Kolej     |     Tramwaje     |     Metro     |     Mapa sieci trakcyjnej     |     Symulator tramwaju NGT6

Autor     |     Strona     |     Kontakt     |     Fotorelacje     |     Książka Gości    


Kolej

Powrót

Rodzaje podwozi i wózki

Budowa wózków

Wózek jezdny to zespół będący podstawową składową podwozia wózkowego pojazdu szynowego. Jego budowa i charakterystyka pozwala poruszać się pojazdowi zgodnie z przebiegiem torów. Wózki są zamocowane podatnie w stosunku do nadwozia pojazdu (mają możliwość obrotu / przesuwu względem nadwozia), przez co mogą wykonywać względem niego ruchy o ograniczonym zakresie, wpisując się tym samym odpowiednio w łuki torowe.
Nadwozie obciąża zestawy kołowe poprzez ramę wózka, na której się opiera.

Rozróżnia się dwa podstawowe rodzaje wózków jezdnych: napędne czyli te, których zestawy kołowe pełnią rolę napędową oraz wózki toczne, których zestawy kołowe pełnią tylko funkcję toczną. Obydwa wymienione rodzaje wózków wyposażone są w elementy wykonawcze układu hamulca ciernego.


W pojazdach szynowych wózki klasyfikuje się pod względem ilości zestawów kołowych w nich zabudowanych. Wyróżnić możemy wózki jednoosiowe, dwuosiowe, trzyosiowe i czteroosiowe.


a) Wózki jednoosiowe można spotkać w lekkich pojazdach szynowych takich jak np. wagony silnikowe, czy spalinowe zespoły trakcyjne. Ze względu na małą stabilność wzdłużna spowodowaną zabudowanym tylko jednym zestaw kołowym, muszą one posiadać odpowiednio duży rozstaw elementów odparcia nadwozia.
Ze względu na zastosowanie jednego zestawu kołowego ten rodzaj wózków można na pierwszy rzut oka pomylić z podwoziem ostojnicowym. Przy ocenie budowy konkretnego pojazdu z tego typem podwozia należy się dobrze przyjrzeć, czy pomiędzy ramą nadwozia (ostoją pojazdu), a zestawem kołowym zastosowana jest rama wózka z układem oparcia nadwozia. Jej brak oczywiście oznacza, ze mamy do czynienia z pojazdami ostojnicowymi.

Kliknij aby powiększyć    Kliknij aby powiększyć   
Przykładowe wózki jednoosiowe


Dla porównania:

  Zestaw kołowy pojazdu ostojnicowego (opis na pow.)




b) Wózki dwuosiowe to najbardziej popularny rodzaj wózków stosowanych w pojazdach szynowych. Stosowane są powszechnie w lokomotywach o masie do 90 t, elektrycznych i spalinowych zespołach trakcyjnych, wagonach osobowych i towarowych itp.

     
Przykładowe wózki dwuosiowe





c) Wózki trzyosiowe stosuje się głownie w ciężkich lokomotywach towarowych o masie do 135 t oraz w wagonach towarowych o ładowności 90 t. Ze względu na swoją długość stwarza problemy w pokonywaniu łuków o niewielkich promieniach. Przy jeździe po ostrych łukach dochodzi do szybszego zużywania się zestawów kołowych jak i szyn. Z tego powodu dla poprawienia parametrów eksploatacyjnych można spotkać pojazdy z wózkami trzyosiowymi, w których koła środkowego zestawu kołowego mają inny profil (węższe obrzeże), w wyniku czego lepiej spisują się w tor bez utraty parametrów związanych z rozłożeniem nacisków.

Kliknij aby powiększyć    Kliknij aby powiększyć    Kliknij aby powiększyć   
Przykładowe wózki trzyosiowe





d) Wózki czteroosiowe stosowane są nielicznie w wagonach towarowych specjalnej budowy i w niektórych lokomotywach. W zakresie lokomotyw taki układ podwozia można spotkać głównie w pojazdach eksploatowanych w Stanach Zjednoczonych, Kanadzie i krajach byłego ZSRR.


