Podwozia, wózki i zestawy kołowe > Współpraca zestawów kołowych z torem

Pojazdy tramwajowe poruszają się po torach z zastosowaniem szyn typu kolejowego oraz szyn tramwajowych (rowkowych). W nawierzchni torowej tramwajowej stosuje się odmiennie niż na kolei rozjazdy. Powszechnie stosowane są rozjazdy z krzyżowaniami płytkorowkowymi. Przejazd koła po takiej krzyżownicy odbywa się z wykorzystaniem obrzeża koła, które przejmuje z powierzchni tocznej wszystkie obciążenia pionowe (powierzchnia toczna nie ma styku z główką szyny). Z tego powodu koła tramwajowe mają odmienny kształt grzbietu obrzeża (wypłaszczony) w stosunku do kół kolejowych. Powyżej opisana sytuacja nie występuje w gdy w rozjazdach zastosowane są krzyżownice głębokorowkowe. Wtedy przejazd po krzyżowaniu szyn odbywa się z ciągłą współpracą powierzchni tocznej z główką szyny i obrzeże nie bierze udziału w przenoszeniu obciążeń pionowych (analogicznie jak na kolei). Stosowanie krzyżownic głębokorowkowych wymaga jednak zabudowy w pojazdach szerokich obręczy kół (pow. 100 mm), a kąt przecięcia szyn na krzyżownicy nie może przekraczać 30 stopni. Z tego też powodu zestawy kołowe tramwajowe muszą być zawsze przystosowane do współpracy z krzyżownicami płytkorowkowymi.  Ten aspekt jest też głównym problemem w zakresie dostosowania profilu koła kolejowego do współpracy z nawierzchnią torową tramwajową i odwrotnie. 

Schemat przecięcia szyn z krzyżownicą płytkorowkową (opis na powiększeniu)

W komunikacji tramwajowej  występują również znacznie mniejsze poziome promienie łuków torowych niż te stosowane na trasach kolejowych. Minimalnym promieniem łuku poziomego dopuszczalnym dla magistralnych tras kolejowych to 150 m. Dla warunków warsztatowych (bocznic) czyli np. w ramach układu torowego zapleczy utrzymaniowych, gdzie jeździ się z małymi prędkościami dopuszcza się stosowanie łuków o promieniu 80 m. W komunikacji tramwajowej, w powszechnym użyciu są łuki torowe o promieniu poziomym 18 m, a czasem nawet 14 m.


Uproszczone porównanie promieni ciasnych łuków torowych kolejowych i tramwajowych 

Z punktu widzenia konstrukcji pojazdów tramwajowych wymaga to znacznie większego zakresu podatności wózków względem nadwozia (pojazdy z wózkami skrętnymi) lub przy stosowaniu wózków sztywnych odpowiednio krótkich członów, pozwalających na taką skrętność w zakresie przegubów międzyczłonowych. Bardzo istotne jest również zapewnienie optymalnego rozstawu osi w wózkach (tzw. bazy wózka) w celu zapewnienia prawidłowego przejazdu zestawów kołowych danego wózka po ciasnych łukach (by nie dochodziło do klinowania się kół zestawów). Zasadniczo w tramwajach nie przekracza się rozstawu osi wynoszącego 1900 mm. Przy zastosowaniu wózków skrętnych ich kąt obrotu względem nadwozia na ciasnych łukach dochodzi nawet do 13 stopni. W odniesieniu do pojazdów kolejowych mówimy o kącie rzędu kilku (1-3) stopni. Z tym wiąże się również znacznie większy kąt nabiegania koła tramwajowego na główkę szyny, doprowadzając do powstawania większych zużyć zarówno kół jak i szyn oraz zwiększonej emisji hałasu na skutek tarcia i poślizgów występujących między kołami, a szynami.


