Artykuł pochodzi z miesiecznika Trakcja i Wagony, nr 10/86

prof. dr hab. inż. Włodzimierz Gąsowski
Politechnika Poznańska

mgr inż. Zygmunł Marciniak
Ośrodek Badawczo-Rozwojowy Pojazdów Szynowych w Poznaniu

Rozwój konstrukcji lokomotyw o układzie osi Bo-Bo-Bo i B-B-B

Zwiększenie prędkości i masy pociągów powoduje wzrost wartości sił prowadzących na zestawach kołowych. Konsekwencją tego jest zwiększenie obciążenia toru oraz zużycia obrzeży kół i główek szyn. Analiza sił prowadzących, oparta na teorii Heumanna, wykazała, że wzrastają one wraz ze zwiększeniem bazy wózków. Siły te są więc mniejsze w lokomotywach z wózkami dwuosiowymi niż w lokomotywach z wózkami o większej liczbie osi.

Dążąc do zmniejszenia sił prowadzących - przy zachowaniu pozostałych właściwości pojazdu, takich jak: zdolność do prowadzenia pociągów ciężkich, duże prędkości jazdy na łukach, mniejsze obciążenia działające na tor oraz zmniejszone zużycia kół i szyn - skonstruowano i przebadano lokomotywy o układzie osi Bo-Bo-Bo i B-B-B. Lokomotywy tego typu są obecnie eksploatowane z powodzeniem w wielu krajach świata. Wykazują one swą przewagę nad lokomotywami o układzie osi Co-Co, zwłaszcza przy wykonywaniu następujących prac:
- prowadzeniu ciężkich pociągów towarowych na liniach górskich, z dużą liczbą łuków o małych promieniach i dużych pochyleniach, dochodzących do 30%,
- prowadzeniu pociągów towarowych i pasażerskich na liniach nizinnych z prędkościami do l60 km/h,
- eksploatacji w kopalniach odkrywkowych węgla, rudy i innych kopalin.
W większości przypadków są to lokomotywy elektryczne, chociaż np. w Japonii i Nowej Zelandii eksploatuje się również lokomotywy spalinowe na torze szerokości 1067 mm.

W kraju jest obecnie projektowana lokomotywa elektryczna o układzie osi Bo-Bo-Bo. Ma ona w latach 90. zastąpić lokomotywy ET21 i ET22 o ukłaciach osi Co-Co, eksploatowane na terenach górskich.

Rozwiązania konstrukcyjne zespołów lokomotyw

Lokomotywy elektryczne o układach osi Bo-Bo-Bo i B-B-B mają zróżnicowane charakterystyki techniczne i rozwiązania konstrukcyjne poszczególnych zespołów.

Nadwozia starszych typów włoskich lokomotyw E646 I E656 oraz prototypowych lokomotyw szwajcarskich Re6/6 11601 i 11602 mają konstrukcję dzieloną. Obydwie części nadwozia są połączone przegubowo, przez co zapewnia się równomierny rozkład nacisków statycznych zestawów kołowych na tor, a tym samym uniezależnia siłę pociągową od wpływu wklęsłości i wypukłości toru. Nowsze konstrukcje mają już nadwozie jednoczęściowe. Jest ono korzystniejsze od dzielonego, ze względu na dynamikę pionową i przyczepność w zakresie wyższych prędkości jazdy. Zastosowane zmiękczone usprężynowanie pionowe wózka środkowego zmniejsza w wystarczającym stopniu wpływ nierówności toru na naciski statyczne.

Wózki prawie wszystkich lokomotyw europejskich mają jednakową konstrukcję. Różnią się one z reguły oparciem nadwozia na wózku oraz zabudową sprzęgu międzywózkowego. Przeważnie są one zunifikowane z wózkami lokomotyw o układzie osi Bo-Bo. Zdarzają się również lokomotywy, w których wózki środkowe mają inny rozstaw osi i odmienne usytuowanie silników trakcyjnych.

