Wybrane zagadnienia z eksploatacji zestawu przestawczego SUW-2000

Transkrypt

1 LENCKI Piotr 1 SAWCZUK Wojciech 2 Wybrane zagadnienia z eksploatacji zestawu przestawczego SUW-2000 WSTĘP Obecnie od systemów transportowych wymaga się coraz to krótszych czasów transportu oraz większej efektywności i wydajności. Żeby transport szynowy mógł konkurować z innymi rodzajami transportu konieczne jest sprawne pokonanie bariery szerokości toru, które może zapewnić samoczynny system przestawczy. Skala problemu na świecie jest poważna, bowiem aż 30 % torów na świecie ma inny rozstaw niż normalnotorowy, który wynosi 1435 mm. W artykule skupiono się na polskim systemie przestawczym SUW-2000, który wykorzystywany był w czynnej eksploatacji w relacji z Ukrainą oraz Litwą zarówno w ruchu pasażerskim jak i towarowym. Oprócz ogólnego opisu systemu przedstawiono aspekt eksploatacyjny skupiając się na nieprzewidzianych w fazie projektowania uszkodzeniach. 1. PROBLEMATYKA RÓŻNICY SZEROKOŚCI TORU Zróżnicowanie szerokości torów jest obecnie największą przeszkodą w międzynarodowym transporcie kolejowym. Polska znajduje się w strategicznym położeniu na granicy dwóch różnych szerokości. Pierwszy jest to rozstaw obowiązujący w naszym kraju czyli 1435 mm, natomiast drugim jest rozstaw szeroki mm, obowiązujący w krajach z którymi Polska sąsiaduje od strony wschodniej. Na rysunku 1 przedstawiono mapę Europy z rozstawem szyn obowiązującym w danym kraju. Rys. 1 Rozstaw szyn w Europie 1 Politechnika Poznańska, ul. Piotrowo 3, Poznań. Fax: , piotr.lencki@student.put.poznan.pl 2 Politechnika Poznańska, ul. Piotrowo 3, Poznań. Tel , Fax: , wojciech.sawczuk@put.poznan.pl 2789

2 Pierwszym rozwiązaniem problemu różnicy szerokości torów była przesiadka pasażerów w przypadku wagonów osobowych czy też przeładowywanie towarów w przypadku wagonów towarowych. O ile w pierwszym przypadku nie było większego problemu, o tyle w drugim było ich wiele. Przeładowując towar wymagane są spore przestrzenie oraz rozbudowana i droga infrastruktura w punktach granicznych wraz z zapleczem magazynowo-przeładunkowym np. suwnice czy wózki widłowe. Kolejne koszty generowane przy przeładunku towarów to zatrudnienie dodatkowych pracowników, straty materialne pochodzące z uszkodzonego towaru podczas przeładunku i koszty zapasu pustych wagonów. Specyficznym rodzajem przeładunku jest przepompowywanie, które kosztuje około 10 $ za 1 tonę. Łatwo oszacować, że przepompowanie jednej cysterny o pojemności 50 ton wynosi 500 $, jak wiadomo pojedynczo cysterny nie są prowadzone, w przypadku przemnożenia liczby wagonów 10, otrzymuje się szacunkowy koszt przepompowania cieczy który może wynosić nawet 5000 $ czyli około zł [10]. Najmniej spotykanym rozwiązaniem jest przebudowanie linii kolejowej na pożądaną szerokość toru. Ze względu na duże koszty oraz czas przebudowy jest stosowany tylko podczas gruntownych remontów linii lub przy budowie nowych linii danej sieci (głównie linie dużych prędkości). Najbardziej zaawansowaną technicznie metodą pokonania różnicy szerokości toru jest dopasowanie taboru. Można zastosować rolkowe wózki pośrednie lub platformy niskopodłogowe w przypadku transportu wagonów z normalnym rozstawem kół po torach wąskich, lecz nie zawsze jest to możliwe, gdyż mogą wystąpić ograniczenia wynikające ze skrajni. Drugim rozwiązaniem dopasowanie taboru do szerokości toru jest wymiana podzespołów układu biegowego. Wymiana zespołów biegowych przez podniesienie nadwozia wagonu jest stosowana w kilku punktach granicznych, głównie przy przewozach materiałów niebezpiecznych. Rys. 2 a) Testowe stanowisko trzyszynowego toru w Hiszpanii [1], b) Pogląd różnicy szerokości między rozstawem normalnym 1435 mm a rozstawem używanym na wschodzie Europy 1520 mm Nowatorskie rozwiązanie przedstawiono na rysunku 2a) na którym przedstawiono część toru z trzema szynami. Szerokość między dwiema z nich wynosi 1435 mm, natomiast kolejna trzecia szyna jest oddalone o kolejne 233 mm dzięki czemu po takim torze może przejechać zarówno pojazd szynowy z normalnym rozstawem kół jak i z rozstawem występującym na półwyspie Iberyjskim. Na załączonej fotografii pokazano testowy odcinek toru w Olmedo-Medina del Campo (Hiszpania). [1] W Przeciwieństwie do innych zastosowań nie ma konieczności obsługi stanowisk przestawczych, wymiany wózków czy też systemów przestawczych, natomiast ma kilka zasadniczych wad: rozwiązanie to wydaje się być bardzo drogie ze względu na wykonanie trzeciej szyny na całej długości trasy. Ponadto mogą się pojawić problemy wynikające ze skrajni. Mniej problematyczne jest dodanie trzeciej szyny na rozstawie szerokim 1668, natomiast żeby w rozstawie normalnotorowym było możliwe dołączenie trzeciej szyny 233 mm od normalnego rozstawu, wówczas prawdopodobnie podkłady kolejowe byłyby zbyt wąskie, co generuje kolejne koszty i prawdopodobnie przekreśla tą 2790