Wózki skrętne - kąt obrotu wózka względem nadwozia

Warto też zwrócić uwagę, że przy jeźdźcie po torach wyposażonych w szyny typu tramwajowego (rowkowe) obrzeże koła współpracuje z szyną nie tylko od strony wewnętrznej jak w pojazdach kolejowych, ale również może współpracować od strony zewnętrznej, czyli opierając się o kołnierz szyny rowkowej. Z tego powodu dochodzi do obustronnego zużywania się obrzeży. Do tego dochodzi jeszcze opisana wcześniej współpraca wierzchołka obrzeża z rowkiem krzyżownicy płytkorowkowej w zakresie przenoszenia obciążeń pionowych, co również wpływa na występowanie zużycia obrzeża w zakresie jego wysokości. 

Przy zastosowaniu w wózkach klasycznych zestawów kołowych współpraca z szynami toru jest analogiczna jak w pojazdach kolejowych. Zestawy kołowe dzięki skośnemu kształtowi profilu kół dążą do samocentrowania się względem osi toru w ramach tzw. ruchu wężykowania zestawu kołowego.


Zestaw kołowy i stożkowy kształt profili tocznych (bieżni) kół

Koła w takich zestawach są sztywno zamontowane na osi, co jest odmiennym rozwiązaniem 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 obwodowej 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 szynowych z klasycznymi zestawami kołowymi rolę mechanizmu różnicowego pełni wspomniany stożkowaty kształt profilu koła. Podczas jazdy po łuku, zestaw kołowy przesuwając się poprzecznie 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 obwodowych kół. 

  
Zasada dyferencjału w klasycznych zestawach kołowych
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 film, wyjaśniający powód stosowania zestawów kołowych ze stożkowym profilem tocznym oraz osadzonych sztywno na osi.




Profil koła o stożkowej 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 obwodowych kół na styku z szynami podczas jazdy po łukach. Podczas jazdy po odcinku prostym ze względu na sztywne połączenie kół dochodzi do zjawiska samosterowania się zestawu względem osi toru, gdyż naprzemienie jedno kół zestawu staje się kołem napędzającym zestaw, a przeciwległe kołem hamującym zestaw. W efekcie zostaje wytworzony ruch wężykowy zestawu kołowego jak również w efekcie wózka i całego pojazdu.
Wężykowanie polega na cyklicznym, poprzecznym względem osi toru przemieszczaniu się zastawu kołowego jadącego po torze prostym.

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.
Należy jednak pamiętać, że w przypadku jazdy po torach z szynami typu tramwajowego, o czym była mowa wcześniej, może dochodzić do obustronnego kontaktu obrzeża z szyną, czyli od strony zewnętrznej obręczy z główką szyny (strona czynna obrzeża), a od strony wewnętrznej obręczy z kołnierzem szyny (strona bierna obrzeża). Taka sytuacja ma miejsce szczególnie gdy nastąpi zużycie główki szyny. 


Styki koła z szynami toru
A - styk jednopunktowy (tylko powierzchnia toczna)
B - styk dwupunktowy (powierzchnia toczna i strona czynna obrzeża)
C - styk dwupunktowy (powierzchnia toczna i strona bierna obrzeża)
czerwona linia - zarys niezużytej główki szyny

Poniższy film pokazuje współpracę koła tramwajowego z szyną typu tramwajowego (rowkową).

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. 


Styk koła z szyną

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 strony czynnej obrzeża z głowką szyny 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.
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.

Sztywne połączenie kół osią (klasyczny zestaw kołowy) sprawdza się powszechnie w zakresie transportu kolejowego, gdzie trasy mają duże promienie łuków torów (przynajmniej 150 m na liniach magistralnych). W komunikacji tramwajowej zastosowanie klasycznych zestawów kołowych sprawdza się gdy jazda odbywa się po łukach torowych nie mniejszych niż ok. 120 m dla torów o normalnym rozstawie szyn i około 80 metrów dla rozstawu wąskiego. Wtedy zjawisko samosterowania (centrowania) zestawu kołowego powoduje, że następuje wyrównanie prędkości obwodowych kół i nie dochodzi do poślizgu wzdłużnego na styku kontaktowym kół z szynami. Różnice w średnicach punktów kontaktu koła z szyną jaką da się uzyskać przy stosowanych profilach kół i szyn wynosi ok. 4 mm (a).