Układy prowadzenia i usprężynowania zestawów kołowych - ze względu na unifikację z wózkami lokomotyw czteroosiowych - mają zróżnicowane rozwiązania konstrukcyjne.

W lokomotywach włoskich E656 i E646 zachowało się jeszcze anachroniczne prowadzenie widłowe maźnic i usprężynowanie resorami piórowymi. W nowszej konstrukcji lokomotywy włoskiej E633, lokomotywy francuskiej firmy Alsthom i polskiej typu 206E zastosowano sprężyny śrubowe i prowadniki Alsthom. Lokomotywy szwajcarskie mają prowadzenie kolumnowe i sprężyny śrubowe oraz dodatkowo, w celu zmniejszenia dynamicznych sił prowadzących, poprzeczne usprężynowanie zestawów w maźnicach. W lokomotywie amerykańskiej GM10B zastosowano daszkowe elementy gumowo-metalowe. Tłumiki drgań pionowych są stosowane wówczas, gdy w węźle przyosiowym nie występują elementy rozpraszające energię, takie jak resory piórowe lub kolumny prowadzące.

Układy oparcia nadwozia na wózkach skrajnych są takie same, jak w lokomotywach dwuwózkowych, mianowicie:
- wieszakowe z resorami piórowymi (lokomotywy E646 i E656),
- wieszakowe ze sprężynami śrubowymi (lokomotywy Re 6/6 i 206E),
- bloki gumowo-metalowe (lokomotywa Alsthom),
- sprężyny wielkogabarytowe (lokomotywy E633 i GM10B).

Układ oparcia na wózku środkowym zwykle jest taki, jak na wózkach skrajnych, lecz w przypadku lokornotyw z nadwoziem jednoczęściowym jest on znacznie większy, zarówno w kierunku pionowym, jak i poprzecznym; jest realizowany przez miękkie sprężyny i dłuższe wieszaki.

Układy przeniesienia sił pociągowych w poszczególnych typach lokomotyw mają różnorodną konstrukcję. W lokomotywach E646, E656 i firmy Alsthom zastosowano przeniesienie siły pociągowej przez czop skrętowy. Inne lokomotywy mają układ cięgłowy przenoszący siły pociągowe z poziomu główki szyny.

W sprzęg międzywózkowy są wyposażone lokomotywy przeznaczone do eksploatacji na trasach górskich.

Jest to sprzęg międzywózkowy typu korbowego. Związuje on ze sobą ramy trzech wózków bez pośrednictwa nadwozia, przy czym przemieszczenia poprzeczne wózka środkowego nie mają wpływu na położenia wózków skrajnych. Lokomotywy jeżdżące na trasach nizinnych z dużymi prędkościami maksymalnymi nie mają sprzęgów międzywózkowych.

W tablicy przedstawiono wybrane dane techniczne reprezentatywnych lokomotyw zagranicznych oraz projektowanej lokomotywy polskiej typu 206E.

Przegląd konstrukcji lokomotyw o układzie osi Bo-Bo-Bo i B-B-B

Lokomotywy szwajcarskie typu Re 6/6

Budowę tych lokomotyw rozpoczęły koleje szwajcarskie (SBB) w 1972 roku z przeznaczeniem do obsługi ruchu towarowego i osobowego na terenach górskich. Lokomotywy Re 6/6 osiągają prędkości 80 km/h na łukach o promieniu 300 m i wzniesieniach 28-27%o, przy obciążeniu doczepnym 800 t oraz prędkości do 140 km/h na łatwiejszych odcinkach [10]. Dla wyboru najlepszej koncepcji rozwiązania wykonano kilka wariantów prototypu, które przedstawiono na rysunku 1 [1].

Rys.1
(kliknij aby zobaczyć)

Lokomotywy typu 11601 i 11602 miały pudło dzielone i sprężyny śrubowe w oparciu pudła na wózkach. Obie części pudla połączono ze sobą przegubem, umożliwiającym przemieszczenia pudła tylko w kierunku pionowym.

