G. Simić, Vagoni
1
1. OPŠTE OSNOVE
1.1 IZ ISTORIJE TEHNIĈKOG RAZVOJA ŠINSKIH VOZILA Ţeteznica je, u osnovi, nastala spojem dva tehnička rešenja: staza za kretanje i voĎenje vozila i parne mašine za vuču, tj. parne lokomotive.
Začeci korišćenja staze za kretanje i voĎenje vozila nalaze se još u srednjovekovnim rudnicima. Za vuču vagoneta po uskim rudničkim hodnicima je tada korišćena ljudska snaga. Uočeno je da kretanje vagoneta po drvenim stazama znatno lakše, nego po rastresitoj ili blatnjavoj podlozi (slika 1.1a). Da vagoneti ne bi skliznuli sa staze, pravljene su i staze u obliku L profila (slika
1.1b). Kao alternativno rešenje voĎenja se pojavljuje točak sa vencem, na stazi od drvenih greda (slika 1.1c). Sa napretkom tehnologije livenja primenjuju se metalni točkovi na metalnim šinama u obliku L ili I profila postavljenih na drvene pragove pragove (si. 1.1 d i e).
d) e)
a)
b)
c)
SI. 1.1
f)
Oko 1820., razvoj tehnologije valjanja omogućava korišćenje duţih šina, sa presekom sličnim današnjim šinama (slika 1.1 f.) Osim ljudske snage za pokretanje vagona je korišćena i konjska vuča. Kada je Dţems Vat 1769 g. konstruisao parnu mašinu javljaju se ideje za njenu primenu na vozilima. Prvi pokušaji su vršeni na drumskim kolima zbog sumnje da trenje izmeĎu metalnog točka i metalne šine nije dovoljno. 1804 godine engleski inţenjer Ričard Trevitik konstruisao je prvu lokomotivu o kojoj postoji zapis, koju je nazvao "Invikta". Lokomotiva je imala točkove bez venaca, kao tadašnje kočije, i kretala se po šinama od kratkih livenih L profila (slika 1.1d). S obzirom na nerazvijenu tehnologiju livenja, šine su pod teţinom lokomotive često pucale, a lokomotiva je zbog čestih kvarova bila veoma nepouzdana u radu, pa nije doţivela širu praktičnu upotrebu. Ipak, ovaj ekspe riment je pokazao da je trenje izmeĎu metalnog točka i metalne šine dovoljno za ostvarivanje vučne sile. Uz mnoge druge ljude koji počinju da se bave konstrukcijom lokomotiva u to vreme, najznačajniji najznačajniji je Dţordţ Stivenson, nadzornik mašina u rudniku, nepism en do svoje
G. Simić, Vagoni
2
devetnaeste godine i samouk. 1825 godine on projektuje i gradi prvu prugu za javni saobraćaj, izmeĎu Stoktona i Darlingtona u Engleskoj. Za vuču na toj pruzi konstruiše lokomotivu "Lokomoušn". Paralelno sa lokomotivama na ovoj pruzi se koristi i konjska vuča, a na velikim usponima se vagoni vuku uţetom uz pomoć stabilnih parnih mašina smeštenih pored koloseka. Zanimljivo je da je širina koloseka za tu prugu nastala od standardnog (!) unutrašnjeg rastojanja točkova poštanskih kočija u Engleskoj. Ovo rastojanje je iznosilo 4 stope i 6 inča. Pošto je korišćena šina u obliku I profila i točak sa vencem za voĎenje, dodat je po 1 inč za svaki venac i još pola inča za zazor izmeĎu venaca i šina - ukupno 4 stope i 8 / 2 inča =1435 mm. Tako je nastala širina današnjeg normalnog koloseka, koji se u svetu najviše koristi. Širina koloseka se posmatra kao najmanje rastojanje unutrašnjih površina šina mereno izmeĎu 0 i 14mm ispod nivoa gornjih ivica šina (GIŠ) /1.6/. Razlog za ovakvu definiciju je činjenica da profili novih šina imaju zaobljene ivice sa tipičnim radijusom od 13mm, čiji se uticaj na ovaj način pri merenju izbegava (si. 1.2a). Pošto se šine u eksploataciji habaju, a podloţne su i deformacijama usled tečenja materijala, širina koloseka se u eksploa taciji menja. Primena definicije širine koloseka na primeru pohabanih šina u krivini je prikazana na slici 1.2b. | Merilo
I
SI. 1.2
1830 godina se smatra zvaničnim početkom istorije ţeleznice, jer je te godine otvorena prva pruga na svetu za javni putnički i teretni saobraćaj L iverpul- Mančester na kojoj je ćelom duţinom vuča obavljana isključivo lokomotivama. Sa lokomotivom "Rocket" (raketa), Dţordţ Stivenson je pobedio na konkursu za izbor lokomotive za tu prugu, postigavši brzinu od 56 km/h, što je bio svetski rekord za bilo k oju vrstu saobraćaja u to vreme. I u drugim zemljama se grade pve pruge: 1827. g. u Francuskoj u blizini Liona za potrebe rudnika, 1828- 1830 prve pruge u SAD, 1829 u Austriji i Češkoj, 1835 u Belgiji i Nemačkoj, 1838 u Rusiji, 1872 u Japanu itd. U Srbiji j e (ako se izuzme jedan kraći odsek koji je u Vojvodini izgradila Austro- Ugarska) 1884. otvorena prva pruga, od Beograda do Niša.
