* Dr inż. Paweł Urbańczyk, mgr inż. Krzysztof Plewniak, Laboratorium Badań Taboru, Pracownia Hamulców, Instytut Kolejnictwa. PAWEŁ URBAŃCZYK, KRZYSZTOF PLEWNIAK * HAMULEC WAGONÓW TOWAROWYCH – PERSPEKTYWY ROZWOJU FREIGHT CARS BRAKE – FUTURE DEVELOPMENT Streszczenie W artykule opisano konstrukcje obecnie stosowanych układów hamulcowych wagonów towa- rowych oraz perspektywy rozwoju. Słowa kluczowe: wagony towarowe, hamulec klockowy, hamulec tarczowy Abstract In the present brake systems in freight cars and future of freight car brakes have been shown. Keywords: freight cars, shoe brake, disc brake
Hamulec wagonów towarowych – perspektywy rozwoju* Dr in. Pawe
Urbaczyk, mgr in. Krzysztof Plewniak, Laboratorium Bada Taboru,
Pracownia Hamulców, Instytut Kolejnictwa.
PAWE URBACZYK, KRZYSZTOF PLEWNIAK*
HAMULEC WAGONÓW TOWAROWYCH – PERSPEKTYWY ROZWOJU
FREIGHT CARS BRAKE – FUTURE DEVELOPMENT
S t r e s z c z e n i e
W artykule opisano konstrukcje obecnie stosowanych ukadów
hamulcowych wagonów towa- rowych oraz perspektywy rozwoju.
Sowa kluczowe: wagony towarowe, hamulec klockowy, hamulec
tarczowy
A b s t r a c t
In the present brake systems in freight cars and future of freight
car brakes have been shown.
Keywords: freight cars, shoe brake, disc brake
318
Z rozwojem kolejnictwa nierozerwalnie wie si rozwój kolejowych
systemów hamul- cowych. Rozwój ten przebiega na wielu paszczyznach
i dotyczy przede wszystkim: udosko- nalania systemów sterowania
hamulcem, zwikszania skutecznoci i niezawodnoci pracy hamulca oraz
poszukiwania nowych rozwiza zapewniajcych ekonomiczn i niezawodn
prac hamulca, szczególnie w sytuacjach awaryjnych.
Pocztkowe lata historii kolei zwizane s z hamulcem klockowym. W
hamulec tego typu wyposaone byy zarówno pojazdy trakcyjne, jak
równie wagony pasaerskie i to- warowe. Stopniowe zwikszanie prdkoci
i mas poszczególnych pojazdów kolejowych oraz pocigów wymogo na
konstruktorach wprowadzenie wielu udoskonale. Zmianom ulegaa
konstrukcja czci pneumatycznej i mechanicznej hamulca, a take
materiay cierne. W kocu zaczy si pojawia nowe typy hamulca, jak np.
hamulec tarczowy oraz hamulce beztarciowe i niezalene od
przyczepnoci koo–szyna.
Obecnie moemy zaobserwowa niezwyk sytuacj – z jednej strony hamulce
taboru pasaerskiego, szczególnie zespoów trakcyjnych, dynamicznie
si rozwijaj, wykorzystujc nawet rozwizania znane z lotnictwa (jak
hamulec aerodynamiczny), natomiast z drugiej strony w rozwoju
hamulców taboru towarowego obserwujemy wrcz stagnacj. Stosowa- ne
obecnie rozwizania w swojej istocie niewiele róni si od konstrukcji
znanych sprzed 100 i wicej lat.
2. Stan obecny
Obecnie w taborze towarowym dominujcym typem hamulca jest hamulec
klockowy. Dla przykadu w Polsce jest w niego wyposaone niemal 100%
wagonów towarowych. W innych krajach sytuacja jest bardzo zbliona i
mona przyj, e nawet w najbardziej rozwinitych technologicznie
zarzdach kolejowych odsetek wagonów z hamulcem klockowym to okoo
97%. Jedyn istotn rónic jest to, e w Polce 99% wagonów towarowych z
hamulcem kloc- kowym wyposaonych jest we wstawki hamulcowe wykonane
z eliwa, natomiast w krajach z modszym taborem jest to okoo
95%.