3 koncepcję w krajach z rozstawem normalnotorowym. Oprócz tego warto wspomnieć, że na granicy szerokości która dotyczy Polski jest zbyt mała różnica żeby można było zastosować trzecią szynę, co odzwierciedla rysunek 2b) na którym przedstawiono na podstawie szyny UIC60 różnicę 85 mm między szynami. 2. BUDOWA I ZASADA DZIAŁANIA SYSTEM SUW-2000 Prototyp zestawów kołowych z systemem SUW-2000 powstał w 1993 roku w Poznańskich Zakładach Naprawczych Taboru Kolejowego. Przez kolejne lata był testowany po czym w 2000 roku wszedł do eksploatacji liniowej w ruchu pasażerskim i towarowym na przykład na trasie Warszawa - Wilno. Czas przejazdu przez granicę w tym połączeniu skrócono z ponad 140 do 30 minut. [13] W 2005 roku pociąg nocny Balti relacji Warszawa Zachodnia Wilno został odwołany. Jednym z powodów był trwały deficyt połączenia i niewielka ilość pasażerów. Kolejny równie ważny powód to koszty wynikające z naprawy okresowej wagonów wyposażonych w system SUW Rys. 3 Widok zestawu kołowego z systemem przestawczym SUW-2000 a) przekrój [7], b) Widok wózka wyposażonego w system SUW-2000 [9] Na rysunku 3a) przedstawiono zestaw kołowy z systemem przestawczym SUW-2000, podstawowe oznaczone elementy to: oś zestawu kołowego (1), koła jezdne (2), mechanizm blokujący (3), łożysko osiowe z korpusem łożyska (4), osłona zewnętrzna (5), osłona wewnętrzna (6), pierścień oporowy (7), nakrętka samozabezpieczająca (8). Do podzespołu osi można również zaliczyć: oś zestawu, piasty ustalające i segmentowe tarcze hamulcowe, natomiast mechanizm blokujący to tuleja blokująca, tuleja rozprężna, kołnierz, sprężyny oraz śruby łączące. [7] System SUW-2000 (rysunek 3 b)) jak wiele inny systemów ma swoje wady i zalety. Główną zaletą jest możliwość wyposażenia w nie wagonów towarowych, ponadto prędkość maksymalna wynosi 160 km/h, w Polsce na wielu liniach jest to wystarczające, natomiast w krajach z lepiej rozwiniętą infrastrukturą taka prędkość będzie ograniczeniem. Dodatkowo rozwiązanie systemu SUW-2000 w pojazdach trakcyjnych zostało opracowane oraz opatentowane, natomiast brak zastosowania tej koncepcji w czynnej eksploatacji. Zestawy kołowe w których koła biegowe są rozsuwane wzdłuż osi, gdy oś wiruje synchronicznie wraz z zestawem mają istotną wadę, ponieważ 2791