Różnica średnic w miejscu styku podczas jazdy po łuku

Przy ciasnych łukach, aby układ prawidłowo wyrównywał prędkości obwodowe różnica obwodów punktów styku kół z szynami potrzebna jest znacznie większa (nawet ponad 18 mm przy łukach o promieniu 25 m, gdzie najciaśniejsze łuki stosowane w Europie sięgają nawet 14 m), co nie jest możliwe do uzyskania na drodze mechanicznej. W związku z tym ciaśniejsze łuki torowe, powszechnie występujące w komunikacji tramwajowej, powodują zwiększanie występowania poślizgów wzdłużnych kół, w efekcie których generowane jest tarcie prowadzące do zużyć w układzie biegowym (w tym szczególności zużyć profilu kół) oraz zwiększa się  hałas emitowany przez pojazd. Im te zużycia są większe tym częściej trzeba reprofilować zestawy kołowe. Dlatego o ile w pojazdach kolejowych poślizgi wzdłużne w zakresie współpracy zestawów kołowych z szynami występują rzadziej i można je traktować jako wyjątki od reguły, to w pojazdach tramwajowych, które jadą często po ciasnych łukach, zjawisko występowania poślizgów wzdłużnych jest powszechne i bardzo niepożądane. Dąży się do jego ograniczenia w celu wydłużenia trwałości kół i szyn. Ograniczenie zużyć eksploatacyjnych poprzez redukcję tarcia od poślizgów wzdłużnych, ale również i poprzecznych, realizuje się jazdą poprzez stosowanie szyn typu tramwajowego oraz zapewnieniem odpowiedniej podatności układu prowadzenia zestawów kołowych i pierwszego stopnia usprężynowania.  

Pod koniec ubiegłego wieku rozpoczęła się powszechna produkcja tramwajów niskopodłogowych (w pełni lub częściowo). Takie rozwiązanie spowodowało, że w celu zapewnienia w pełni niskiej podłogi konieczne było zrezygnowanie z klasycznej osi łączącej koła. W efekcie powstały tramwaje z niezależnie obracającymi się kołami. Rozprzężenie kół spowodowało utratę opisanej wcześniej zasady samoprowadzenia się zestawu kołowego i wielu przypadkach na skutek niedopracowania układu doprowadzało do powstawania znacznie większych i nieregularnych zużyć kół w stosunku do układu klasycznego. Jednak doświadczenia eksploatacyjne i rozwój rozwiązań technicznych, w tym również układów sterowania, spowodował, że wiele obecnie eksploatowanych tramwajów z kołami niezależnymi charakteryzuje się mniejszym zużyciem profili kół w stosunku do układu klasycznego.  Jednym z rozwiązań jest zastosowanie grupowego napędu naprzeciwległych kół ramy wózka z zastosowaniem napędu asynchronicznego. Na przykładzie tramwajów SIEMENS serii Combino obydwa silniki trakcyjne napędu wzdłużnego zasilane są z jednego falownika. Teoretycznie występuje między naprzeciwległymi kołami sprzężenie "wałem elektrycznym", będące odpowiednikiem klasycznej osi. Jednak charakterystyka asynchronicznych silników trakcyjnych powoduje, że maszyny te pracują z pewnym poślizgiem jak tłumiki drgań skrętnych, powodując lepsze parametry dynamiczne związane ze współpracą kół z szynami toru. Innym rozwiązaniem stosowanym w tramwajach z niezależnymi kołami, którego zadaniem jest optymalne prowadzenie wózków przez ograniczenie poślizgów wzdłużnych kół podczas jazdy po łukach jest zastosowanie tzw. dyferencjału elektronicznego, gdzie np. sąsiednie koła wózka lub każe koło wózka jest napędzane niezależnym silnikiem trakcyjnym i zasilanym z niezależnego przekształtnika trakcyjnego. Odpowiedni dobór prędkości obrotowych kół oraz momentów obrotowych silników umożliwia "zapanowanie" nad prowadzeniem zestawów kołowych w torze. Wymaga to jednak opracowania zaawansowanych systemów sterowania trakcją.


Schematy konfiguracji napędu tramwajów z kołami niezależnymi
ST - silnik trakcyjny
P - przekładnia napędowa
PT - przekształtnik trakcyjny (falownik)

Kliknij tutaj i ozbacz opis zespołów napędowych stosowanych w tramwajach.