Lokomotywę typu Re 6/6 11603 wykonano z pudłem jednoczęściowym i usprężynowanicm śrubowym w oparciu pudła na wózkach. Na wózku środkowym zastosowano usprężynowanie bardziej miękkie w porównaniu z usprężynowaniem wózków skrajnych. Tę samą lokomotywę wykonano z wózkiem środkowym ze sprężyną pneumatyczną, w drugim stopniu uspręźynowania.

W lokomotywie typu Re 6/6 11604 zastosowano w oparciu pudła sprężyny pneumatyczne. Wózki środkowy i skrajny, w celu wyrównania nacisków, połączono układem pneumatycznym, tzw. balansem. Po badaniach ruchowych wszystkich prototypów do realizacji wybrano wariant z pudłem jednoczęściowym i usprężynowaniem śrubowym w oparciu pudła na wózkach, przy czym na wózku środkowym zastosowano sprężyny miękkie.

W pierwszym stopniu usprężynowania zastosowano we wszystkich wariantach sprężyny śrubowe. W celu zmniejszenia sił prowadzących i przesuwających tor, zestaw kołowy został usprężynowany poprzecznie. Lokomotywa ze względu na swoje przeznaczenie ma sprzęg międzywózkowy [7]. Oba dyszle wózków skrajnych są połączone ze sobą przez amortyzator i drążek skrętny, które są usytuowane na wózku środkowym. Oba skrajne wózki współpracują ze sobą w taki sam sposób, jak w lokomotywie dwuwózkowej. Para sił działająca na łożyska drążka skrętnego na wózku środkowym powoduje ten sam ruch obrotowy wózków skrajnych. Siły pociągowe są przenoszone za pomocą cięgiel skośnych, których osie przecinają się na poziomie główki szyny. Silniki trakcyjne wraz z przekładnią są całkowicie odsprężynowarie [2].

Lokomotywy włoskie typu E656 i E633

Lokomotywa E656, wyprodukowana w 1974 roku, została skonstruowana przy wykorzystaniu doświadczeń z eksploatacji lokomotyw E646 [5]. Jest ona przeznaczona do prowadzenia ciężkich pociągów pośpiesznych z prędkościami do 160 km/h. W koncepcji tej lokomotywy zastosowano tradycyjne rozwiązania usprężynowania, przeniesienia siły pociągowej i układu hamulcowego [4]. Nadwozie lokomotywy jest dzielone i oparte na trzech identycznych wózkach. Oparcie nadwozia jest centralne na czopach skrętowych, których gniazda są umieszczone na belkach bujakowych zawieszonych na resorach piórowych. Usprężynowanie I stopnia stanowią resory piórowe. Prowadzenie zestawów kołowych w ramie wózka jest typu widłowego. Usprężynowanie I i II stopnia składa się z resorów piórowych, dlatego nie zastosowano w nim tłumików drgań pionowych. Podział nadwozia na dwie części zapewnia dobry rozkład nacisków statycznych. Jednak przeniesienie siły pociągowej za pomocą czopów skrętowych wywołuje różnice obciążeń zestawów kołowych. W stosunku do lokomotywy E646 zastosowano inny sposób oparcia na wózku środkowym - za pomocą przegubowo zamocowanego czopa skrętowego. Przeguby gumowo-metalowe mają podatność sferyczną. Lokomotywa nie ma sprzęgu międzywózkowego.