4 następuje w nich frettingowe zużycie powierzchni współpracy wału i panewki w połączeniu koło oś zestawu. [3] Główną zaletą zestawów kół z osią wirującą jest możliwość zastosowania ich w istniejących konstrukcjach wózków z klasycznym łożyskowaniem i prowadzeniem zestawu kół. W systemie SUW-2000 zastosowano tuleje stalowe, pokryte od wewnątrz teflonową warstwą ślizgową, która umożliwia pracę bez potrzeby smarowania połączenia, co również jest zaletą. Zmiana rozstawu kół odbywa się na torowym stanowisku przestawczym składającym się z rowkowych szyn jezdnych, szyn odblokowujących oraz szyn zabezpieczających. Podczas przejazdu wagonu przez stanowisko koła zestawu są samoczynnie przesuwane, bez odciążania na wymaganą szerokość toru. Stanowisko o długości ponad 27 m, zabudowane na styku torów 1435/1520 mm, realizuje zmianę rozstawu kół w zestawie przestawnym w obie strony. Szyny rowkowe mają na jednym końcu rozstaw normalny, na drugim rozstaw szeroki. W obrębie stanowiska przejazd wagonu próżnego lub ładowny odbywa się podczas jazdy z prędkością 5-40 km/h. Fazy zmiany szerokości rozstawu kół podczas przejazdu zestawu SUW-2000 przez torowe stanowisko przestawcze pokazano na rysunku 4. [5] Dzięki wyeliminowaniu sworzni zbierakowych oraz mniejszej ilość sprężyn, zestaw kołowy ma mniejsze rozmiary oraz masę, uzyskując przy tym większą niezawodność mechanizmu blokującego. Ponadto SUW-2000 umożliwia łatwy montaż i demontaż co jest szczególnie ważne w przypadku prototypu, gdyż podczas kontroli zestaw jest demontowany i sprawdzane jest zużycie materiałów poszczególnych elementów. Przyjęte rozwiązania konstrukcyjne mogą się nie sprawdzić w rzeczywistej eksploatacji, pomimo przeprowadzonych badań, które nie odzwierciedlą rzeczywistych warunków eksploatacyjnych. Dlatego też konieczny jest demontaż w celu bieżącego monitorowania stanu zestawu kołowego. W przypadku SUW-2000 kontrola wraz z demontażem odbywała się co 130 tys. km przebiegu wagonów pasażerskich. Rys. 4 Fazy zmiany szerokości rozstawu kół na torowym stanowisku przestawczym [7] Gdzie: 1. Wjazd zestawu na torowe stanowisko przestawcze; 2. Odblokowanie zestawu; 3. Zmiana położenia koła jezdnego; 4. Zablokowanie zestawu. 2792