Prvi teretni vagoni se nisu bitno razlikovali od otvorenih rudničkih vagoneta. Za osetljivije terete su zatim uvedeni zatvoreni vagoni, a kasnije i specijalni vagoni za prevoz stoke, uglja, balvana, prve cisterne sa drvenim buradima itd.
Izuzev osovina i točkova, vagoni su bili graĎeni od drveta. Nosivost im je bila i upola manja od sopstvene teţine. Kroz godine razvoja, sa boljim materijalima i napretkom tehnologije proizvodnje, taj se odnos poboljšavao, tako da današnji standardni teretni vagoni, zavisno od
G. Simić, Vagoni
1
namene, nose do tri puta veći teret od sopstvene teţine, a kod pojedinih konstrukcija i više (vidi tabelu 1.4). Prvi putnici ţeleznice su se vozili u teretnim vagonetima. Vrlo brzo su im ponuĎene čak tri ili četiri "klase". Četvrta klasa - otvoreni teretni vagoni za stajanje - na kiši, vetru ili suncu. Treća klasa imala je dodatak - drvene klupe, druga - još i krov, ali bez vrata i prozora. Vagoni prve klase
su bili "kočije na šinama" (slika 1.3). Tim "kočijama" su dodati odbojnici i kvačila, a nekima od njih i ručna kočnica sa papučama od drveta. Zatim su po dva ili tri sanduka, tipa kočije, postavljana na jedno postolje, od čega su se kasnije razvili današnji vagoni sa odeljcima (kupeima).
SI. 1.3
Današnji kombinovani transport imao je svoje preteče već na samom početku ţelezn ice. Da bi bogata klijentela mogla do i od stanice odmah da nastavi put do krajnjeg odredišta, na plato vagone su utovarivane njihove kočije, u kojima su putovali ţeleznicom (slika 1.3). Kako se duţina putovanja povećavala i protezala u noć, prva dopunska oprema putničkih vagona je bilo osvetljenje: najpre sa svećama, kasnije sa lampama na tečno gorivo, zatim na gas i na kraju na struju. Čim se obim prevoza povećao i proširio i na zimsku sezonu uvedeno je prvo grejanje. Najpre je to bilo akumulatorsko grejanje, u vidu sudova napunjenih vrelom vodom, koji su
u stanicama menjani, a na kojima su putnici drţali noge. Kasnije su uvedene peći na čvrsto gorivo, pa grejanje na paru iz lokomotive. Sledi uvoĎenje pokretnih prozora, pasivne ventilacije, sanitarnog čvora, prelaznih mostova, poboljšanje sistema elastičnog oslanjanja itd.