Ciekawostką jest zastosowanie dwóch silników trakcyjnych, całkowicie usprężynowanych, napędzających tylko jeden zestaw kołowy wózka. Doświadczenia z lokomotywami z nadwoziem dzielonym typu E646 i E656 oraz E636 i E645 skłoniły konstruktorów do zaprojektowania lokomotywy z nadwoziem jednoczęściowym [3]. W nowej lokomotywie typu E633 o układzie osi B-B-B zastosowano właśnie takie nadwozie. Zawieszenie lokomotywy jest dwustopniowe i składa się ze sprężyn śrubowych. W oparciu nadwozia przenoszą one bezpośrednio obciążenie pudła i opierają się na ostojnicach wózka. Elastyczność pozioma tych sprężyn zapewnia wystarczające ruchy poprzeczne oraz umożliwia prawidłowe skręty wózka na łukach torowych. Dla umożliwienia równomiernego rozłożenia obciążeń osi oraz zapewnienia dostatecznej siły zwrotnej, w wózku środkowym zastosowano miękkie sprężyny. W pierwszym stopniu usprężynowania, dla zmniejszenia poprzecznego oddziaływania dynamicznego kół na szyny, zastosowano prowadniki Alsthom. Drgania pierwszego i drugiego stopnia są tłumione za pomocą tłumików hydraulicznych.

Wózki lokomotywy są monosilnikowe. W lokomotywie nie zastosowano sprzęgu międzywózkowego. Prędkość maksymalna 160 km/h świadczy o przeznaczeniu jej do ruchu na liniach łatwiejszych. Lokomotywa ta jest wyposażona w hamulec oporowy, umożliwiający zatrzymanie pociągu o masie 1100 t na pochyleniu toru 12%o, przy prędkości około 90 km/h.

Lokomotywa francuska firmy Alsthom

Lokomotywa ta została zaprojektowana przez firmę Alsthom dla Korei. Jest przeznaczona do prowadzenia pociągów towarowych o masie ponad 1700 t, przy prędkościach 45 km/h na wzniesieniach 12,5%o i do pracy zdwojonej na wzniesieniach do 25%o [6]. Nadwozie lokomotywy jest jednoczęściowe. Trzy wózki lokomotywy są w zasadzie jednakowe i wymienne ze sobą. Usprężynowanie I stopnia składa się z podwójnych sprężyn śrubowych i prowadników Alsthom. Dla zapewnienia tłumienia drgań zabudowano po jednym tłumiku na każdej maźnicy. Oparcie nadwozia na wózkach skrajnych sklada się z dwóch warstwowych elementów gumowo-metalowych, natomiast na wózku środkowym z wysokich sprężyn śrubowych, na których są umieszczone poprzecznie rolki, umożliwiające swobodny przesuw poprzeczny wózka. Siły pociągowe są przenoszone przez czopy skrętowe związane z pudłem. Gniazda czopów skrętowych mogą przesuwać się poprzecznie na ślizgach wykonanych z tworzywa sztucznego, przy czym zakres przemieszczeń może być regulowany. Na wózkach skrajnych przesuw poprzeczny właściwie wyeliminowano, natomiast wózek środkowy może się przesuwać poprzecznie, o około +- 230 mm od położenia środkowego. Nie wpływa to jednak na przeniesienie siły pociągowej [9]. Silniki trakcyjne są zawieszone systemem tramwajowym "za nos" ze względu na małą prędkość maksymalną. Lokomotywa nie ma sprzęgu międzywózkowego. Natomiast jest ona wyposażona w urządzenia automatycznej kontroli siły pociągowej i zabezpieczenia przeciwpoślizgowe, a także w hamulec oporowy.

Lokomotywa amerykańska typu GM10B

Lokomotywa GM10B jest drugą lokomotywą elektryczną firmy Generał Motors [8]. Prototypy lokomotywy były budowane w kooperacji z firmą ASEA. Jest ona przeznaczona do prowadzenia ciężkich pociągów towarowych z dużymi prędkościami na dużych odległościach. Pod względem siły pociągowej, rozwijanej w szerokim zakresie prędkości, jest jedną z najsilniejszych lokomotyw, jakie są obecnie eksploatowane.

Nadwozie lokomotywy jest jednoczęściowe, typu kapotowego i opiera się na trzech wózkach za pomocą sprężyn śrubowych, przy czym sprężyny wózka środkowego są wysokogabarytowe. Pierwszy stopień usprężynowania stanowią daszkowe elementy gumowo-metalowe. W drugim stopniu usprężynowania, równolegle do osi sprężyn, zainstalowano tłumiki hydrauliczne.