Po zakoczeniu epoki pary i rozpowszechnieniu si trakcji spalinowej
oraz elektrycz- nej moliwe stao si zwikszenie prdkoci pocigów oraz
ich mas brutto. To z kolei spo- wodowao konieczno unowoczenienia
infrastruktury kolejowej oraz taboru, a zwaszcza ukadów biegowych i
hamulcowych. Ze wzgldu na coraz wiksze energie hamowania oraz dziki
coraz lepszemu poznawaniu procesów zwizanych z hamowaniem hamulec
ten zmie- nia si. Najwaniejsze punkty zwrotne w jego historii to: –
wprowadzenie podziau jednolitego klocka na obsad i wymienn wstawk
hamulcow, – wprowadzenie klocków wielowstawkowych, – zastosowanie
tworzyw sztucznych na materia cierny wstawek hamulcowych. Dla
taboru towarowego w Europie szczególnie wanym momentem byo
wprowadzenie
do eksploatacji wózków typu Y25 (rys. 1), co stao si w poowie
ubiegego wieku. Na owe czasy bya to udana konstrukcja czca prostot,
nowe rozwizania i dobre waciwoci biegowe. Wózek ten sta si
standardowym wózkiem UIC i do dzisiaj jest wytwarzany w Eu- ropie
przez wielu producentów.
319
Rys. 1. Wózek typu Y25 z klasycznym ukadem hamulca klockowego
[2]
Fig. 1. Y25 bogie with traditional shoe-brake [2]
Od tego momentu zauway mona jednak zastój i niech do wprowadzania
nowych rozwiza w wagonach towarowych, szczególnie wózkowych.
Standardowym wagonem to- warowym w Europie sta si obecnie 4-osiowy,
2-wózkowy wagon na wózkach typu Y25, wyposaony w klasyczny ukad
hamulca klockowego. Jedyn nowink w najnowszych kon- strukcjach jest
stosowanie wstawek z materiaów kompozytowych w miejsce wstawek e-
liwnych.
Mimo i pojawio si wiele nowych konstrukcji wózków, np. wózek LEILA
lub Axiom Rail AMIII, to nadal dominuje, i to w konstrukcji nowych
wagonów, wózek Y25 w wielu odmianach.
Podsumowujc, mona stwierdzi, e tabor towarowy tkwi obecnie w
„kolejowym re- dniowieczu”.
3. Rozwój hamulca klockowego i powrót do przeszoci
Para cierna hamulca klockowego w pierwotnej formie skadaa si z koa
i dociskane- go do niego klocka hamulcowego, który by jednolitym
elementem wykonanym z eliwa (rys. 2, pierwsze zdjcie od lewej).
Zwikszanie mocy hamowania i konieczno minima- lizacji negatywnych
skutków procesu hamowania doprowadziy do podzielenia jednolitego
klocka na obsad i wymienne wstawki hamulcowe (jedna do trzech w
jednej obsadzie) – rys. 2 (klocek jednowstawkowy porodku i
dwuwstawkowy po prawej).
Pocztkowo du popularnoci cieszyy si wózki typu Diamond (rys. 3),
które stoso- wane byy ju przed II wojn wiatow, a po niej i do dzi
powszechnie stosowane s w wa- gonach towarowych kolei amerykaskich,
jak te w krajach byego ZSRR. Z punktu widze- nia hamulca istotny
jest fakt, e koa w tych wózkach hamowane s jednostronnie, co nie
zapewnia duej skutecznoci hamowania, lecz we wspomnianych wyej
krajach wymagane minimalne drogi hamowania s dusze ni w Europie. Z
tego wanie wzgldu w europej- skich zarzdach kolejowych
najpopularniejszymi wózkami byy wózki znane w Polsce pod
oznaczeniem 1XT, a nastpnie francuskiego pochodzenia wózki Y25.
Obydwa typy wózków z reguy wyposaone byy w hamulec umoliwiajcy
obustronne hamowanie kó.
320
Fig. 3. Diamond-type bogie [3]
Jak ju wczeniej wspomniano, obecnie dominuje wózek Y25, którego
waciwoci bie- gowe nie s ju dzi uznawane za zadowalajce. Z kolei
równie hamulec klockowy osign kres swoich moliwoci, który wyznaczaj
dopuszczalne obcienia cieplne pary ciernej wstawka–koo. W praktyce
oznacza to, e hamulec ten nie moe by stosowany w wago- nach, które
kursowa mog z prdkociami powyej 120 km/h lub których masa hamujca
przypadajca na o wynosi powyej 18 t.
Pomimo powyszych ogranicze hamulec klockowy jest nadal
rozpowszechniony ze wzgldu na bardzo prost budow ukadu
mechanicznego przekadni, niezawodno dziaa- nia i opanowan
technologi obsugi.
