9η Διάλεξη Ελκόμενο Τροχαίο Υλικό: Σχεδιασμός, κατασκευή και λειτουργία ελκόμενου τροχαίου υλικού, συμπεριφορά τροχαίου υλικού επί της γραμμής και εκτροχιασμός σιδηροδρομικών οχημάτων Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών Σχεδιασμός και Λειτουργία Σιδηροδρομικών Συστημάτων Δρ. Αθανάσιος Γαλάνης Πολιτικός Μηχανικός MSc, PhD atgalanis@uth.gr
Βιβλιογραφία Συστήματα Σιδηροδρομικών Μεταφορών: Υποδομή, τροχαίο υλικό, εκμετάλλευση, Πυργίδης, Χ., Εκδόσεις Ζήτη, Θεσσαλονίκη, 2009.
Κύρια μέρη οχήματος Ορισμοί Κάθε σιδηροδρομικό όχημα, ελκόμενο ή έλκον, αποτελείται από τρια βασικά μέρη: το αμάξωμα, τα φορεία και τους άξονες. Αμάξωμα Αμάξωμα ή κιβώτιο καλείται το τμήμα το τμήμα του οχήματος που βρίσκεται πάνω από το πλαίσιο των φορείων. Στο αμάξωμα επιβιβάζονται οι επιβάτες που ταξιδεύουν (επιβατικά οχήματα), τοποθετούνται τα εμπορεύματα που μεταφέρονται (εμπορικά οχήματα) ή προσαρμόζονται ο θάλαμος οδήγησης και το σύστημα έλξης (έλκοντα οχήματα). Η διαμόρφωση του οχήματος εξαρτάται άμεσα από τη λειτουργικότητα του οχήματος.
Φορεία Τα φορεία αποτελούν τη βάση πάνω στην οποία τοποθετείται το αμάξωμα. Σε συνεργασία με τους άξονες επιτρέπουν την ομαλή εγγραφή των οχημάτων στις στροφές και εξασφαλίζουν την ευσταθή τους κίνησης στις ευθυγραμμίες. Μεταφέρουν τα κατακόρυφα φορτία από το αμάξωμα στους άξονες και βοηθούν στην καλύτερη διανομή των δυνάμεων στις σιδηροτροχιές. Τέλος, περιορίζουν τις ταλαντώσεις του οχήματος εξασφαλίζοντας ένα ανεκτό επίπεδο δυναμικής άνεσης στους επιβάτες. Τα σύγχρονα ελκόμενα οχήματα διαθέτουν συνήθως δυο φορεία. Κάθε φορείο μπορεί να έχει δυο άξονες (διαξονικό φορείο) ή τρεις άξονες (τριαξονικό φορείο).
Άξονες Οι άξονες έχουν σαν αποστολή τη μεταβίβαση των φορτίων στις σιδηροτροχιές και την εξασφάλιση της ομαλής κύλισης του οχήματος στις ευθείες και στις στροφές. Αποτελούνται από τρία κύρια στοιχεία: το σώμα του άξονα, τους δυο τροχούς και τα λιποκιβώτια. Στα ελκόμενα οχήματα, σε αντίθεση με τα έλκοντα, όλοι οι άξονες είναι φερόμενοι.
Κατάταξη ελκόμενων οχημάτων Τα σιδηροδρομικά ελκόμενα οχήματα κατατάσσονται σε τρεις βασικές κατηγορίες ανάλογα με τη λειτουργικότητά τους: Επιβατικά οχήματα που προορίζονται για τη μεταφορά επιβατών. Εμπορικά οχήματα κοινής ή γενικής χρήσης που προορίζονται για τη μεταφορά εμπορευμάτων γενικής φύσης. Φορτηγά ειδικής χρήσης που προορίζονται για τη μεταφορά εμπορευμάτων ορισμένου είδους μόνο.