5 Zmiana rozstawu kół w zestawach kołowych wyposażonych w system SUW-2000 przebiega następująco: 1. Wjazd zestawu SUW-2000 na torowe stanowisko przestawcze po stronie toru 1435 mm. Koła zablokowane prowadzone obrzeżami w szynach rowkowych. 2. Najazd lewego kołnierza na szynę odblokowującą powoduje przesunięcie tulei rozprężonej uwalniając lewe koło. Zablokowane prawe koło pełni funkcję prowadzenia zestawu. 3. Uwolnione lewe koło jest przesuwane ułożoną rozbieżnie szyną rowkową, aż do osiągnięcia połowy rozstawu toru 1520 mm. W czasie przesuwu koła tuleja rozprężna przeskakuje sprężyście w drugi rowek. Zablokowane prawe koło pełni funkcję prowadzenia zestawu. 4. Zjazd kołnierza z szyny odblokowującej powoduje nasunięcie tulei blokującej na tuleję rozprężną, zablokowując koło w położeniu połowy rozstawu toru 1520 mm. W tym momencie lewe koło przejmuje funkcję prowadzenia zestawu. Cykl od 2 do 4 powtarza się dla koła prawego, po czym zestaw kołowy znajduje się na torze 1520 mm. Stanowisko przestawcze systemu SUW-2000 ma długość mm, zestaw kołowy zmienia rozstaw kół bez odciążenia. Stanowisko ma bardzo prostą budowę co jest jego zaletą. Składa się z: dwóch rowkowych szyn jezdnych, na których poruszają się koła jezdne, dwóch szyn odblokowujących które współpracują z mechanizmami blokującymi, czterech szyn zabezpieczających znajdujących się po obu stronach szyn jezdnych. [7] Rys. 5 Stanowisko przestawcze zestawu kołowego wyposażonego w system SUW-2000 a) widok z góry, b) fotografia stanowiska c) przekrój poprzeczny [7] Na rysunku 5 przedstawiono stanowisko przestawcze systemu SUW Na rysunku 5a) pokazano widok z góry, na rysunku 5b) zdjęcie badawczego stanowiska przestawczego na terenie ZNTK Poznań, natomiast na rysunku 5c) widok przekroju poprzecznego. 3. SYSTEM SUW-2000 W ASPEKCIE EKSPLOATACYJNYM Jednym z bardziej istotnych zjawisk zachodzących w systemie SUW-2000, jest spiętrzanie naprężeń w segmentach tulei rozprężnej, które są głównym elementem blokującym koło na osi zestawu. Natomiast analizowane zjawisko niepożądane zostało przez doktora R. Suwalskiego opisane, zbadane oraz poprzez dobranie właściwych parametrów konstrukcyjno-technologicznych zminimalizowane. Tuleja rozprężna (rysunek 6 b)) jest nowatorskim rozwiązaniem doktora R. Suwalskiego, dlatego też do momentu eksploatacji początkowej nie było żadnych informacji o właściwościach eksploatacyjnych tego elementu. Zaletami tego rozwiązania są: małe zużycie elementów mechanizmu blokującego, które mieszczą się w granicach błędu pomiarowego, 2793

6 nawet w przypadku częściowego uszkodzenia elementów listwowych tulei rozprężnej, jest zapewnione pełne bezpieczeństwo połączenia koła z osią zestawu kołowego, ułatwiony dostęp do elementów mechanizmu blokującego, co jest bardzo ważne podczas bieżącej kontroli eksploatacyjnej, uzyskano mały współczynnik tarcia poprzez zaprojektowanie i wykonanie bezobsługowego węzła podpiaścia osi i tulei koła z wykorzystaniem molibdenowania i warstwy zbrojonego teflonu, zabezpieczenie przed wpływem warunków atmosferycznych, uzyskane poprzez węzeł osłon mechanizmu blokującego. [6] Rys. 6 a) Widok zestawu kołowego z systemem SUW-2000 [12], b) Widok tulei rozprężnej [4] W konstrukcji systemu SUW-2000 zdarzały się incydentalne przypadki pęknięcia sprężyny dociskowej oraz wydłużonej części piasty koła (kłów prowadzących), dlatego też żeby uniknąć problemów z dostawą pojedynczych elementów od poddostawców konieczne jest wykonanie elementów bezpośrednio u producenta. [4] Koła jezdne produkowane na specjalne zamówienie są bardzo kosztownym elementem, ze względu na odmienną technologię wytwarzania. Bardzo istotną informacją w zestawach przestawczych jest stan zablokowania koła w danym położeniu. Pierwszą metodą sprawdzenia czy koło jezdne zostało zablokowane był żółty pas znajdujący się dookoła osi widoczny na rysunku 6a). Koło było zablokowane gdy żółta obręcz miała szerokość 25 mm, natomiast maksymalną szerokością z którą można było dopuścić pojazd do ruchu było 35 mm. Czujnik o nazwie SEK SUW jest jednym z elementów które nie sprawdziły się w eksploatacji systemu SUW Jest to czujnik którego zadaniem było sprawdzanie zablokowania położenia koła jezdnego, natomiast prawdopodobnie na skutek zbyt dużej czułości czujnika nie działał on poprawnie podczas eksploatacji (przejazd przez krzyżownice czy rozjazdy). System ten mógł sygnalizować nieodpowiednie położenie kół na dwa sposoby: świetlnie oraz dźwiękowo. O ile ten pierwszy system nie powodował negatywnych skutków o tyle sygnalizacja dźwiękowa w nocnych relacjach nie była pożądanym zjawiskiem. Tym bardziej, że skład musiał zostać zatrzymany w celu sprawdzenia zablokowania kół jezdnych. Na rysunku 7a) przedstawiono czujnik SEK SUW, natomiast na rysunku 7 b) schemat poglądowy przedstawiający umiejscowienie czujnika. 2794