Po raz pierwszy w amerykańskiej lokomotywie zastosowano całkowite usprężynowanie silników trakcyjnych i przekładni. Siła pociągowa z wózka na nadwozie jest przenoszona za pośrednictwem cięgiel skośnych. Ponieważ wykorzystanie ciężaru napędnego jest szacowane na około 80%, należy sądzić, że teoretyczny punkt przeniesienia sil pociągowych znajduje się powyżej główki szyny. Wskazuje na to także istotna komplikacja układu elektrycznego, jaką jest zastosowanie układu kontroli poślizgu każdego zestawu kołowego. Ciekawostką jest fakt zastosowania układów sterowania umożliwiających nastawienie prędkości jazdy lub siły pociągowej, a także współpracę z lokomotywami spalinowymi [11].

Lokomotywa polska typu 206E

Projektowana lokomotywa typu 206E jest lokomotywą elektryczną prądu stałego 3 kV o mocy 3000 kW. Jest ona przeznaczona do prowadzenia pociągów towarowych na trasach górskich, obfitujących w dużą liczbę łuków o małych promieniach, z prędkością do 50 km/h. Ogólny widok lokomotywy przedstawiono na rysunku 2, a wózka na rysunku 3. Nadwozie lokomotywy jest jednoczęściowe. Sklada się ono z samonośnej konstrukcji spawanej, obejmującej ostoję, ściany boczne, kabinę maszynisty i odejmowalne części dachu. Wózki lokomotywy są identyczne. Każdy z nich ma dwustopniowe usprężynowanie. Pierwszy stopień stanowi usprężynowanie przymaźnicze, a drugi - oparcie nadwozia na wózku. Zestawy kołowe są napędzane indywidualnie przez elektryczne silniki trakcyjne o znamionowej mocy ciągłej 500 kW. Silniki trakcyjne znajdują się w części środkowej wózka i są usytuowane symetrycznie względem jego osi.

Rys.2
(kliknij aby zobaczyć)

Rys.3
(kliknij aby zobaczyć)

Silniki są zawieszone systemem tramwajowym (,za nos"). Napęd od silników na zestawy kołowe jest przenoszony za pośrednictwem jednostopniowej przekładni o uzębieniu prostym.

Duże kolo zębate przekładni jest nieodsprężynowane. Wózki są wyposażone w układ tzw. dolnego przeniesienia sił pociągowych i sprzęgnięte między sobą połączeniem międzywózkowym.

Zawieszenie ramy wózka na maźnicach rozwiązano przez zastosowanie prowaaników typu Alsthom, zamocowanych z jednej strony do maźnicy, a z drugiej do ramy wózka. Prowadniki mocowano za pomocą sworzni amortyzujących z tulejkami metalowo-gumowymi. Zastosowane prowadzenie maźnic zapewnia elastyczne przenoszenie sił wzdłużnych i poprzecznych z zestawów kołowych na ramę wózka. W skład zawieszenia ramy wózka wchodzą komplety sprężyn śrubowych, umieszczone w specjalnych gniazdach między ramą wózka a maźnicą. Przy zestawach kołowych, obok sprężyn śrubowych, zamontowano pionowe amortyzatory hydrauliczne. Nadwozie oparto na wózku za pośrednictwem miękkich sprężyn i wieszaków długości 110 mm. Dla tłumienia drgań pionowych i poziomych nadwozia zainstalowano w osi poprzecznej wózka amortyzatory hydrauliczne. Oparcie nadwozia jest jednakowe dla wózków skrajnych i wózka środkowego.

