X KIERUNKI ROZWOJU W DZIEDZINIE KONSTRUKCJI ROZJAZDÓW NA KOLEJACH DUŻYCH PRĘDKOŚCI Cezary KRAŚKIEWICZ, Wojciech OLEKSIEWICZ 1. Wstęp Celem niniejszego rozdziału monografii jest dokonanie przeglądu stanu techniki w dziedzinie konstrukcji rozjazdów ze szczególnym uwzględnieniem uwarunkowań występujących na kolejach dużych prędkości. Obecnie powszechnie dąży się do zwiększenia trwałości i ograniczenia kosztów utrzymania oraz zmniejszenia łącznego czasu podróży dzięki podniesieniu prędkość jazdy. Rozjazdy kolejowe stanowiące szczególny obiekt torowy również powinny uwzględniać te trendy rozwojowe, a więc ich konstrukcja i układ geometryczny muszą być przystosowane do dużych prędkości jazdy i przenoszenia dużych oddziaływań dynamicznych od poruszającego się taboru. Zagadnienia dotyczące tematu układów geometrycznych rozjazdów na kolejach dużych prędkości nie będą omówione w tym opracowaniu, a więcej informacji na ten temat można znaleźć w pracach [3] i [4]. W niniejszym rozdziale monografii wymieniono niektóre spośród rozwiązań obecnie stosowanych w konstrukcji rozjazdów dla kolei dużych prędkości, a szczegółowo scharakteryzowano rozwiązania podstawowych elementów, jak np. krzyżownic z ruchomym dziobem. 2. Rozjazdy kolejowe Rozjazdy są to urządzenia torowe służące do połączenia torów umożliwiające przejazd pojazdów szynowych (pociągów) z jednego toru na drugi bez potrzeby przerywania jazdy. Podstawowym rodzajem rozjazdu jest rozjazd zwyczajny (rys. 2.1), który składa się z trzech zasadniczych grup (bloków) elementów składowych: - zwrotnicy; - szyn łączących; - krzyżownicy. W rozjeździe zwyczajnym zbiegają się dwa tory przeznaczone do jazdy: - po prostej (na kierunek prosty); 143
- na odgałęzienie (na kierunek zwrotny). Rysunek 2.1. Rozjazd zwyczajny. Oznaczenia [10]: S środek geometryczny rozjazdu, P początek rozjazdu, K końce rozjazdu, R promień łuku toru zwrotnego rozjazdu, L długość rozjazdu, α kąt rozjazdu (tg α = 1:n skos rozjazdu), 1 styki przediglicowe, 2 styki za krzyżownicą, 3 iglice, 4 ostrza iglic, 5 osada iglic, 6 opornice, 7 dziób krzyżownicy, 8 szyny skrzydłowe, 9 kierownice, 10 szyny łączące, 11 tok zewnętrzny toru zasadniczego, 12 oś toru zasadniczego, 13 tok wewnętrzny toru zasadniczego, 14 tok zewnętrzny toru zwrotnego, 15 oś toru zwrotnego, 16 tok wewnętrzny toru zwrotnego, 17 zamknięcie nastawcze z napędem zwrotnicowym 2.1. Krzyżownica na kolejach klasycznych prędkości Krzyżownica rozjazdu składa się z dzioba, dwóch szyn skrzydłowych i dwóch kierownic. Stosuje się ją w miejscu przecięcia się toków szynowych w rozjazdach. Umożliwia swobodny przejazd w jednym poziomie kół taboru przez miejsce krzyżowania się toków szynowych. W tradycyjnej konstrukcji krzyżownicy z nieruchomym dziobem istnieje nieciągłość toku szynowego, dlatego przy przejeździe przez krzyżownicę może nastąpić uderzenie kół o dziób krzyżownicy. Kierownice umożliwiają prowadzenie kół pojazdów i swobodne przejście przez wolną przestrzeń między gardzielą, a początkiem ostrza dziobu i zapewniają wejście kół we właściwy żłobek krzyżownicy (rys. 2.2). Rysunek 2.2. Zasada prowadzenia koła przejeżdżającego przez krzyżownicę. Oznaczenia: H pozioma siła prowadząca (przekazywana przez kierownicę na obrzeże obręczy koła), V pionowe naciski (a + b = 1), 1 dziób krzyżownicy, 2 szyna skrzydłowa, 3 powierzchnia toczna obręczy koła, 4 obrzeże obręczy koła, 5 opornica, 6 kierownica 144
