksploatacji oraz naprawach pojazdu szynowego aspekt bezpieczeństwa przed wykolejeniem jest jednym z najważniejszych kryteriów, przy kwalifikacji pojazdu do ruchu. Jeśli kryterium „bezpiecznej jazdy” nie jest spełnione, to nie ma podstaw do prowadzenia pozostałych badań taboru (dynamika, hamulce, wytrzymałość strukturalna itp.). Trzeba mieć jednak na uwadze, że kryterium bezpieczeństwa eksploatacji w zakresie współpracy z torem jest zależne nie tylko od taboru, ale również od infrastruktury torowej. Nie ma bezpiecznego pojazdu bez poprawnie wybudowanej i utrzymywanej infrastruktury torowej jak i na odwrót - nie ma bezpiecznego toru bez poprawnie wyprodukowanego i utrzymanego pojazdu.


Do badania parametrów wichrowania pojazdu i odczytu nacisków poszczególnych kół zestawów kołowych wykorzystuje się np. stanowiska do pomiarów nacisków zestawów kołowych w tym mas pojazdów. Stanowisko takie w sposób zautomatyzowany wykonuje pomiary zmian pionowych nacisków kół w funkcji ich podnoszenia i opuszczania wg krzywej histerezy z poziomej płaszczyzny toru.

 
Stanowiska do pomiarów nacisków - rozkładu mas (TENSAN)


Systemy TENSAN są rodziną urządzeń diagnostycznych do kontroli, oceny stanu technicznego i regulacji zawieszenia pojazdów szynowych. Zastosowana metoda wymuszonego wichrowania kół zapewnia z eliminację tarcia histerezowego i w rezultacie pozwala na dokładną i szybką ocenę niezrównoważenia nacisków kół w procesie utrzymania taboru kolejowego. Nierównomierność rozkładu nacisków kół zmniejsza bezpieczeństwo jazdy przed wykolejeniem, zwiększa tempo zużywania się obrzeży kół oraz pogarsza spokojność biegu.


W Polsce wszystkie pojazdy dopuszczane do ruchu przechodzą testy dynamiczne w Ośrodku Eksploatacji Toru Doświadczalnego Instytutu Kolejnictwa w Węglewie koło Żmigrodu (woj. dolnośląskie). Długość pętli toru testowego wynosi 7725 m.

 
Ośrodek Eksploatacji Toru Doświadczalnego Instytutu Kolejnictwa (maps.google.pl - link do lokalizacji)

   
Ośrodek Eksploatacji Toru Doświadczalnego Instytutu Kolejnictwa

Więcej informacji Ośrodku ETD - tutaj.