1.2 SAVREMENI ŠINSKI SAOBRAĆAJ U SVETU I KOD NAS Apsolutni vrhunac svoga razvoja ţeleznice su doţivele tridesetih godina dvadesetog veka. To je bilo doba parne vuĉe, kada je ţelezniĉki saobraćaj bio dominantan i u prevozu ljudi i u prevozu roba. Od tada, poĉinje brz razvoj drumskog saobraćaja, a kasnije i avionskog, pa udeo šinskog saobraćaja u prevozu putnika - Urobe relativno opada. To, meĊutim, ne znaĉi da se ţeleznica ne razvija, već je njen razvoj sporiji od drugih vidova saobraćaja (drumskog i avionskog). Zbog male ekonomiĉnosti (u parnoj lokomotivi se od ukupne energije goriva koristilo najviše 11%), u periodu posle drugog svetskog rata došlo je do zamene parne vuĉe dizel i elektriĉnom vuĉom. Danas je u svetu elektrificirano oko 1/4 pruga, a na njima se obavlja oko
2/3 svetskog ţelezniĉkog saobraćaja. Dizel vuĉa ostaje za pruge sa manjim intenzitetom saobraćaja, gde se elektrifikacija, zbog velikih investicija u stabilna elektro -postrojenja, ne isplati.
Glavna polja razvoja šinskog saobraćaja danas su: pruge velikih brzina (200 do 350 km/h) u ţeleznićkom putniĉkom saobraćaju, gradski, prigradski i lokalni šinski saobraćaj u velikim gradovima (metro, tramvajski sistemi, kao i nekonvencionalni šinski sistemi), - kombinovani transport ţeleznica-drum u cilju lakše, brţe i jeftinije manipulacije teretom, - veća prilagodljivost specifiĉnim potrebama (specijalni vagoni), -
Nove pruge za velike brzine se grade kao pruge: -
samo za putniĉki saobraćaj. Nagibi na ovakvim prugama mogu ići i do 40%o /1.7/, što olakšava uklapanje u reljef terena i pojeftinjuje izgradnju.
-
za mešoviti saobraćaj Na ovim prugama se, radi povećanja ekonomiĉnosti, predviĊa i teretni saobraćaj, uglavnom u noćnim ĉasovima. Razlog za to je velika razlika u brzini teretnih i brzih
2
G. Simić, Vagoni
putniĉkih kompozicija, što oteţava organizaciju saobraćaja, pa se sporiji teretni vozovi puštaju kada je putniĉki saobraćaj minimalan. Mada su i u periodu pred drugi svetski rat vršeni eksperimenti sa brzinama preko 200 km/h ti pokušaji su bili iznad nivoa tadašnje tehnike i tehnologije i nisu mogli da budu šire primenjeni. Tek 1964 godine kada je u Japanu puštena u saobraćaj pruga Tokio -Osaka (515km) sa maksimalnom brzinom od 210km/h, svet je zakor aĉio u doba velikih brzina u šinskom saobraćaju. 2000. godine u Japanu je postojala mreţa od preko 2000km pruga za brzine 240 do 300 km/h. Iza Japana sledila je Italija sa prvom deonicom linije "Diretisima" od Rima do Firence (238km) za 250 km/h, pa Francuska sa linijom Pariz- Lion (380km za 270km/h) koja je puštena u saobraćaj 1981 g. Sa modifikovanim vozom TGV' (Te- Ţe-Ve), postignut je 2007. godine svetski rekord na šinama od 574,8
km/h. TGV mreţa pruga je proširena i na Belgiju, a izvršeno je povezivanje i sa Holandijom i Nemaĉkom. Slika 1.4 prikazuje vozove za velike brzine (280-300km/h) TGV-Dupleks, Francuska (gore-levo), Šinkansen E4Max, Japan (gore-desno), ICE 3, Nemaĉka (dole levo) i ETR 500, Italija (dole-desno).
U Nemaĉkoj je 1991 puštena prva linija za velike brzine Hanover - Vircburg (250km/h) sa vozom ICE 1. Nemaĉka dalje širi mreţu i rekonstruiše niz postojećih pruga za bar 200km/h i uvodi nove generacije vozova za velike brzine ICE 2, ICE 3 i ICE-T (sa prinudnim naginjanjem sanduka). U Velikoj
Britaniji saobraćaju vozovi na pojedinim deonicama od 1991 sa 225 km/h, a izgraĊena je i nova pruga London-tunel ispod Lamanša za 300km/h. Španija 2011 godine ima najveću mreţu pruga za vozove velikih brzina u Evropi (preko 2000km). Na liniji Madrid-Va lencija, duţine 391 km, njbrţi voz vozi 95 minuta, a maksimalna brzina je 350 km/h. Za kašnjenje duţe od 5 minuta putnicima se vraća kompletna cena karte. Izgradnja te pruge je koštala 6,6 milijardi evra.