Szyny skrzydłowe umożliwiają przejazd kół taboru przez miejsce krzyżowania się toków szynowych, przejmując naciski pionowe z kół (rys. 2.3). W momencie przejazdu koła przez koniec dzioba krzyżownicy naciski pionowe z koła są przekazywane jednocześnie na szynę skrzydłową i koniec dzioba. Żeby poprawić odporność na zużycie dziób krzyżownicy i szyny skrzydłowe są utwardzane przez obróbkę cieplną. Stosowane są również krzyżownice ze stali wysokomanganowej, bardziej odpornej na zużycie mechaniczne. Rysunek 2.3. Zasada przekazywania nacisku pionowego z koła na dziób krzyżownicy i szyny skrzydłowe. Oznaczenia: 1 dziób krzyżownicy, 2 szyna skrzydłowa, 3 powierzchnia toczna obręczy koła, 4 obrzeże obręczy koła, 5 powierzchnia przekazywania nacisku pionowego z koła na dziób krzyżownicy i na szynę skrzydłową 3. Charakterystyka ogólna rozjazdów na kolejach dużych prędkości Rozjazdy kolejowe eksploatowane z dużymi prędkościami (160 350 km/h) muszą mieć układ geometryczny i konstrukcję przystosowane do przenoszenia dużych oddziaływań dynamicznych. Powinny zapewniać bezpieczeństwo i spokojność przejazdu pociągów z dużymi prędkościami, mając na uwadze komfort podróży i oddziaływanie na środowisko. Zasadniczym elementem rozjazdów dla kolei dużych prędkości są krzyżownice z ruchomym dziobem. Stosuje się je niekiedy już dla prędkości 160 km/h, pomimo że Techniczne Specyfikacje Interoperacyjności podsystemu Infrastruktura transeuropejskiego systemu kolei dużych prędkości [2] nakazują ich stosowanie dopiero powyżej prędkości 280 km/h. Również obowiązujące od 1 stycznia 2015 r. i zastępujące poprzednie TSI [2] Techniczne Specyfikacje Interoperacyjności podsystemu Infrastruktura transeuropejskiego systemu kolei dużych prędkości i kolei konwencjonalnych [8] nakazują stosowanie ruchomych dziobów krzyżownic w rozjazdach przy prędkościach jazdy powyżej 250 km/h. Polskie standardy techniczne [1] dopuszczają zastosowanie krzyżownicy z ruchomym dziobem od prędkości 200 km/h, a nakazują przy prędkości 250 km/h. Rozjazdy dla dużych prędkości charakteryzują się według [9] następującymi rozwiązaniami technicznymi: - krzyżownicami z ruchomym dziobem, zapewniającymi ciągłe i spokojne przenoszenie sił poziomych (prowadzących) i pionowych nacisków zestawów kołowych taboru na tor w krzyżownicy; - zamknięciami nastawczymi zwrotnic i ruchomych dziobów krzyżownic, wyposażonymi w urządzenia kontrolne i stabilizujące ich położenie; - zoptymalizowanym kinematycznym układem wymiarowym zwrotnic i całego rozjazdu, pozwalającym na zachowanie naturalnego charakteru ruchu pojazdu (wężykowania) i 145
ograniczającego zakłócenia w ruchu, skutkujące większym zużyciem elementów w zwrotnicy; - sprężystym posadowieniem rozjazdu; - sprężystym przytwierdzeniem części stalowej rozjazdów do podpór szynowych najczęściej podrozjazdnic; - betonowymi podrozjazdnicami, zapewniającymi dużą stateczność rusztu rozjazdowego, trwałość i zmniejszone nakłady na utrzymanie i naprawy; - podzielnymi długimi podrozjazdnicami z betonu sprężonego, zapewniającymi zmniejszenie drgań i odkształceń całego rusztu rozjazdowego oraz umożliwiającymi blokowy montaż rozjazdów i jego zmechanizowaną układkę, co skutkuje obniżeniem kosztów eksploatacji i zabudowy; - dobrym posadowieniem na nawierzchni podsypkowej lub bezpodsypkowej; - wyższymi parametrami ochrony środowiska, tj. zmniejszoną emisją hałasu i wibracji przy przejeździe taboru i mniejszymi zanieczyszczeniami podłoża i wód poprzez eliminację smarowania zwrotnic. 