Κατάταξη ελκόμενων οχημάτων Επιβατικά οχήματα Οχήματα με διαμερίσματα (κουπέ) Οχήματα με ατομικές θέσεις επιβατών Οχήματα διώροφα Άλλα επιβατικά οχήματα Εμπορικά οχήματα κοινής ή γενικής χρήσης Κλειστά οχήματα ή οχήματα με στέγη Οχήματα χωρίς στέγη με υψηλές παρειές Οχήματα χωρίς στέγη με χαμηλές παρειές Οχήματα χωρίς στέγη και χωρίς παρειές
Κατάταξη ελκόμενων οχημάτων Εμπορικά οχήματα ειδικής χρήσης Βυτιοφόρα οχήματα, για τη μεταφορά κυρίως υγρών καυσίμων αλλά και γενικώς ρευστών εμπορευμάτων. Ψυγεία οχήματα, για τη μεταφορά εμπορευμάτων υπό ψύξη. Διδάπεδα οχήματα, μεταφοράς επιβατικών αυτοκινήτων. Οχήματα σκευοφόροι, για την ταχεία μεταφορά αποσκευών και μικροδεμάτων. Ταχυδρομικά οχήματα, για τη μεταφορά ταχυδρομικών δεμάτων και επιστολών. Οχήματα μεταφοράς τσιμέντου. Οχήματα για συνδυασμένες μεταφορές. Ανατρεπόμενα οχήματα.
Επιδιώξεις και στόχοι ελκόμενου τροχαίου υλικού Οι στόχοι που πρέπει να πληρούν τα επιβατικά ελκόμενα σιδηροδρομικά οχήματα είναι οι εξής: Καλές επιδόσεις σχετικά με την ταχύτητα Καλή συμπεριφορά του τροχαίου υλικού στην περίπτωση σύγκρουση ή πυρκαγιάς Μεγάλη διάρκεια ζωής Αποτελεσματική τροχοπέδηση Μεγαλύτερη μεταφορική ικανότητα Ελαφρύτερη κατασκευή Δυναμική άνεση Ηχητική άνεση
Επιδιώξεις και στόχοι ελκόμενου τροχαίου υλικού Οι στόχοι που πρέπει να πληρούν τα επιβατικά ελκόμενα σιδηροδρομικά οχήματα είναι οι εξής (συνέχεια): Άνεση χώρου Άνεση διαμονής Αισθητική Βιομηχανοποίηση της παραγωγής Συμβατότητα με παλιότερο υλικό Διαλειτουργικότητα Όσον αφορά τα εμπορικά οχήματα οι επιδιώξεις και οι στόχοι είναι λίγο πολύ οι ίδιοι. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στη δυνατότητα εφαρμογής υψηλών ταχυτήτων και στην αύξηση της μεταφορικής ικανότητας των εμπορικών συρμών.
Τεχνικά και κατασκευαστικά χαρακτηριστικά αμαξώματος Κύρια μέρη αμαξώματος. Κατασκευαστικά στοιχεία. Σχεδιασμός αμαξώματος Διαστασιολόγηση Κατασκευή σκελετού Λειτουργικά στοιχεία Επένδυση εσωτερικών χώρων Καθίσματα και κουκέτες Παράθυρα και θύρες οχημάτων Συστήματα φωτισμού Συστήματα κλιματισμού αερισμού Συστήματα ζεύξης κρούσης
Λειτουργικά και σκοπιμότητα φορείων Στόχοι και σκοπιμότητα φορείων Τα φορεία πρέπει να: Επιτρέπουν την ομαλή εγγραφή των αξόνων στις καμπύλες. Βοηθούν στην καλύτερη μετάδοση των φορτίων από το αμάξωμα στις σιδηροτροχιές. Παρέχουν ευστάθεια των οχημάτων στις ευθυγραμμίες (ανάπτυξη μεγάλων ταχυτήτων). Παρέχουν δυναμική άνεση στους επιβάτες και κατά τις τρεις διευθύνσεις. Παρέχουν δυναμική άνεση στους επιβάτες και κατά τις τρεις διευθύνσεις. Έχουν σχετικά χαμηλό κόστος κατασκευής και συντήρησης.