Specyficzną odmianą wózków jezdnych są wózki w systemie Jacobsa. Takie wózki stosowane są na łączeniach członów pojazdów. Na jednym wózku opierają się nadwozia dwóch sąsiednich członów, w miejscu, gdzie znajduje się przegub międzyczłonowy.

 
Wózki Jacobsa i wózki klasyczne

- wózki klasyczne - kolor czerwony - wózki w systemie Jacobsa - kolor niebieski


Wózki w takim systemie stosuje się w zespołach trakcyjnych, pociągach zespolonych, tramwajach i wagonach członowych.

  Wózek Jacobsa na łączeniu członów zespołu trakcyjnego


Zaletami stosowania takiego układu wózków jest lepsze zachowanie dynamiczne pojazdu, mniejszy opór toczenia, mniejsza masa pojazdu oraz niższe koszty nabycia i eksploatacji z powodu zmniejszonej sumarycznej liczby wózków i zestawów kołowych w pojeździe. Zastosowanie wózków Jacobsa zwiększa również bezpieczeństwo przed wykolejeniem oraz po jego wystąpieniu - wózki takie "wiążą" ze sobą sąsiednie człony zapewniając im lepszą wzajemną stabilność.
Do wad tego systemu zaliczyć można utrudnione kwestie związane z utrzymaniem pojazdów, gdyż w celu rozłączenia członów, konieczne jest zastosowanie dodatkowych wózków technologicznych, podpierających człony, tracące podparcie wózkiem Jacobsa. Z tego wynika też brak możliwości rozłączenia członów pojazdu w normalnej eksploatacji.

 
Rozłączanie członów - schemat


Konieczne jest również ograniczenie masy nadwozia ze względu na zwiększone naciski zestawów kołowych z powodu mniejszej ilości zestawów. Ważnym aspektem jest również skrajnia taboru, której zarys wymaga skrócenia długości poszczególnych członów względem członów opartych na klasycznych wózkach.

 
Poglądowa różnica długości dwuczłonowego zespołu trakcyjnego na wózkach klasycznych i systemu Jacobsa



Mimo tych wad system Jacobsa jest powszechnie stosowany ze względu na wiele korzyści związanych z lepszą charakterystyką jazdy, niższymi kosztami eksploatacji oraz aspektami bezpieczeństwa, o czym była mowa wcześniej.
Z punktu widzenia konstrukcji należy zauważyć, że wózek Jacobsa przenosi dwukrotnie większe obciążenia pionowe pochodzące od masy nadwozia niż wózek klasyczny. Wynika to z tego, że w klasycznym układzie dwóch wózków pod nadwoziem członów, każdy z wózków jest obciążany połową masy danego nadwozia. Przy zastosowaniu wózków w omawianym systemie, każdy z nich obciążony jest połową masy nadwozi obydwu członów (można więc w uproszczeniu powiedzieć, że jest obciążony jakby masą jednego członu nadwozia).

 
Średnei statyczne bciążenia wózków i średnie statyczne naciski zestawów kołowych

Qp - masa pojazdu
Q1 - masa nadwozia członu 1
Q2 - masa nadwozia członu 2
Qp = Q1 + Q2 + Qw, gdzie Qw to masa wózków



Ilość wózków i zestawów kołowych w podwoziu pojazdu jest zależna od długości pojazdu, ale również jego masy i dopuszczalnych nacisków zestawów kołowych jakie mogą wywierać na tor. Dopuszczalne naciski są określone przez zarządców infrastruktury kolejowej dla danych tras linii kolejowych.

PKP Polskie Linie Kolejowe S.A. jako zarządca narodowej sieci kolejowej w Polsce określił cztery kategorie linii kolejowych z punktu widzenia maksymalnych nacisków:
A - 157 kN/oś (16,0 t/oś)
B - 177 kN/oś (18,0 t/oś)
C - 196 kN/oś (20,0 t/oś)
D - 221 kN/oś (22,5 t/oś)