3.1. Krzyżownica na kolejach dużych prędkości Rozjazd z krzyżownicą o ruchomym dziobie - krzyżownica wyposażona w dodatkowy mechanizm (urządzenie nastawcze) przestawiający, w zależności od kierunku jazdy dziób krzyżownicy tak, aby koło nie przejeżdżało po nieciągłości toku szynowego, jak to ma miejsce w klasycznej krzyżownicy z nieruchomym dziobem. Krzyżownice z ruchomym dziobem stosuje się według [9] w celu: - poprawy bezpieczeństwa przejazdu taboru na kierunek główny przez rozjazd - obniżenia prawdopodobieństwa wykolejenia pojazdu; - podniesienia spokojności przejazdu pociągu przez rozjazd i eliminacji zakłóceń spowodowanych niekorzystnym nabieganiem kół na kierownicę i uderzeniami w dziób; - zmniejszenia szkodliwych dynamicznych oddziaływań na tabor, wydłużenia jego żywotności i podniesienia jego niezawodności eksploatacyjnej; - obniżenia nakładów robocizny na bieżące utrzymanie (kierownic, regulację szerokości żłobków), dzięki eliminacji kierownic, mimo wprowadzenia nowych urządzeń tj. zamknięć nastawczych dzioba krzyżownicy; - podnoszenia stanu bezpieczeństwa jazdy na odgałęzienie przy prędkościach V > 100 km/h i zapewnienia wymaganego komfortu jazdy; - wydłużenia żywotności całej krzyżownicy w wyniku zmniejszenia zużycia dziobów i szyn skrzydłowych w stosunku do rozwiązania klasycznego. Wyróżnia się dwa podstawowe typy konstrukcyjne krzyżownic z ruchomym sprężystym dziobem: - spleciony, składający się z dzioba zasadniczego i dzioba bocznego (rys. 3.1); - z dziobem odkutym (blokowym) (rys. 3.2). Krzyżownice z ruchomym splecionym dziobem HBS HB mają zapewnioną kompensację wydłużeń dziobu zasadniczego i bocznego poprzez wzajemne mocowanie za pomocą specjalnych łączników pomiędzy splecionymi szynami dzioba (dziobem zasadniczym i bocznym). 146
Rysunek 3.1. Krzyżownica z ruchomym dziobem splecionym HBS HB (złożona z dzioba zasadniczego i bocznego) [6] W krzyżownicach z ruchomym dziobem odkutym blokowym HBS BD dla kompensacji wydłużeń stosuje się ukośny styk w jednej z szyn splecionych za krzyżownicą. Rysunek 3.2. Krzyżownica z ruchomym dziobem odkutym blokowym HBS BD, długą szyną skrzydłową i ukośnym stykiem [6] 147
Rozwiązaniem dającym podobne korzyści do krzyżownic z ruchomym dziobem są krzyżownice z ruchomymi sprężystymi szynami skrzydłowymi. W tym rozwiązaniu w trakcie procesu przestawiania sprężyste szyny skrzydłowe (rys. 3.3) są dociskane naprzemiennie do sztywnego i nieruchomego dziobu krzyżownicy i blokowane. Podobnie jak w przypadku rozwiązania krzyżownicy z ruchomym dziobem rozjazd taki zachowuje ciągłość toków szynowych i nie wymaga stosowania kierownic. Rysunek 3.3. Krzyżownica z ruchomymi sprężystymi szynami skrzydłowymi [6] 3.2. Pełzanie szyn i zamknięcia nastawcze przeciwpełzne W wyniku oddziaływań pojazd tor, a także zmian temperatury, występuje zjawisko pełzania szyn, polegające na ich podłużnym przemieszczaniu się wzdłuż toru. W rozjazdach o dużych wartościach promienia toru zwrotnego zjawisko to jest szczególnie niekorzystne, gdyż ze względu na duże przemieszczenia końców długich i swobodnych iglic powoduje ono klinowanie zamknięć nastawczych suwakowych (rys. 3.4). W celu eliminacji niekorzystnych skutków pełzania szyn stosuje się zamknięcia nastawcze przeciwpełzne. Zamknięcia nastawcze przeciwpełzne są wyposażone w urządzenia pozwalające na podłużny przesuw iglic w granicach do +/- 30 mm. Pozwalają one na uniknięcie zakleszczenia się klamry zamka w opórce zamknięcia suwakowego przy termicznych przesunięciach ostrza iglicy względem opornicy, do której jest przymocowana klamra zamka. 148