7 Rys. 7 a) widok czujnika SEK SUW [8], b) schemat poglądowy Kolejne uszkodzenie jakie zaobserwowano podczas eksploatacji przedstawia rysunek 8a) gdzie przedstawiono mechanizm blokujący wraz z wszystkimi elementami listwowymi tulei rozprężnej, natomiast rysunku 8b) przedstawia brak jednego z elementów sprężystych. Najprawdopodobniej element ten odpadł wskutek spiętrzenia naprężeń podczas występowania sił poprzecznych podczas jazdy. Na rysunku 8c) przedstawiono fotografię z przeglądu serwisowego, na którym widać ślady odcisku sprężyny blokującej na wydłużonej piaście koła. Powstało ono prawdopodobnie poprzez działanie sił poprzecznych na zestaw kołowy podczas jazdy. Na kolejnej fotografii (rysunku 8d)) przedstawiono tuleje rozprężną. Na zdjęciu widać, że między każdym elementem listwowym jest wyraźna przerwa na całej długości, natomiast na rysunku 8e) oraz 8f) można zauważyć, że w dolna połowa elementów listwowych została zwulkanizowana. Proces ten miał na celu uniemożliwić swobodne przemieszczanie się ułamanych elementów listwowych w mechanizmie blokującym. Podczas eksploatacji przyjęto, że dopuszczenie do ruchu może otrzymać zestaw kołowy w którym maksymalnie 15% z wszystkich elementów listwowych zostało wyłamanych. Wynika z tego, że 6 elementów listwowych tulei rozprężnej widocznej na zdjęciu mogło ulec uszkodzeniu, aby zestaw kołowy mógł zostać dopuszczony do ruchu. Ponadto nie ma możliwości sprawdzenia z zewnątrz ile elementów uległo uszkodzeniu, konieczny jest demontaż mechanizmu blokującego. Drugim z niepożądanych zjawisk które wymagały poprawy jest zużycie frettingowe, które uniemożliwia przesuw koła po osi zestawu. Zostało one zbadane, dzięki czemu możliwe było dobranie właściwych parametrów konstrukcyjno-technologicznych węzła podpiaścia osi i piasty koła, dzięki czemu zużycie frettingowe zostało usunięte. 2795

8 Rys. 8 a), b) Mechanizm blokowy systemu SUW-2000, c) wydłużona piasta koła, d) tuleja rozprężna przed wulkanizacją, e), f) tuleja rozprężna po wulkanizacji [4] WNIOSKI Należy podkreślić, że w przypadku projektowania nowego zestawu przestawczego, producent powinien uwzględnić niektóre ważne informacje (bazując na eksploatacji już istniejących systemów przestawczych) w celu obniżenia ceny zestawu kołowego wyposażonego w ten system. Istotne byłoby wdrożenie nowych technologii wytwarzania czy też obróbki elementów w celu wyeliminowania konieczności zamówień elementów u poddostawców co generowało dodatkowe koszty, oraz utrudniało dostęp do pojedynczych elementów w przypadku uszkodzenia. Ważna jest również unifikacja elementów, które są kosztowne w celu uniknięcia konieczności wytwarzania takich 2796

