Aktualności Publikacje Firm

Czy koła szprychowe mają przyszłość w kolejnictwie?

Fot. 3 Koło bose wykonane z ADI [2]

Koła szprychowe nieodłącznie kojarzą się ze starymi konstrukcjami lokomotyw parowych. Wraz z postępem technicznym i rozwojem konstrukcji pojazdów szynowych, skutkującymi zwiększeniem sił nacisku oraz trakcyjnych przenoszonymi przez koła, zostały one całkowicie wyparte przez koła pełne – monoblokowe lub obręczowane.

W obecnych konstrukcjach pojazdów szynowych udział wagi kół w masie całego wózka wraz z osprzętem to ok. 20%. W celu minimalizacji masy, która jest niezbędna do poprawy właściwości dynamicznych pojazdu, dąży się do prób zmniejszenia wagi kół właśnie poprzez swoisty powrót do konstrukcji szprychowych, których kształt umożliwia użycie mniejszej ilości materiału.

Próby skonstruowania koła szprychowego podjęli się naukowcy w projekcie pt. „Austempered Ductile Iron (ADI) Spoke Wheel” w ramach programu Shift2Rail, którego celem miało być zaprojektowanie monoblokowego koła szprychowego wykonanego z żeliwa sferoidalnego [4,5,6]. Zestaw kołowy z kołami szprychowymi przedstawiono poniżej (fot. nr 1).

Fot. 2 Wózek pojazdu serii ALn668.1053 podczas przejazdów testowych kół szprychowych [1]

W zamierzeniu nowe koło szprychowe ma być stosowane w zestawach kołowych wagonów metra. Główną motywacją wprowadzenia nowego rodzaju kół jest zastąpienie konwencjonalnych kół pełnych [5]. Argumentami przemawiającymi za ponownym wprowadzeniem kół szprychowych do eksploatacji pojazdów szynowych jest uproszczenie procesów utrzymaniowych, zminimalizowanie zużywania się pary ciernej koło-szyna wskutek redukcji masy nieusprężynowanej, a także zwiększenie ładowności pojazdu dzięki odchudzeniu jego konstrukcji [5]. Występowanie szprych skutecznie ogranicza emisję dźwięku, ponieważ w przeciwieństwie do konwencjonalnych kół, nie występuje membrana promieniowania akustycznego. Dzięki wykorzystaniu nowoczesnych metod obliczeniowych i projektowych została uzyskana odpowiednia dystrybucja sił w kole, w następstwie czego możliwa jest bezpieczna praca koła nawet, gdy jedna ze szprych ulegnie zniszczeniu [4]. Koncepcja nowego koła szprychowego zakłada użycie żeliwa sferoidalnie hartowanego (ADI) jako materiału konstrukcyjnego. Zastosowanie żeliwa w konstrukcji kół zapewnia możliwość nadawania wielu wariantów geometrii, niezbędnych do uzyskania odpowiedniej wytrzymałości mechanicznej przy niższej masie. Według autorów koncepcji koła szprychowego możliwa jest redukcja masy o ok. 10 % [6]. Charakterystyczna cecha żeliwa, jaką jest duża zdolność do tłumienia drgań, minimalizuje intensywność emitowania zjawisk wibroakustycznych, co jest kolejnym czynnikiem polepszającym interakcje pojazdu z torem.

Fot. 1 Zestaw kołowy z kołami szprychowymi [4]

Inne próby nakierowane na implementację kół szprychowych mają miejsce we Włoszech. Badana jest możliwość wymiany konwencjonalnych kół bosych w autobusach szynowych serii ALn668 na koła bose szprychowe wykonane z materiału ADI [1,2,3]. Na fotografii nr 2 ukazano wózek pojazdu serii ALn668 podczas testu kół na rzeczywistych trasach przejazdowych.

Według zespołu zajmującego się tym przedsięwzięciem, koło bose wykonane z żeliwa sferoidalnego (fot. nr 3) umożliwia redukcję masy o około 30% w stosunku do konwencjonalnej konstrukcji koła bosego [1]. Dodatkowo, z powodu obecności szprych zmniejszono powierzchnię boczną o około 50% [3].

Podsumowując można zauważyć, że koła szprychowe wykonane z żeliwa mają istotne zalety z punktu widzenia eksploatacji, takie jak redukcja masy oraz intensywności emisji dźwięku, i stanowią alternatywę dla konwencjonalnych konstrukcji kół kolejowych. Według autorów programu Shift2Rail przewiduje się wejście do rzeczywistej eksploatacji kół szprychowych po 2021 roku.

Autor: Marcin Słowiński