* TGV-Train a grande vitesse - voz velikih brzina (francuski)
G. Simić, Vagoni
1 Kina spada u zemlje sa veoma velikom ekspanzijom vozova velikih brzina. Krajem 2011. godine u
ovoj zemlji će biti oko 13.000km pruga za velike brzine, što je najveća mreţa za velike brzine u svetu.
U Juţnoj Koreji je 2004. puštena u saobraćaj prva deonica pruge za 300km/h na bazi TGV tehnologije, a u SAD je projektom ACELA vozova sa 240km/h od 2001. godine po ĉela era velikih brzina. Na Tajvanu je prva pruga velikih brzina puštena u saobraćaj 2007. godine sa Šinkasen vozovima. Kina intenzivno gradi pruge za velike brzine i već se svrstava u najnaprednije zemlje sa maksimalnom brzinom na nekim prugama od 350 km/h. Iz ovog pregleda je vidljivo da izgradnja pruga za velike brzine za ţeleznićki putniĉki
saobraćaj dobija u svetu veliki zamah, što je pre svega posledica prvobitnog komercijalnog uspeha u Japanu i Francuskoj.
Na poĉetku ere pruga za velike brzine u Evropi vršene su analize kojima je utvrĊeno da, za Evropske uslove, maksimalne brzine iznad -270 km/h ne daju isplative efekte. Rastojanja velikih
gradova u Evropi iznose najĉešće od 100 do 400km. Kad se uzme u obzir vreme potrebno za ubrzavanje i koĉenje, na kraćim rastojanjima povećanje maksimalne brzine daje sve manje uštede u vremenu putovanja, dok utrošak energije raste pribliţno sa kvadratom brzine. MeĊutim dalji razvoj je doveo do konstrukcija vozova sa manjim aerodinamiĉkim otporima kretanja i ekonomiĉnijim vuĉnim sistemima, tako da se danas nalaze u saobraćaju vozuovi sa maksimalnim brzinama 300-350 km/h. U našoj zemlji trenutno se postiţe maksimalna brzina od 120km/h na pojedinim deonicama glavnih magistralnih pruga. U planu je da se na pravcu od Beograda ka Subotici, a kasnije i pr ema Nišu pojedine deonice osposobe za 160 km/h.
(J teretnom saobraćaju u svetu se pre svega radi na kombinovanom saobraćaju drum-pruga, sa ciljem da se utovar, istovar i pretovar maksimalno uproste, kao i da se vreme tih operacija skrati. U tom cilju raste obim prevoza kontejnera, tereta na paletama, drumskih vozila ţeleznicom (na pojedinim
deonicama), izrada specijalnih poluprikolica sposobnih da saobraćaju i kao šinska i kao drumska vozila (siika 1.8b) itd. Prisutna je takoĊe tendencija da se izvrši automatizacija operacija ranţiranja, što je vezano sa primenom automatskog
G. Simić, Vagoni
2
kvaĉila i mogućnošću mikroprocesorskog upravljanja kvaĉilom i koĉnicom vagona u budućnosti /1.8/. U šinski saobraćaj spadaju i vozila za jednošinske ţeleznice, koje se u relativno maloj meri koriste kao lokalni sistemi u gradskom i prigradskom saobraćaju u pojedinim velikim gradovima. I u perspektivi se moţe oĉekivati da ovakav vid pre voza, u raznim
SI.1.5
Kao poseban vid šinskog saobraćaja treba spomenuti i vozila na magnetnom “jastuku”. U toj tehnologiji najdalje se otišlo u Nemaĉkoj (Transrapid, si. 1.5a) i Japanu (MLX01, si. 1.5b). Ova, više decenija razvijana tehnologija, prvu komercijalnu primenu na bazi Transrapid tehnologije našla je u Kini, gde je od 2003. godine u saobraćaju 30km duga linija sa Vmax=430km/h izmeĊu aerodroma i centra Šangaja. Osnovne karakteristike ove tehnoligije su: -
nema dodira sa kolosekom jer vozilo lebdi na magnetnom “jastuku” pa
nema
trenja, ni
habanja. Boĉno voĊenje se takoĊe obavlja pomoću magnetnog polja. - pogon se ostvaruje linearnim induktivnim motorom (magneti sa pokretnim magnetnim poljem duţ staze imaju ulogu statora, a namotaji duţ donje strane vozila imaju ulogu rotora). Zahvaljujući otsustvu pokretnih delova nema habanja,
pri manjim brzinama manji otpori kretanja. Pri većim brzinama, za koje su ova vozila namenjena, to je manje vaţno, jer glavnu komponentu ĉini aerodinamiĉki.otpor, - zahteva posebne, uzdignute staze, što sistem ĉini nekompatibilnim sa postojećim saobraćajnim sistemima (za razliku od vozova velikih brzina, koji mogu da koriste i postojeće pruge, a naroĉito postojeće stanice u velikim gradovima), -
-
zahteva komplikovane skretnice,
oteţano je uklanjanje vozila sa koloseka u sluĉaju kvara. Neophodni su pomoćni vertikalni i boĉni toĉkovi.