Przeliczenie masy całkowitej (brutto) pojazdu do generowanego średniego nacisku statycznego zestawu kołowego na tor jest bardzo proste. Przykładowo czteroosiowa lokomotywa o masie 86 t generuje nacisk na tor 21,5 t (86 / 4 = 21,5 t/oś) co oznacza, że może być eksploatowana tylko na liniach kategorii D. Jeżeli po takiej trasie chcemy jechać lokomotywą przykładowo o masie 120 t to musi to być lokomotywa sześcioosiowa (120 / 6 = 20 t/oś). Jak z tych przeliczników również wynika, maksymalna masa lokomotywy sześcioosiowej jak może być eksploatowana na linii kategorii D to 135 t (22,5 x 6 = 135 t).
Z kolei chcąc jechać linią kategorii C pojazd nie może być cięższy niż 80 t dla lokomotywy czteroosiowej i 120 t dla lokomotywy sześcioosiowej.
W przypadku lokomotywy masa jest bardzo istotna z punktu widzenia zapewnienia przyczepności w stosunku do długości zapiętego do niej składu. W niektórych przypadkach lokomotywy specjalnie się dociąża dodatkowym balastem (np, płytami stalowymi, albo blokami żeliwnymi), po to by zwiększyć ich masę w celu zapewnienia przyczepności i w efekcie możliwości wygenerowania siły pociągowej niezbędnej do jazdy z odpowiednio ciężkim składem.
Siła pociągowa to siła wytwarzana przez pojazd ciągnący pokonująca opór stawiany przez pojazd ciągniony. Aby zapewnić odpowiednią siłę pociągową pojazdu musi być zapewniony odpowiedni współczynnik tarcia między kołami, a szynami. Na siłę tarcia czyli, w efekcie przyczepność ma wpływ właśnie masa pojazdu.

W pojazdach pasażerskich takich jak przykładowo zespoły trakcyjne, wagony silnikowe, wagony dąży się do maksymalnej redukcji masy pojazdu w celu przede wszystkim ograniczenia zużycia energii oraz kosztów dostępu do infrastruktury. W pojazdach pasażerskich ich pojemność jest stała. Nie ma możliwości wydłużania lub skracania np. zespołu trakcyjnego wyprodukowanego w konkretnej konfiguracji, czy tez wydłużania lub skracania pojedynczego wagonu. Ważne jest, aby masa takiego pojazdu była optymalna w stosunku do jego maksymalnej ładowności. W omawianym przypadku nie uwzględnia się jak w lokomotywach dołączania kolejnych pojazdów ciągnionych.

Sposób obliczania nacisków dla pojazdów pasażerskich czy wagonów towarowych jest analogiczny jak wcześniej przedstawiony na przykładzie lokomotyw. Przykładowo czteroczłonowy, elektryczny zespół trakcyjny, poruszający się na pięciu, dwuosiowych wózkach i masie brutto 135 t generuje średni statyczny nacisk osi wynoszący 13,5 t. (135 / 10 = 13,5 t/oś). Innym przykładem może być siedmioczłonowy zespół trakcyjny o masie brutto 500 t i zastosowanych czternastu, dwuosiowych wózkach, który przy takim w takim układzie generuje nacisk statyczny 17,8 t (500 / 28 = 17,8 t/oś). Czteroosiowy, dwuwózkowy wagon pasażerski o masie brutto 55 t uzyskuje średni nacisk statyczny wynoszący 13,7 t.
Jak wynika z powyższych rozważań, konfiguracja ilości osi pojazdu ma bezpośredni wpływ na parametry eksploatacyjne.

 
Naciski zestawów kołowych (lokomotywa czteroosiowa)

Średni nacisk zestawu (Qz) = masa pojazdu (Qp) / 4
Średni nacisk koła (Qk) = Qz / 2


  Lokomotywa dwuwózkowa, sześcioosiowa


Rozstaw osi skrajnych w wózkach określany jest jako tzw. baza wózka.

 
Baza wózka (L)



 
Wymiar bazy wózka - oznaczenie na ramie wózka




Podstawowym elementem każdego wózka jest jego rama zwana też ostojnicą, która wsparta jest na zestawach kołowych poprzez więzy łożyskowe, czyli łożyska główne (maźnice), układy prowadzenia zestawów kołowych i usprężynowanie I-ego stopnia.