Λειτουργικά και σκοπιμότητα φορείων Συμβατικά φορεία Άλλες τεχνολογίες φορείων Φορεία με αυτοδιευθυνόμενους άξονες Φορεία με ανεξάρτητα κινούμενα τροχούς Φορεία με άξονες με ελεγχόμενη ψευδό-ολίσθηση Φορεία μικτής συμπεριφοράς
Πέδηση σιδηροδρομικών συρμών Σκοπιμότητα της πέδησης Στα σιδηροδρομικά μέσα μεταφοράς η λειτουργία της πέδησης πρέπει να εξασφαλίζει κάτω από οιεσδήποτε καιρικές συνθήκες τα εξής: Ακινητοποίηση των συρμών, όταν αυτό απαιτείται (πχ στις προβλεπόμενες στάσεις, στους σταθμούς, πριν από σήματα που δηλώνουν στάθμευση). Επιβράδυνση των συρμών σε τμήματα της γραμμής που επιβάλλεται μείωση της ταχύτητας. Διατήρηση της ταχύτητας των συρμών κάτω από ένα όριο που απαιτούν τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά της χάραξης.
Πέδηση σιδηροδρομικών συρμών Συστήματα τροχοπέδησης Με τον όρο «σύστημα τροχοπέδησης» εννοούμε το σύνολο των μηχανισμών, διατάξεων και συσκευών που εξασφαλίζουν την ανάπτυξη των απαιτούμενων δυνάμεων για την πέδηση ενός σιδηροδρομικού οχήματος. Πέδη αέρος ή πνευματική πέδη Ηλεκτροπνευματική πέδηση Ηλεκτρομαγνητική πέδηση Ηλεκτροδυναμική πέδηση ή πέδη δινορευμάτων Ηλεκτρική ή ρεοστατική πέδηση Χειροτροχοπέδη
Πέδηση σιδηροδρομικών συρμών Εξαρτήματα συστήματος πέδησης Πέδιλα Δισκόφρενα Κατηγορίες πέδης Κανονική ή σταδιακή πέδηση Ακαριαία πέδηση Όργανα ελέγχου και προστασίας Διάταξη πέδης κινδύνου «Νεκρός» άνθρωπος: συσκευή που ακινητοποιεί το συρμό σε περίπτωση που ο μηχανοδηγός λόγω ασθένειας του (αιφνίδιου θανάτου, απώλειας αισθήσεων κλπ) δεν μπορεί να ελέγξει την αμαξοστοιχία.
Χαρακτηριστικά μεγέθη πέδησης Μήκος πέδησης Sπ Μήκος πέδησης ενός συρμού είναι το διάστημα που διανύει ο συρμός από τη στιγμή εφαρμογής της δύναμης πέδησης μέχρι την πλήρη ανακοπή της ταχύτητας και την τελική στάθμευσή του. Το μήκος πέδησης εξαρτάται από τους εξής παράγοντες: Αρχική ταχύτητα του συρμού Συνολικό βάρος του συρμού Ολική αντίσταση του συρμού Σύστημα πέδησης Κατά μήκος κλίση της γραμμής Συντελεστής τριβής πέδιλων επισώτρων Συντελεστής πρόσφυσης τροχού σιδηροτροχιάς
Πέδηση σιδηροδρομικών συρμών Πέδηση στις υψηλές ταχύτητες Το μήκος πέδησης ενός συρμού αυξάνει περίπου ανάλογα με το τετράγωνο της ταχύτητας. Το γεγονός αυτό σε συνδυασμό με τη μείωση της πρόσφυσης στις υψηλές ταχύτητες, δημιουργεί επιπλέον αύξηση της καταναλισκόμενης ισχύος κατά τη διάρκεια της λειτουργίας της πέδησης. Για τη μείωση του μήκους πέδησης στις μεγάλες ταχύτητες επιβάλλονται τα εξής: Βέλτιστη χρησιμοποίηση της διατιθέμενης πρόσφυσης. Αποφυγή του μπλοκαρίσματος των τροχών. Εξασφάλιση της πέδησης, ανεξάρτητα από την εξωτερική ηλεκτρική τροφοδοσία.