1.3 RELATIVNE PREDNOSTI I NEDOSTACI ŠINSKOG TRANSPORTA Za konstruktora šinskih vozila je veoma vaţno da vodi raĉuna o relativnim prednostima i nedostacima šinskog transporta, kako bi odgovarajućim tehniĉkim rešenjima uticao na povećanje konkurentske sposobnosti ţeleznice. U najkraćim crtama prednosti šinskog saobraćaja su: Mali utrošak energije. Zbog malih otpora kotrljanja metalnog toĉka po metalnoj šini, u odnosu na drumska vozila, utrošak energije je 3 do 7 puta manji po prevezenoj jedinici mase na jedinici duţine (po tonskom kilometru). Na brdskim prugama je ova razlika manja, jer je savladavanje komponente zemljine teţe podjednako i za drumska i za šinska vozila. U vezi sa utroškom energije, veliki znaĉaj ima smanjenje sopstvene teţine u odnosu na nosivost, jer se na premeštanje sopstvene teţine koristi aeo energije. Prema /1.9/ sa ekvivalentom od jednog litra nafte, putnik TGV vozom preĊe 73km, putniĉkim automobilom 40km, a avionom 19km. Veliki kapacitet. Primeri: Moskovski metro preveze godišnje oko dve milijarde putnika (do 60.000 putnika -
G. Simić, Vagoni
1
na sat, po pravcu). Teretni vozovi imaju bruto masu, od 800-3000 t na evropskim prugama, a u SAD, Kanadi, Australi ji, Rusiji i preko 10.000 t. Drumski saobraćaj ne moţe da ostvari ni pribliţno ovako velike kapacitete. Brzina. Iskustvo sä'vozovima velikih brzina u svetu pokazuje, da je na rastojanjima do 600km, odnosno
tamo gde je vreme putovanja ţeleznicom kraće od 4 sata, u prevozu putnika ţeleznica konkurentna i avionskom saobraćaju, uzimajući u obzir potrebno vreme za odlazak i povratak sa aerodroma. Kao ilustracija, na slici 1.6 /1.10/ je prikazano uĉešće ţeleznice i aviona u prevozu putnika na nekim karakteristiĉnim relacijama na kojima postoje pruge za velike brzine.