Zjawisko to szczególnie nasila się w rozjazdach zespawanych z przyległym do nich torem bezstykowym. Przykładem takiego urządzenia jest BKL 61 (rys. 3.5) i TEMPFLEX (rys. 3.6). Rysunek 3.4. Zasada powstawania zakłóceń w działaniu zamknięć nastawczych suwakowych wskutek pełzania szyn. Oznaczenia [5]: P podłużna siła w toku szynowym spowodowana pełzaniem szyn, N normalna siła (reakcja) wywołana siłą P, powodująca tarcie podczas ruchu drążka. Rysunek 3.5. Schemat działania zamknięcia BKL 61 [6] Rysunek 3.6. Schemat działania zamknięcia klamrowego TEMPFLEX [6] 149
3.3. System IBAV sprężystego przytwierdzenia opornic Reakcja od koła dzieli się na składową pionową i poziomą ze względu na kształt koła i główki szyny. Kierunek powstałej w ten sposób siły wypadkowej działa w obrębie stopki szyny, nie doprowadzając do jej przechylenia się. W zwrotnicy rozjazdu sytuacja wygląda odmiennie. Po przejęciu przez iglicę pionowego nacisku koła istnieje podobny rozkład na składowe siły pionową i poziomą. Siła pozioma przekazuje się na opornicę poprzez powierzchnię przylegania iglica/opornica. Na opornicę nie działa wówczas żaden nacisk koła, a z pochylonych powierzchni przylegania działa tylko niewielki udział składowej poziomej. Całkowita siła pozioma działa na opornicę (rys. 3.7). Na zasadzie działania dźwigni wewnętrzne przytwierdzenie opornic, znane z systemów konwencjonalnych, przy sile docisku 1,2-1,4 ton nie jest w stanie przeciwdziałać przechylaniu opornicy. Dodatkowo płyta główna stołeczka ślizgowego podlega działaniu zmiennego obciążenia zginającego. Rysunek 3.7. Rozkład nacisków na iglicę i opornicę w zwrotnicy rozjazdu [7] Dlatego też przy większych prędkościach jazdy stosuje się rozdzielne wewnętrznie przytwierdzenie opornic - system IBAV (rys. 3.8). Wykorzystuje on pionowy nacisk koła, działający na iglicę, w celu dociskania wewnętrznej stopki opornicy. Nacisk koła działający na iglicę jest przenoszony na stopkę opornicy przez stołeczek ślizgowy, który opiera się bezpośrednio na stopce opornicy. Iglice są osadzone na podkładkach ślizgowych zapewniających jednoczesne sprężyste przytwierdzenie opornic. Łapki muszą przenosić obciążenie drgające nieznacznie, co zwiększa ich żywotność. Rysunek 3.8. Wewnętrzne sprężyste przytwierdzenie opornicy w systemie IBAV [7] 150
3.4. Zamknięcia rozjazdowe HRS eliminujące drgania dolegających i odlegających iglic Większość zamknięć nastawczych umożliwia tylko poziome przymocowanie iglicy do opornicy. Zamknięcie typu HRS (niem. Heben Rollen Sichern; pol. podnosić toczyć zabezpieczać) zapewnia nie tylko dobrą współpracę iglicy z opornicą w sensie poziomym, ale również ogranicza ruchy pionowe (drgania) iglicy dolegającej i odlegającej, poprzez zapewnienie skośności siły ich trzymania (rys. 3.9). Zamknięcie nastawcze HRS ma za zadanie, przy zaryglowaniu dostatecznie dużą składową siły, przyciskać iglicę zarówno do opornicy jak i stołeczka ślizgowego. Wyklucza to możliwość zaistnienia sytuacji, w której opornice oddzielone od iglic odginają się pionowo i iglica zajmuje wyższe położenie. Prowadzi to wówczas do uderzenia przetaczających się kół w położoną wyżej iglicę lub zbyt wczesne pionowe dotykanie iglicy. Iglica przylegająca, opornica i płyty ślizgowe tworzą jedną całość w stosunku do drgań całego układu oraz