Περιτύπωμα κυκλοφορίας Με το γενικό όρο «περιτύπωμα» νοείται το μέγιστο περίγραμμα το οποίο πρέπει να είναι ελεύθερο πέριξ του τροχαίου υλικού έτσι ώστε να εξασφαλίζεται η διέλευσή του κατά μήκος της γραμμής. Περιτύπωμα τροχαίου υλικού Στατικό περιτύπωμα ή περιτύπωμα φορτώσεως Δυναμικό ή κινηματικό περιτύπωμα Περιτύπωμα ηλεκτροκίνησης ή περιτύπωμα ηλεκτρικής έλξης Περιτύπωμα τεχνικών έργων (ή εμποδίων) Κανονικό περιτύπωμα σταθερών εμποδίων Οριακό περιτύπωμα σταθερών εμποδίων
Περιτύπωμα (σιδηροδρομική) Περιτύπωμα τροχαίου υλικού Περιτύπωμα τεχνικών έργων ή σταθερών εμποδίων Στατικό ή φόρτωσης Δυναμικό ή κινηματικό Ηλεκτρικής έλξης Κανονικό Οριακό Μόνωσης παντογράφου Μόνωσης αλυσσοειδούς
Συμπεριφορά Τροχαίου Σιδηροδρομικού Υλικού επί της Γραμμής Συμπεριφορά μεμονωμένου σιδηροδρομικού άξονα Κίνηση σε ευθυγραμμία Η κίνηση ενός συμβατικού μεμονωμένου σιδηροδρομικού άξονα είναι γνωστή σαν οφιοειδής ή λοξοειδής κίνηση και μελετήθηκε για πρώτη φορά από τον Klingel το 1883. Ο Klingel προσομοίωσε το σιδηροδρομικό άξονα με ένα δίκωνο (δυο συμμετρικοί κώνοι κολλημένοι στη βάση τους). Υπέθεσε ότι ο άξονας κινείται με σταθερή ταχύτητα V κατά τη διεύθυνση του άξονα της γραμμής x, ενώ συγχρόνως, σε μια τυχαία χρονική στιγμή t, μετατοπίζεται εγκάρσια κατά μια ποσότητα y και στρέφεται κατά μια γωνία a. Κατά την κίνηση δε γίνεται επαφή ονύχων σιδηροτροχιών (y < σ). Κίνηση σε καμπύλα τμήματα
Συμπεριφορά Τροχαίου Σιδηροδρομικού Υλικού επί της Γραμμής Συμπεριφορά πλήρους οχήματος Συνθήκες κύλισης τροχών και περιπτώσεις εγγραφής των φορείων στις καμπύλες. Εγκάρσια συμπεριφορά πλήρους οχήματος. Οχήματα με συμβατικά φορεία. Όχημα με φορεία με αυτοδιευθυνόμενους άξονες. Όχημα με άξονες με ανεξάρτητους τροχούς.
Εκτροχιασμός Σιδηροδρομικών Οχημάτων Ορισμός Με τον όρο «εκτροχιασμό» εννοούμε την οριστική απώλεια επαφής της επιφάνειας κύλισης ενός τουλάχιστον τροχού του οχήματος με την επιφάνεια κύλισης της κεφαλής της σιδηροτροχιάς. Ο εκτροχιασμός ενός σιδηροδρομικού οχήματος μπορεί να συμβεί για τους εξής λόγους: Εγκάρσιας μετατόπισης της γραμμής. Ανατροπής του οχήματος. Αναρρίχησης των τροχών επί της σιδηροτροχιάς και υπερπήδησης της σιδηροτροχιάς. Τα αίτια εκτροχιασμού μπορεί να είναι ενδογενή (μεγάλες ασκούμενες δυνάμεις, υπερβολική ταχύτητα, κακή κατάσταση και σχεδιασμός του τροχαίου υλικού, κακή ποιότητα και χάραξη της γραμμής) ή εξωγενή (λάθος ρύθμιση αλλαγών, σύγκρουση οχημάτων).