Układ przeniesienia sił pociągowych jest typu cięgłowego. Cięgła są pochylone w ten sposób, że teoretyczny punkt przeniesienia sił pociągowych znajduje się 10 mm poniżej główki szyny. Zapewniono w ten sposób dużą przyczepność i stosunkowo duże wykorzystanie ciężaru napędowego, wynoszące około 91%. Połączenie międzywózkowe zaprojektowano za pomocą sprzęgu typu dyszlowego, z amortyzatorem sprężynowym i drążkiem skrętriym. Drążek skrętny jest umieszczony w łożyskach ślizgowych, znajdujących się na wózku środkowym. Charakterystyka amortyzatora sprzęgu jest liniowa. Niezależnie od rodzaju sprzęgu międzywózkowego, przewiduje się zastosowanie układu smarowania obrzeży kół.

Konieczność zapewnienia przez transport kolejowy ciągle rosnących przewozów ładunków, wynikająca ze struktury naszego przemysłu i położenia zasobów surowcowych, oraz wyraźny nawrót do transportu kolejowego w przewozach pasażerskich, spowodowany wzrostem kosztów użytkowania samochodów, wymagają dalszego racjonalnego rozwoju pojazdów trakcyjnych. Jednym z tych kierunków jest stosowanie lokomotyw trzywózkowych, których wskaźniki techniczno-ekonomiczne odpowiadają zwiększonej masie i prędkości jazdy pociągów.

Lokomotywy o układzie osi Bo-Bo-Bo i B-B-B stopniowo wypierają z eksploatacji na trudnych trasach lokomotywy o układzie osi Bo-Bo i Co-Co. Lokomotywy te mają lepsze wykorzystanie ciężaru napędnego i mogą prowadzić cięższe pociągi, przy takiej samej mocy jak lokomotywy dwuwózkowe. W mniejszym stopniu oddziałują one niekorzystnie na tor i elementy układów biegowych.

Prace nad rozwojem tego typu lokomotyw są prowadzone w wielu ośrodkach naukowo-badawczych. Przeprowadza się badania dotyczące bezpieczeństwa przed wykolejeniem, oddziaływania na tor i jeszcze lepszego wykorzystania ciężaru napędnego. Jednak już dziś wiadomo, że coraz więcej zarządów kolejowych będzie wprowadzać do eksploatacji na trudnych trasach tego typu lokomotywy.

Bibliografia

[1] Meyer K.: Die prototyplokomotiven der Serie Re 6/6 der Schweizerischen Bundesbahncn. Glasers Annalen 1973 nr 5

[2] Meyer K.: Swiss Federal Railways perpetuale modern conventional electrtc - traction techniques for its latest 8000 kW lokomotives. Rail Engineering International 1973 nr 10

[3] Messerschmidt W.: Die Gleichstrom - Lokomotiven E633 und E644 der Italienischen Staatsbahnen. ETR Eisen. bahntechnische Rundschau 1980 nr l-2

[4] Messerschmidt W.: Die neuen Bo-Bo-Bo Schnellzuglokomotiven E656 der Italietnischen Staatsbahnen. ZEV Glasers Annalen 1976 nr 12

[5] Messerschmidt W.: Italiens neue Einheitslokomotiven. ZEV - Glassers Annalen 1908 nr 11

[6] Schultze K.: Die ehsten elektrischen vollbahnlokomotiven der Korean National Railroad (KNR), Sudkorea. Elektrische Bahnen 1975 nr 12

[7] Der mechanische Tell der Re 616 - Prototyplokomotiven der Schweizerischen Bundesbahnen (SBB). Elektrische Bahnen 1274 nr 8 (część 1), Elektrische Bahnen 1974 nr 9 (część 2)

[8] GM unvelis poverfull Bo-Bo-Bo electric. Railway Gazette International 1976 nr 10

[9] Korea KNR switsches on power for the first revenue run. International Railway Journal 1973 nr 9

[10] Mechanischer Tell der Hochleistungslokomotive. Typ Re 6/6 der Schweizerischen Bundesbahnen. Technische Rundschau Sulzer 1974 nr 4 ,

[11] 10 000 hp elektric goes to conrail for test. Railway Age 1976 nr 24