Wózek z grupowym napędem kół (jeden silnik napędza dwa koła z jednej strony wózka)

Wózek z indywidualnym napędem każdego koła


Stosowanie niezależnego napędu każdego koła w wózku w wielu przypadkach doprowadziła do wydłużenia bazy wózka i tym samym wygenerowania większych kątów nabiegania kół w łukach torów, co niweczyło wszystkie zalety niezależnie obracających się kół. Niestety złe doświadczenia eksploatacyjne z konkretnych konstrukcji rzuciły cień na ideę niezależnie obracających się kół.
O ile w wózkach napędowych to bezpośrednio poprzez stożkowy kształt koła oraz odpowiedni układ napędowy steruje się  współpracą wózka z torem, to w przypadku wózków tocznych nie jest to możliwe. Zastosowanie niezależnych kół w wózkach tocznych w celu ograniczenia ich zużyć, powoduje konieczność stosowania różnych zabiegów związanych z podatnością przegubów międzyczłonowych, ale nie tylko. Pośrednio na wpisywanie się takich wózków w łuki torowe może mieć również odpowiednio skalibrowany układ napędowy. Poprzez niezależne sterowanie napędem poszczególnych wózków napędowych (skrajnych) można generować odpowiednio siły ściskające lub rozciągające człony wagonu tramwajowego. Czyli np. przedni wózek „ciągnie” bardziej niż tylny, powodując w efekcie, przy współpracy odpowiednio zaprojektowanymi przegubami międzyczłonowymi, generowanie takich sił dynamicznych na wózki toczne, które powodują ich odpowiednie nastawianie się w momencie wchodzenia i przejeżdżania przez łuki torowe. Dzięki temu doprowadza się do zmniejszenia poślizgów kół, a więc i zużyć. 

Jak pokazały doświadczenia powyższe rozwiązania u niektórych producentów nie sprawdziły się. Stąd też przy wyborze układów napędowych i biegowych do tramwajów powszechnie pojawia się pytanie, czy zastosować klasyczne zestawy kołowe mające za sobą około 200 lat eksploatacji i znane wady (kosztem nie w pełni płaskiej podłogi), czy też wprowadzić w pełni niską podłogę z rozwiązaniami opartymi o niezależne koła. Nie można przyjąć stanowiska, że układ niezależnych kół jest gorszy lub lepszy od klasycznego zestawu kołowego. Jak opisałem wcześniej w komunikacji tramwajowej, klasyczny układ zestawu kołowego też nie jest optymalnym rozwiązaniem, a zastosowane układy z kołami niezależnymi przy właściwym zaprojektowaniu potrafią być bardziej ekonomiczne z punktu widzenia kosztów eksploatacji w stosunku do układów klasycznych. Często jednak z przewoźnicy wybierają rozwiązania w odniesieniu do możliwości finansowych, czy też swoich przyzwyczajeń. Dotyczy to pojazdów zarówno w układzie klasycznym jak i z niezależnymi kołami - jednak niekoniecznie dopracowane w sposób optymalny.  

Jak z powyższego opisu wynika, przy stosowaniu typowych kół tramwajowych w układzie klasycznym, czy niezależnym, tramwaje które poruszają się po ciasnych łukach, są skazane na zjawisko poślizgów w zakresie prowadzenia zestawów względem toru. Na dzień dzisiejszy nie da się tego zjawiska całkowicie wyeliminować, ale istnieją rozwiązania, które mogą to zjawisko ograniczyć. Mowa tu opisanych powyżej rozwiązaniach pojazdowych, stosowaniu układów smarowania obrzeży kół (pojazdowe lub torowe), jak również rozwiązania związane bezpośrednio z infrastrukturą - odpowiednie utrzymanie stanu technicznego nawierzchni torowej.

Zobacz opis układu smarowania obrzeży w pojazdach - tutaj oraz w infrastrukturze - tutaj.

Zobacz artykuł na temat współpracy z torem klasycznych zestawów kołowych i układów z kołami niezależnymi