Vreme voţnje vozom u satima
SI.1.5
Pouzdanost. U sloţenim meteorološkim uslovima (zima, sneg, magla) šinski saobraćaj je pouzdaniji od drugih vidova saobraćaja. Pouzdaniji je i prevoz opasnih i štetnih materija. Pogodnost za okolinu. Za isti transportni kapacitet šinska mreţa zauzima znatno manju površinu od druma (zaštita obradivog zemljišta, štednja gradskog prostora). Za dvokoloseĉnu TGV prugu potrebno je 5-7 ha/km zemljišta, a za autoput sa 2x2 trake 10 ha/km. Nivo štetnih gasova je znatno manji od drumskog ili avionskog saobraćaja, zbog visokog nivoa elektrifikacije. Srazmerno transportnom kapacitetu nivo buke je prihvatljiviji od drumskog saobraćaja. Manji eksterni troškovi. U cenu prevoza nisu ukljuĉeni tzv. eksterni troškovi: cena posledica nesreća, uništavanja okoline, posledica buke itd. Ovi troškovi su kod drumskog saobraćaja najmanje petn aest puta veći nego kod ţelezniĉkog ili avionskog. Mogućnost automatizacije. S obzirom da su šinska vozila vezana za stazu i prinudno voĊena, ceo sistem je veoma pogodan za široku primenu automatizacije. Ovo je danas praktiĉno primenjeno kod nekih metro sistema (npr. Lil, Francuska), gde se saobraćaj obavlja bez mašinovoĊa, pod kontrolom raĉunara i sistema televizijskog nadzora iz jednog centra. U budućnosti se moţe oĉekivati širenje ove tendencije i na mnoge operacije u putniĉkom i teretnom ţelezniĉkom saobraćaju /1.8/. Glavni nedostaci šinskog saobraćaja su: — Osetljivost na poremećaje. U sluĉaju kvara ili poremećaja saobraćaja dolazi do sukcesivnog uticaja na sve vozove na pruzi. Ovaj nedostatak se umanjuje dobrom organizacijom
odrţavanja vozila i pruga i dobrom organizacijom saobraćaja. — Vezanost za kolosek. Onemogućava da se roba ili putnici dovezu do krajnjeg ţeljenog mesta. Ovaj nedostatak se ublaţava tehniĉkim rešenjima kojima se pojednostavljuje i ubrzava pretovar robe. Tu spadaj u razni vidovi kombinovanog transporta tereta itd. U putniĉkom saobraćaju nedostatak se ubiaţava dobrom povezanošću sa drugim vidovima saobraćaja (zajedniĉke stanice za gradski i prigradski saobraćaj, stanice na aerodromima itd.). Druga posledica vezanosti za kolosek je smanjena efikasnost ukoliko se ne obezbedi izolovanost
šinskih staza od drugih vidova saobraćaja (npr. metro mreţe su efikasnije od tramvajskih, jer se nigde ne ukrštaju u nivou sa drumskim saobraćajem). — Nepodobnost za male kapacitete prevoz a. Tipiĉna nosivost jednog dvoosovinskog vagona je 25-30t. Tipiĉan kapacitet dvodelne motorne garniture je oko 120 -160 putnika. Prevoz manjih tereta i malog broja putnika je zbog toga ĉesto isplativiji drumom.
G. Simić, Vagoni
2
1.4 PROJEKTOVANJE I ŢIVOTNI CIKLUS ŠINSKIH VOZILA Projektovanje predstavlja jedan segment u ţivotnom ciklusu vagona. Taj ciklus se uprošćeno moţe predstaviti sa tri glavne, meĊusobno zavisne celine, predstavljene na slici 1.7: razvoj, proizvodnja i eksploatacija. Poĉetak razvoja jedne nove konstrukcije je marketing. On obuhvata ispitivanje i obradu trţišta, tj. praćenje tendencija u razvoju š inskih vozila još u njihovom zaĉetku. Ako se ima u vidu da projekat jednog vagona nove koncepcije, ukljuĉujući i izradu i ispitivanje prototipa, moţe da traje i 2-3 godine, jasno je da kasno uoĉavanje tendencije razvoja, moţe da bude fatalno za konkurentsku sposobnost jednog proizvoĊaĉa. Sluţbe marketinga i razvoja su glavni inicijatori razvoja nove konstrukcije. U razvoj spada: analiziranje osnovnih kara kteristika budućeg vagona i njegovih podsklopova, inovacije koje su neophodne u konstrukciji, sagledavanje uklapanja u mogućnosti fabrike, eventualno potrebno unapreĊenje tehnologije proizvodnje da bi se ostvarila savremena tehniĉka rešenja, definisanje osnovnih sklopova, proraĉuni za dokazivanje valjanosti izabranih rešenja itd. MARKETING
—►
PROJEKTOVANJE
RAZVOJ
KONSTRUISANJE i ll
PRIPREMA PROIZVODNjE PROIZVODNJA VOZILA
—►
PROIZVODNJA
KONTROLA ISPITIVANJA EKSPLOATACIJA VOZILA ODRŽAVANJE
KASACIJA
SI. 1.7 Faze u ţivotnom ciklusu šinskih vozila
EKSPLOATACIJA