Coraz wysze wymagania stawiane wspóczenie taborowi kolejowemu
dotycz m.in. haasu, który emitowany jest przez wagony towarowe
podczas ruchu. Niestety wagony z kla- sycznym ukadem hamulca
klockowego wyposaone we wstawki eliwne nie speniaj obo- wizujcych
dzi norm. Z tego wanie wzgldu podjto próby wyeliminowania jednego z
najistotniejszych róde haasu – wysokiej chropowatoci i uszkodze
powierzchni tocznej kó wspópracujcych ze wstawkami eliwnymi.
321
Jedn z metod okazao si zastosowanie w miejsce wstawek eliwnych –
wstawek wy- konanych z tworzywa sztucznego. Powierzchnia
wspópracujcych z nimi kó rzeczywicie cechuje si duo wysz jakoci, a
dodatkowo wstawki te zuywaj si znacznie wolniej ni eliwne. Jednak
nie wyeliminowano innych róde haasu, jakimi s np. lune elementy
przekadni hamulcowej. Dodatkowo pojawio si wiele nowych problemów:
zwikszone ob- cienia cieplne kó, wysoka tendencja do oblodzenia
wstawek w warunkach zimowych czy te podatno na uszkodzenia wstawek
wskutek wysokich obcie cieplnych. Nie udao si równie opracowa
takiego materiau ciernego, który byby w peni zamienny ze wstawkami
eliwnymi w dotychczas eksploatowanych wagonach, na skutek czego
wstawki z tworzywa sztucznego stosowane s wycznie w wagonach nowych
lub gboko modernizowanych.
Dalsze prace nad sprostaniem obowizujcym wymaganiom doprowadziy
producentów ukadów hamulcowych do pomysu zabudowy caej przekadni
hamulcowej na wózku. Tak powstay m.in. rozwizania zaprezentowane na
rys. 4–5. Rozwizania te proponowane s najczciej w wersji
zabudowanej na wózku Y25. Powstao te kilka nowych typów wóz- ków,
jednak w znacznej czci opieraj si one na przestarzaej konstrukcji
wózków Y25.
Opisane wyej rozwizania bez wtpienia przyczyniaj si do eliminacji
czci wad kla- sycznego ukadu hamulca klockowego, jednak eliminuj
równie podstawow jego zalet, dla której tak trudno rozsta si z nim
w taborze towarowym – prostot budowy. Dodatkowo naley pamita, e
zredukowanie o poow liczby klocków hamulcowych powoduje ko- nieczno
ponad dwukrotnego zwikszenia si docisku wstawek hamulcowych do kó,
a to moe jeszcze spotgowa problemy, które dla wstawek kompozytowych
nie zostay dotych- czas w peni rozwizane – wraliwo na wysokie
obcienia cieplne i tendencj do pkania wstawek.
Nasuwa si równie wniosek, e zamiast postpu w dziedzinie hamulca dla
wagonów towarowych mamy ju nie tylko stagnacj, lecz wrcz cofamy si
do rozwiza z lat 20. ubiegego wieku, jakimi byy wózki Diamonda z
jednostronnie hamowanymi koami!
Rys. 4. Ukad hamulca klockowego jednostronnego na wózku (typ BFCB
produkcji Faiveley) [5]
Fig. 4. Single sided shoe-brake on the bogie (type BFCB from
Faiveley) [5]
322
Rys. 5. Ukad hamulca klockowego na wózku (typ CFCB produkcji
Knorr-Bremse) [1]
Fig. 5. Single sided shoe-brake on the bogie (type CFCB from
Knorr-Bremse) [1]
4. Przyszo hamulca w wagonach towarowych
Wobec osignicia kresu moliwoci hamulca klockowego, jego wielu
ogranicze oraz coraz nowszych i restrykcyjniejszych wymaga
stawianych taborowi towarowemu naley sobie zada pytanie: jak drog
pody jego rozwój?
ledzc rozwój ukadów hamulcowych w taborze pasaerskim, mona
stwierdzi, e po hamulcu klockowym kolejnym krokiem w postpie jest
hamulec tarczowy, a nastpnie ha- mulce niezalene od przyczepnoci
koo–szyna, jak: hamulec szynowy elektromagnetyczny czy wiroprdowy.
Ze wzgldu na fakt, e wagony towarowe nie posiadaj zasilania w ener-
gi elektryczn, najlepszym rozwizaniem wydaje si zastosowanie
hamulca tarczowego.