iglica jest dociskana w takim samym stopniu w jakim opornica, po której jedzie koło. Iglica odlegająca jest natomiast podnoszona przez zamknięcie HRS i podparta przez rolki podiglicowe. Oba te elementy poprzez podniesienie przestawianej iglicy ze stołeczków ślizgowych, znacznie ograniczają siły tarcia pomiędzy stopką iglicy i stołeczkiem ślizgowym. Zamknięcie wykorzystuje do procesu przestawiania i ryglowania iglic zamiast tarcia ślizgowego, korzystniejsze tarcie toczne. W związku z czym zamknięcie HRS nie wymaga smarowania, co zmniejsza nakłady na utrzymanie rozjazdu. Rozwiązanie to jest powszechnie stosowane na Kolejach Niemieckich (DB) przy prędkościach 230 km/h i większych. Przykład takiego zamknięcia w zwrotnicy rozjazdu pokazano na rys. 3.10. Rysunek 3.9. Zamknięcie typu HRS [7] Rysunek 3.10. Zamknięcie typu HRS [6] 151
4. Podsumowanie Rozjazdy eksploatowane z dużymi prędkościami jazdy (160-350 km/h) powinny: 1) Posiadać układ geometryczny i konstrukcję przystosowane do przenoszenia dużych oddziaływań dynamicznych. 2) Zapewniać bezpieczeństwo i spokojność przejazdu pociągów z dużymi prędkościami, mając na uwadze komfort podróży i oddziaływanie na środowisko. 3) Posiadać krzyżownicę z ruchomym dziobem. 4) Posiadać nowoczesne rozwiązania konstrukcji takie jak np.: urządzenia przeciwpełzne, system sprężystego przytwierdzenia opornic IBAV oraz zamknięcia rozjazdowe HRS. Spełnienie powyższych warunków spowoduje, że rozjazdy dla dużych prędkości jazdy będą znajdować coraz szersze zastosowanie na polskiej sieci kolejowej wraz z cyklicznymi modernizacjami i zwiększaniem maksymalnej prędkości jazdy. Bibliografia [1] Centrum Naukowo Techniczne Kolejnictwa: Standardy techniczne. Szczegółowe warunki techniczne dla modernizacji lub budowy linii kolejowych do prędkości Vmax 200 km/h (dla taboru konwencjonalnego) / 250 m/h (dla taboru z wychylnym pudłem). Tom I. Droga szynowa. Wersja 1.1. PKP Polskie Linie Kolejowe S.A., Warszawa 2009. [2] Decyzja Komisji Europejskiej nr 217/2008 z dnia 20 grudnia 2007 r. dotycząca specyfikacji technicznej interoperacyjności podsystemu Infrastruktura transeuropejskiego systemu kolei dużych prędkości. Dziennik Urzędowy Unii Europejskiej nr 77, 2008. [3] Kraśkiewicz C.: Uwarunkowania w projektowaniu rozjazdów na kolejach dużych prędkości. Praca dyplomowa pod kierunkiem W. Oleksiewicza. Biblioteka Wydziału Inżynierii Lądowej, Warszawa 2012. [4] Kraśkiewicz C., Oleksiewicz W.: Układy geometryczne rozjazdów na kolejach dużych prędkości. Teoretyczne podstawy budownictwa. Tom III. Konstrukcje inżynierskie. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2013. [5] Oleksiewicz W.: Pełzanie toków szynowych w rozjazdach zwyczajnych i jego wpływ na działanie zamknięć nastawczych. Rozprawa doktorska Politechnika Warszawska, Warszawa 1984. [6] Prospekty firmy VAE GmbH. [7] Prospekty firmy BWG/WBG. [8] Rozporządzenia Komisji Unii Europejskiej nr 1299/2014 z dnia 18 listopada 2014 r. dotyczące technicznych specyfikacji interoperacyjności podsystemu Infrastruktura systemu kolei w Unii Europejskiej. Dziennik Urzędowy Unii Europejskiej nr 356, 2014. [9] Semrau A.: Rozjazdy dla dużych prędkości. [w] Linie dużych prędkości na PKP. Przygotowanie Centralnej Magistrali Kolejowej do prędkości 200 250 km/h. Norbertinum, Lublin 1997. [10] Zalewski P., Siedlecki P., Drewnowski A.: Technologia transportu kolejowego. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 2004. 152