Ramy wózków wiążą w całość struktury wózka zestawy kołowe, zespoły napędowe i zespoły hamulcowe, układy oparcia nadwozia i usprężynowania oraz wyposażenie dodatkowe zabudowane na wózku. Konstrukcja ram decyduje o bezpieczeństwie jazdy i niezawodności całego pojazdu.
Rama wózka musi być wytrzymała na obciążenia statyczne i dynamiczne. Musi być dostatecznie sztywna i możliwie lekka.
Jej kształt jest zależny od liczby zestawów kołowych oraz ich prowadzenia, typu układu przenoszenia sił pociągowych, sposobu usprężynowania, rodzaju zastosowanych układów napędowych i hamulcowych, prędkości konstrukcyjnej itp.
Mimo swojego zróżnicowania zależnego od stosowanych rozwiązań konstrukcyjnych, ramy wózków mają pewne elementy wspólne. Są nimi dwie podłużnice, zwane też belkami ostojnicowymi - elementy ramy równoległe do osi toru oraz poprzecznice czyli belki poprzeczne do osi toru, stanowiące łączniki dla równolegle usytuowanych podłużnic. Jeżeli w ramie występują poprzecznice łączące końce podłużnic to nazywa się je czołownicami.


Przykładowe ramy wózków (schematy)
A - PODŁUŻNICE (kolor pomarańczowy)
B - POPRZECZNICE (kolor szary)
C - CZOŁOWNICE (kolor niebieski)



Ramy ramy wykonywane są jako:
- spawane blachownicowe,
- spawane z pasów blach o grubościach 12 - 18 mm formie belek skrzynkowych odpowiednio ze sobą łączonych,
- spawane z pasów blach j.w. i elementów odlewanych,
- jako odlewy jednoczęściowe,
- jako odlewy wieloczęściowe.

Do konstrukcji ram wózków stosuje się stal konstrukcyjną niskostopową, czyli stal, w której obok węgla występują w niewielkich ilościach inne dodatki stopowe (do 1%), o dobrych właściwościach spawalniczych i antykorozyjnych.

     
Przykładowe ramy wózków spawane z blach stalowych - skrzynkowe (opis na pow.)



 
Przykładowa rama wózka spawana z blach stalowych (skrzynkowa) i odlewów (opis na pow.)



     
Przykładowe ramy wózków odlewane




Najpowszechniej w Europie produkowane są obecnie ramy wózków spawane w formie konstrukcji skrzynkowych z pasów blachy stalowej i profili stalowych. Projekty wózków wykonywane są w nowoczesnym oprogramowaniu komputerowym 3D w zakresie konstrukcji mechanicznej oraz obliczeń numerycznych wytrzymałościowych. Po wykonaniu projektu rozpoczyna się produkcja. Odpowiednie, zgodne z projektem kształty elementów z blachy wycinane są przez maszyny CNC (np. wycinarki laserowe lub plazmowe). Pozwala to na uzyskanie bardzo dużej dokładności i jakości wykonania elementów.

      Cięcie blachy wycinarką laserową i stanowisko wycinarki plazmowej


Wycięte elementy z blachy przekazuje się do dalszego procesu technologicznego takiego jak gięcie na sterowanych numerycznie prasach krawędziowych, czy obróbki skrawaniem (frezowanie) w celu uzyskania kształtów zgodnych z geometrią przyszłej ramy wózka. W zakresie obróbki istotną częścią procesu jest ukosowanie krawędzi arkuszy blachy wszędzie tam gdzie wymaga tego technologia spawalnicza z punktu widzenia spawania odpowiednimi spoinami. Komponenty składowe ram wózku takie jak podłużnice, czy poprzecznice są wykonywane niezależnie. Do produkcji komponentów ramy jak i całej ramy musi zostać zaprojektowane specjalistyczne, dedykowane oprzyrządowanie, które pozwala na precyzyjne ułożenie części blaszanych, a następnie zespołów i pospawanie z zachowaniem wymaganego kształtu i wymiarów geometrycznych.W wielu wytwórniach proces spawania ram jest częściowo lub w pełni zautomatyzowany i odbywa się z wykorzystaniem robotów spawających.