Zastosowanie hamulca tarczowego umoliwia zwikszenie realizowanych
mocy hamo- wania przy jednoczenie znacznym obnieniu poziomu
emitowanego haasu nie tylko dzi- ki poprawieniu jakoci powierzchni
tocznej kó, ale równie dziki wyeliminowaniu wielu elementów
klasycznej przekadni hamulcowej, które ze wzgldu na charakter pocze
s równie powanym ródem haasu. Hamulce tarczowe ju od dziesitków lat
stosowane s w taborze pasaerskim i w pojazdach trakcyjnych.
Konstrukcja poszczególnych elemen- tów i podzespoów tego hamulca
jest dopracowana, nowoczesne technologie sprawiaj, e koszt
produkcji jest niszy ni przed laty, zdobyto te wiele dowiadcze
eksploatacyjnych i zgromadzono pokane iloci danych zarejestrowanych
podczas bada. Zasadnicz wad hamulca tarczowego jest brak efektu
oczyszczania powierzchni tocznej kó przez klocki ha- mulcowe
(szczególnie dla wstawek eliwnych) oraz zwikszenie masy
nieusprynowanej, natomiast najwaniejsz zalet jest moliwo
optymalizacji materiau i konstrukcji kó pod ktem dobrych waciwoci
biegowych, a tarcz hamulcowych pod ktem dobrych waciwo- ci ciernych
i skutecznego odprowadzania ciepa wydzielanego w procesie
hamowania. Nie do przecenienia jest fakt, e uszkodzenie tarczy
hamulcowej wskutek np. nieprawidowej pracy lub przecienia hamulca
nie ma zasadniczo wpywu na prawidowo biegu wagonu,
323
w przeciwiestwie do hamulca klockowego, gdzie uszkodzenie koa,
bdcego równocze- nie elementem pary ciernej hamulca, moe doprowadzi
do wykolejenia i katastrofy.
W taborze towarowym podejmowano ju wielokrotnie próby zastosowania
hamulca tarczowego. Wysiki konstruktorów zmierzay zasadniczo w
dwóch kierunkach: zastosowa- nie nowego typu hamulca w wózkach
powszechnie stosowanych (rozumie przez to nale- y przede wszystkim
niemiertelny wózek Y25), jak równie opracowanie cakowicie no- wych
konstrukcji wózków, dziki czemu mona si liczy nie tylko z popraw
skutecznoci i niezawodnoci pracy hamulca, ale co równie istotne, z
popraw waciwoci biegowych i zmniejszeniem szkodliwego oddziaywania
pojazdów na tor. Reprezentantem pierwsze- go kierunku rozwoju jest
m.in. polskie rozwizanie zaprezentowane na rys. 6. Konstrukcja ta,
badana przez Instytut Kolejnictwa (wówczas pod nazw Centrum
Naukowo-Techniczne Kolejnictwa), opiera si dalej na wózku Y25,
jednak hamulec tarczowy zabudowano na ze- stawach SUW 2000
umoliwiajcych zmian rozstawu kó odpowiednio dla linii normalno- i
szerokotorowych. Przykadem drugiego kierunku rozwoju jest np. wózek
LEILA, opraco- wany w Technical University Berlin (rys. 7).
Rys. 6. Hamulec tarczowy i zestawy SUW-2000 na wózku Y25
Fig. 6. Disc brake and SUW 2000 wheelsets on the Y25 bogie
Rys. 7. Wózek LEILA przeznaczony dla wagonów towarowych [4]
Fig. 7. LEILA bogie for freight cars [4]
324
Oczywicie w specjalistycznych szybkich pocigach towarowych ju od
kilkunastu lat stosowane s nie tylko hamulce tarczowe, lecz równie
inne typy hamulców znane z poci- gów pasaerskich. W ogólnej liczbie
wagonów towarowych stanowi one jednak niewielki procent i sytuacja
ta nie zmieni si w najbliszej przyszoci.
Niestety opisane powyej rozwizania nie przyjy si na wiksz skal i
stanowi one raczej przykad eksperymentu ni praktycznego
zastosowania.
5. Przyczyny stagnacji
Analiza sytuacji i rozwiza opisanych w poprzednich punktach
niniejszego artykuu nasuwa wniosek, e wysiki konstruktorów wagonów
towarowych i ukadów hamulcowych kr wci przede wszystkim wokó
hamulca klockowego i wózka Y25.
Wprowadzenie do eksploatacji wstawek hamulcowych wykonanych z
tworzywa sztucz- nego, wbrew pocztkowym zamierzeniom, nie powoduje
obnienia poziomu haasu emi- towanego przez eksploatowane obecnie
pocigi. Wynika to z faktu, e wstawki te nie s zamienne ze wstawkami
eliwnymi i mog by stosowane jedynie w ukadach hamulcowych
projektowanych do wspópracy z tego typu wstawkami. Sprawia to, e
cichsze s jedynie wagony nowe, stanowice niewielki procent ogólnego
ilostanu wagonów towarowych.