9 elementów jak koło jezdne na specjalne zamówienie. Ponadto warto dążyć do wyeliminowania uszkodzeń elementów listwowych tulei rozprężnej zachodzących na skutek naprężeń wynikających z sił poprzecznych występujących podczas jazdy. Instytucje odpowiedzialne za interoperacyjność transportu szynowego w Europie powinny wprowadzić regulacje dotyczące unifikacji stanowisk przestawczych ponieważ przy obecnych pracach nad zestawami przestawczymi jest mało prawdopodobne, że wszystkie kraje będą korzystały z jednego systemu przestawczego, dlatego też kompatybilne torowe stanowisko przestawcze pozwoliłoby na pokonanie bariery szerokości toru różnymi systemami przestawczymi. Do końca bieżącego roku przez teren Polski prawdopodobnie będą kursowały składy z innym systemem przestawczym tj. Talgo. W Brześciu powstało torowe stanowisko przestawcze do obsługi tego systemu. Według Kolei Rosyjskich nocne połączenia między Moskwą a Berlinem mają być uruchomione już pod koniec tego roku, natomiast testy dopuszczające do ruchu na terenie Polski mają się odbyć jeszcze w marcu. [11] Do 2005 roku wykonano już 80% wyznaczonego zakresu badań wagonów typu 306A niezbędnych do certyfikacji systemu SUW-2000, gdyż taki był pierwotny zamiar. [2] Ponadto polski system przestawczy był eksploatowany w podobnych warunkach klimatycznych a mianowicie na terenie Ukrainy gdzie temperatura sięgała poniżej 0 C, dodatkowo system SUW-2000 nie wymaga drogiego i skomplikowanego stanowiska przestawczego. Strona Rosyjska zdecydowała się na zakup trzech składów z systemem przestawczym Talgo składających się z 18 wagonów pasażerskich oraz 2 wagonów technicznych. Streszczenie W pracy oprócz opisu, budowy oraz zasady działania automatycznego systemu przestawczego SUW-2000 opisano aspekt eksploatacyjny, w szczególności uszkodzenia które wystąpiły podczas użytkowania ich skutki oraz sposoby minimalizowania lub eliminacji tych uszkodzeń. Ponadto wskazano wytyczne odnośnie ewentualnych kolejnych wersji systemu SUW W artykule opisano wybrane wady i zalety konstrukcji oraz informacje o zamówieniu pojazdów szynowych wyposażonych w system przestawczy, które prawdopodobnie będą poruszały się na terenie Polski. Słowa kluczowe: zestaw kołowy przestawczy, eksploatacja Selected issue of the exploitation change gauge system SUW-2000 Abstract In the article includes description, construction, operation of change gauge system SUW-2000 and selected issue of the exploitation, particularly damage that occurred during use, its effects and ways to minimize or eliminate this damage. Furthermore shown guidelines about next version of SUW In the article described important pros and cons of the structure and information about order of train with gauge change system which probably will run in our country. Keywords: change gauge system, exploitation BIBLIOGRAFIA 1. Garcia-Alvarez A., Automatic track gauge changeover for trains in Spain. COLLECION TECNICA. September Kopczyński M., Polski system SUW 2000 do automatycznej zmiany rozstawu kół w wagonach kolejowych. SIMP WIELKOPOLSKI, Nr 11 Czerwiec 2005 r. 3. Madej J. Rozwój oryginalnego systemu transportu przestawczego UIC OCЖД. POJAZDY SZYNOWE, Nr 2/ Sawczuk W. materiały niepublikowane. 5. Suwalski R., SUW 2000 wózki towarowe i osobowe w automatycznym ruchu przestawczym 1435/1520 mm. TTS Technika Transportu Szynowego. Nr 7/ Suwalski R., System samoczynnej zmiany rozstawu kół pojazdów szynowych. Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne Akademii Górniczo-Hutniczej im. Stanisława Staszica w Krakowie. Rozprawy Monografie nr

10 7. Suwalski R., Wózek do wagonów towarowych z zestawem przestawczym 1435/1520 mm. TTS Techniki Transportu Szynowego. Nr 10/ ( ) 9. ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 2798