   
Podłużnice ramy wózka - konstrukcja skrzynkowa spawana z pasów blachy



Po wykonaniu podłużnic i poprzecznic montuje się je odpowiednio w przyrządzie montażowym, w którym następuje zespawanie tych komponentów w całość, uzyskując tym samym główną konstrukcję ramy wózka. Do tak wykonanej ramy wózka spawa się tzw. części przyspawane, czyli rożnego rodzaju wsporniki i elementy montażowe umożliwiające zamontowanie wyposażenia danego wózka.
Na konstrukcji ramy wózka mogą być pozostawione odpowiednie naddatki technologiczne materiału. Jest to spowodowane tym, że w procesie spawania dochodzi do naturalnej pracy materiału stalowego na skutek wprowadzania ciepła z procesu spawania. W związku z tym konstruktorzy i technolodzy na etapie projektowania muszą przewidzieć miejsca występowania skurczy spawalniczych oraz określić tolerancje wymiarowe wykonania konstrukcji spawanej. Po procesie spawania rama przechodzi proces uwalniania skurczy spawalniczych. Może to być realizowane metodą odwibrowania ramy lub jej wyżarzania w specjalnym piecu. Po tym etapie rama jest obrabiana na wielkogabarytowych frezarkach w celu uzyskania bardzo dokładnych wymiarów w miejscach naddatków. Są to strefy strategiczne z punktu widzenia pokaźniejszej eksploatacji ramy w strukturze wózka pojazdu. Obróbka może dotyczyć na przykład miejsc mocowania układów prowadzenia zestawów kołowych, usprężynowania, czy oparcia nadwozia itp.
Podczas kolejnych etapów produkcyjnych odbywa się szczegółowa kontrola jakości wykonania. Ostateczne pomiary kontrolne geometrii ramy są wykonywane po zakończeniu procesu spawania konstrukcji i obróbki mechanicznej. Jeżeli wyniki pomiarów są prawidłowe - zgodne z wytycznymi kart pomiarowych określonych przez konstruktora ramy - rama jest transportowana do lakierni. Tam następuje oczyszczenie i odtłuszczenie konstrukcji stalowej przez zastosowanie obróbki strumieniowo - ściernej, zwanej potocznie śrutowaniem. Następnie rama przechodzi proces wykonywania powłok antykorozyjnych i lakierniczych.
Po lakierowaniu rama przekazana jest na stanowiska montażowe, na których następuje w niej montaż wyposażenia. Po jego zakończeniu gotowy wózek jest regulowany pod względem układów biegowych i usprężynowania i odbywa się tez końcowa kontrola jakości.
Kolejny etap to już montaż wózka pod pojazdem.
Tak przebiega w dużym skrócie proces produkcji wózków stalowych.

Prototypowe ramy muszą według przepisów przejść fizyczne badania wytrzymałościowe pod względem wytrzymałości statycznej i zmęczeniowej. Badania te są docelowo potwierdzeniem prawidłowej metodologii wykonania obliczeń numerycznych zrealizowanych na etapie projektowania oraz potwierdzeniem, zastosowania rozwiązań zapewniających bezpieczeństwo w eksploatacji. Badanie zmęczeniowe ramy wózka przeprowadzane jest na specjalistycznym stanowisku w jednostce certyfikującej. Polega ono na ustawieniu ramy pod prasą hydrauliczną, która wykonuje 10.000.000 naciśnięć w wyznaczonych miejscach (tu gdzie w rzeczywistej eksploatacji oparte jest na ramie nadwozie). Te dziesięć milionów cykli szacunkowo odpowiada procesowi zmęczenia ramy przez okres około 30 lat eksploatacji pojazdu szynowego. W trakcje trwania tego badania, które trwa kilkanaście tygodni, obserwuje się strukturę ramy pod względem ewentualnie pojawiających się zmian, mikropęknięć itd.
Jeżeli test zakończy się pomyślnie, projekt ramy wózka i technologia jej wykonania zostają zatwierdzone do produkcji seryjnej - rama uzyskuje odpowiedni certyfikat. W przypadku nieprawidłowości konieczna jest modyfikacja projektu lub technologii wytwarzania i wyprodukowanie kolejnej ramy do badań. Przebadana rama oczywiście nie może być zastosowana w pojeździe.
Jako ciekawostka - przykładową ramę, która była badana według wyżej opisanej metodologii można zobaczyć przed kampusem Wydziału Mechanicznego Politechniki Krakowskiej, gdzie stanowi obiekt dydaktyczny dla studentów specjalności związanych z projektowaniem pojazdów szynowych.