Εκτροχιασμός Σιδηροδρομικών Οχημάτων Εκτροχιασμός με μετατόπιση της γραμμής Στην περίπτωση αυτή, σε τμήμα της γραμμής, μετατοπίζεται υπό την επίδραση σημαντικών εγκάρσιων δυνάμεων η εσχάρα γραμμής (σιδηροτροχιές + στρωτήρες) με αποτέλεσμα τον εκτροχιασμό ενός ή περισσότερων οχημάτων του συρμού. Αυτή η μορφή εκτροχιασμού οφείλεται αποκλειστικά σε ενδογενή αίτια και αποτελεί την πιο συνήθη περίπτωση εκτροχίασης. Εκτροχιασμός λόγω ανατροπής του οχήματος Κατά την κίνηση ή τη στάθμευση ενός σιδηροδρομικού οχήματος στα καμπύλα τμήματα της οριζοντιογραφίας μπορεί να συμβεί, υπό ορισμένες συνθήκες, ανατροπή του οχήματος. Η ανατροπή μπορεί να γίνει προς το εξωτερικό ή το εσωτερικό της καμπύλης.
Εκτροχιασμός Σιδηροδρομικών Οχημάτων Εκτροχιασμός με αναρρίχηση των τροχών Στην πράξη εκτροχιασμός με αναρρίχηση του τροχού συμβαίνει όταν η προβολή της συνισταμένης όλων των δυνάμεων, πάνω στον άξονα yy (άξονας δύναμης εκτροχίασης) έχει φορά προς τα άνω και ο χρόνος επενέργειας της αρκεί για να υπερπηδηθεί η σιδηροτροχιά. Κριτήρια εκτροχιασμού: Σχέση του Nadal Κριτήριο του Chartet Κριτήριο εκτροχιασμού για γωνίες παρέκκλισης a > 5 mrad Εκτροχιασμός με αναρρίχηση του τροχού λόγω αύξησης της φυγόκεντρης δύναμης.
Εκτροχιασμός Σιδηροδρομικών Οχημάτων Παράγοντες επιρροής εκτροχιασμού Τις περισσότερες φορές ο εκτροχιασμός ενός οχήματος λαμβάνει χώρα αφού προηγηθεί μετατόπιση της γραμμής. Εκτροχιασμός με υπερπήδηση της σιδηροτροχιάς χωρίς μετατόπιση της γραμμής μπορεί να συμβεί μόνον όταν υπάρχει ταυτόχρονα μεγάλη αποφόρτιση του εκτροχιαζόμενου τροχού και πρόσθετη φόρτιση του μη εκτροχιαζόμενου τροχού. Το φαινόμενο αυτό μπορεί να παρατηρηθεί στην περίπτωση κίνησης με μικρή ταχύτητα σε στροφές μικρής ακτίνας καμπυλότητας με μεγάλη υπερύψωση και στρεβλότητα. Εκτροχιασμός με υπερπήδηση της σιδηροτροχιάς συμβαίνει επίσης στην περίπτωση που τα αίτια είναι εξωγενή, δηλαδή: Κακή λειτουργία και ρύθμιση των αλλαγών Σύγκρουση αμαξοστοιχιών
Εκτροχιασμός Σιδηροδρομικών Οχημάτων Παράγοντες επιρροής εκτροχιασμού Κατά την επαφή τροχού σιδηροτροχιάς ο κίνδυνος εκτροχιασμού λόγω αναρρίχησης των τροχών αυξάνει όταν: Αυξάνει η δύναμη Y1 Αυξάνει ο χρόνος εφαρμογής της δύναμης Y1 Αυξάνει ο συντελεστής τριβής τροχού σιδηροτροχιάς μ Μειώνεται η γωνία επαφής τροχού σιδηροτροχιάς β Μειώνεται το κατακόρυφο φορτίο του εκτροχιαζόμενου τροχού ενώ συγχρόνως αυξάνει το κατακόρυφο φορτίο του μη εκτροχιαζόμενου τροχού. Αξίζει να σημειωθεί ότι οι περισσότεροι εκτροχιασμοί παρατηρούνται στις περιοχές σχηματισμών γραμμής.
Ευχαριστώ για την προσοχή σας! Επικοινωνία: atgalanis@uth.gr