Nieustanne próby doskonalenia hamulca klockowego jak te konstrukcji
wózka typu Y25 w duszej perspektywie wydaj si lepym zaukiem, gdy
obydwa rozwizania osigny ju kres swoich moliwoci, a ich
kilkudziesicio (wózek Y25) i ponad stuletnia (hamulec klockowy)
historia powinny by powoli koczone. Wprowadzanie dzi do ruchu
nowych wagonów na wózkach Y25 wyposaonych w hamulec klockowy, ze
wzgldu na przewidy- wany na okoo 30–40 lat okres eksploatacji
wagonu towarowego, sprawia e rozwizanie to ma szanse doy wspólnych
100 lat na torach! Jake odlege jest to od rozwoju nie tylko w
innych gaziach transportu, ale równie w kolejowym transporcie
pasaerskim.
Podstawow do niedawna przyczyn, dla której zarzdy kolejowe nie
decydoway si stosowa w nowych wagonach innych rozwiza ni tradycyjne
wózki Y25 z hamulcem klockowym byy oczywicie koszty. Obecnie
konkurencja na rynku i rozwój technologii sprawiy, e proporcje
cenowe zmieniy si na korzy hamulca tarczowego, zwaszcza w
porównaniu z propagowanymi ostatnio rozwizaniami hamulca z
jednostronnym hamo- waniem kó. Dodatkow, nie mniej istotn przyczyn
niechci do stosowania nowoczesnych rozwiza jest obawa przed
koniecznoci rozbudowy zaplecza naprawczego, bazy czci zamiennych
oraz szkolenia personelu.
Taki tok rozumowania jest uzasadniony ekonomicznie, ale w krótkim
okresie. Inwestycja w nowe rozwizania z pewnoci zwróci si z nawizk
po duszym okresie eksploatacji taboru, choby dziki wyeliminowaniu
problemów nierozerwalnie zwizanych z hamulcem klockowym, jak np.
pkanie i wykruszenia wstawek hamulcowych, które s przyczyn wy-
czania wagonów z eksploatacji.
Dobr form rekompensaty dla eksploatujcych wagony z nowoczesnym
ukadem bie- gowym i hamulcowym byoby wprowadzenie preferencyjnych
opat za korzystanie z linii kolejowych, gdy rozwizania te zapewniaj
nie tylko zmniejszenie emisji haasu, ale rów- nie ograniczenie
niekorzystnych oddziaywa pojazdu na tor. Obecnie ju s stosowane
pre- ferencyjne opaty dla wagonów z hamulcem innym ni klockowy ze
wstawkami eliwnymi.
325
Od poowy ubiegego wieku obserwuje si stagnacj w rozwoju ukadów
hamulcowych wagonów towarowych – dominujcym do dzi rozwizaniem jest
wagon na wózkach typu Y25 z hamulcem klockowym. Nieliczne nowe
rozwizania rzadko, niestety, wykraczaj poza faz eksperymentu.
Przyczyn takiego stanu rzeczy jest obawa eksploatujcych przed po-
niesieniem wikszych kosztów zwizanych z zakupem nowoczesnego
taboru, zrónicowa- niem bazy czci zamiennych oraz szkoleniem
personelu. Naley jednak przypuszcza, e wprowadzenie nowoczesnego
taboru, podniesienie kwalifikacji personelu oraz ogólne pod-
niesienie poziomu technicznego w duszym czasie powinny owocowa
niszymi kosztami eksploatacji i redukcj liczby usterek oraz
zwizanych z nimi wycze wagonów z uytko- wania.
Dodatkow form promowania nowoczesnych, a wic przyjaznych dla toru i
otoczenia rozwiza byoby wprowadzenie niszych opat za korzystanie z
infrastruktury kolejowej dla wagonów z nowoczesnymi
rozwizaniami.
L i t e r a t u r a
[1] Development, Testing and TSI-Certification of the New Bogie
Mounted Tread Brake Unit for Freight Cars, Knorr-Bremse, Graz,
16.09.2008.
[2] http://atc.sjf.stuba.sk, Autorizované školiace centrum pre
MSC.ADAMS, 2011. [3] http://pl.wikipedia.org, 2011. [4] LEILA – a
new cost-effective and environmentally friendly rail freight bogie,
Berlin
Univeristy of Technology,14.06.2005. [5] Materiay reklamowe firmy
Faiveley, 2010.