   
Rama wózka po badaniach wytrzymałościowych
jako obiekt dydaktyczny - kampus WM PK w Czyżynach




Ramy wózków dzieli się na:
- przestrzenne i płaskie,
- otwarte i zamknięte,
- pod względem ilości poprzecznic.


Ramy zamknięte posiadają zawsze czołownice. W ramach otwartych czołownice nie występują.



Ramy przestrzenne
A - otwarta, bezobwodowa - jedna poprzecznica
B - zamknięta, dwuobwodowa - jedna poprzecznica, dwie czołownice
C - zamknięta, trójobwodowa - dwie poprzecznice, dwie czołownice



Ramy płaskie
A - otwarta, jednoobwodowa - dwie poprzecznice
B - zamknięta, dwuobwodowa - jedna poprzecznica, dwie czołownice



Rama wózka integruje sobie układy i podzespoły takie jak np:
- zestawy kołowe z układami prowadzenia
- układy usprężynowania pierwszego i drugiego stopnia usprężynowania (jeżeli występują),
- elementy wykonawcze hamulca ciernego,
- układy przeniesienia sił trakcyjnych z wózka na nadwozie,
- układy napędowy i układ przeniesienia napędu na zestaw kołowy (wózki napędowe)
- układy dodatkowe takie jak np. smarowanie obrzeży kół, piasecznice, bloki czyszczące itp.


Poniżej znajdują się zdjęcia z opisem podstawowej struktury i wyposażenia wybranych wózków pojazdów kolejowych.
Szczegółowy opis poszczególnych rozwiązań zamieszczony jest w stosownych rozdziałach niniejszej strony.

   
Wózek dwuosiowy napędowy (Bo') z ramą przestrzenną otwartą, bezobwodową (opis na pow.)



 
Wózek dwuosiowy napędowy (Bo') z ramą przestrzenną otwartą, bezobwodową (opis na pow.)



 
Wózek dwuosiowy toczny (2') z ramą przestrzenną otwartą, bezobwodową (opis na pow.)



 
Wózek trzyosiowy napędowy (Co') z ramą przestrzenną zamkniętą, trójobwodową (opis na pow.)



 
Wózek dwuosiowy napędowy (Bo') z ramą płaską zamkniętą trójobwodową (opis na pow.)



 
Wózek dwuosiowy napędowy (Bo') z ramą płaską zamkniętą trójobwodową (opis na pow.)



Nietypowy wózek zastosowany jest w pociągach serii ED250 o handlowej nazwie "Pendolino". Zastosowano w nich wózki klasyczyne dwuosiowe toczne o układzie osi 2' oraz nietypowe wózki dwuosiowe napedno-toczne (1A'). Spowodowane to jest rozwiązaniem kosntrukcyjnym, z zamocowaniem silników trakcyjnych w nadwoziu pojazdu poza strefą wózka i przeneisieniem momentu obrotowego na przekładnie osiowe z wykorzystaniem wałów pedędnych Cardana. W klasyfikacji przyjmuje się te wózki jako napędne. Zdjęcie takiego wózka przedstawione jest na poniższej fotografii.

 
Wózek dwuosiowy (1A') z ramą przestrzenną otwartą (opis na pow.)





Demontaż wózków spod nadwozia nazywa się potocznie wywiązem wózków. Najpierw odkręca się mocowanie mechaniczne wózka do nadwozia i odpina się instalacje elektryczne i pneumatyczne oraz hydrauliczne (jeżeli takie występują), łączące wózek z nadwoziem. Następnie nadwozie podnosi się na podnośnikach, po czym wyjeżdża się wózkami spod nadwozia.
Montaż nadwozia na wózkach nazywa się zawiązem wózków.

  Nadwozie podniesione (wywiązane wózki)




Do początku strony



Powrót





Autor     |     Strona     |     Kontakt     |     Książka Gości    

©2004-2021 TRANSPORT SZYNOWY
www.transportszynowy.pl