Mechanická část lokomotivy

Zatímco elektrická část lokomotivy vede k neustálému zdokonalování a k větší složitosti, mechanická část elektrických lokomotiv doznala ve srovnání s parní lokomotivou značného zjednodušení. Mechanickou část elektrických hnacích vozidel tvoří pojezd a skříň. Pojezd je složen z rámu, podvozků, dvojkolí a příslušenství těchto dílů. Podle druhu skříně lze rozlišit lokomotivy na rámové a kapotové.

Pojezd elektrických lokomotiv

Pojezd elektrických lokomotiv je tvořen lokomotivním rámem s tahadly a narážedly, brzdovým tyčovím, brzdovými válci, dvojkolími s převodovkami, podvozky, pluhy, smetadly a dalším příslušenstvím.

Dříve vyráběné lokomotivy byly konstruovány jako rámové - dvojkolí a trakční motory byly uchyceny přímo v rámu lokomotivy. Dnes se pojezdy rámových lokomotiv jeví jako zastaralé, hlavně kvůli zhoršeným vlastnostem při průjezdu obloukem, proto všechny novější lokomotivy (vyrobené pro tratě elektrizované po 2. světové válce) byly konstruovány jako podvozkové.

Pojezd podvozkových lokomotiv

Rám lokomotivy je svařen z podélných nosníků spojených mezi sebou plechovými příčníky, přičemž čelní příčníky - čelníky - mají namontovaná tahadla a narážedla. Na konstrukci rámu je uložena skříň nebo kapota lokomotivy. Rámem jsou přenášeny z podvozků do tahadel a narážedel tažné síly, proto je podrobován přísným zkouškám na tlak a přísným provozním prohlídkám.

Podvozek

Podle počtu dvojkolí v podvozku se rozlišují u našich lokomotiv podvozky dvounápravové a třínápravové. Podle pohybů podvozků vůči lokomotivnímu rámu lze podvozky rozdělit na otočné, jejichž podvozek se otáčí kolem otočného čepu, upevněného v rámu, a výkyvné. Rám podvozku je svařen z dutých dílů obdélníkového průřezu. Střední příčník, ve kterém je uložen otočný čep, je k rámu přivařen. Středem podvozku prochází vahadlový příčník, na němž je upevněna lokomotivní skříň, přičemž po něm může klouzat a vykonávat tak pohyby do stran. Vedení dvojkolí v podvozku je řešeno jako bezrozsochové . Každá ložisková skříň je upevněna v rámu podvozku dvěma dutými vodicími čepy s olejovou náplní. Systém je tlumen proti rázům pryžovým tlumením - silentbloky a je izolován, aby ložiskem neprocházel proud. Nověji se používá tzv. ojničkového vedení dvojkolí. Ložiska dvojkolí se volí jako valivá, mazaná tukem.

Bezrozsochové vedení dvojkolí a vypružení u řady E 499.0
1 - hnací kolo, 2 - rám podvozku, 3 - nos ložiskové skříně, 4 - nosná pružina, 5 - talíř nosných pružin,
6 - nosné čepy, 7 - vodicí čep, 8 - vodicí pouzdro, 9 - silentblok,
10 - olej, 11 - záchytná ložiska, 12 - izolace

Vypružení lokomotiv bývá primární a sekundární. Primární vypružení tvoří šroubové pružiny upevněné na ramenech ložiskové skříně nebo listové pružnice uchycené na ložiskové skříni zespodu. Sekundárním vypružením je odpružena přímo lokomotivní skříň s rámem vůči podvozku, a to tak, že vahadlový příčník, na němž spočívá rám se skříní, se opírá o listové pružnice nebo šroubové pružiny zavěšené na rámu podvozku. Podvozkové lokomotivy, jejichž celková hmotnost je rovna hmotnosti adhezní, mají všechna dvojkolí hnací (jsou označována písmenem H a pořadovým číslem ve směru od stanoviště I). Snahou konstruktérů je docílit co nejmenšího průměru hnacích kol, a to z několika důvodů: hmotnost lokomotivy, otáčky trakčních motorů, průjezdný obrys lokomotivy a velikost nápravové převodovky. Kola jsou hvězdicová s natahovanými obručemi nebo celistvá (pro vyšší rychlosti). Na nápravě každého dvojkolí s individuálním pohonem je velké převodové kolo, do něhož zabírá pastorek poháněný trakčním motorem.

Závislá hnací vozidla musí mít dokonalé elektrické spojení mezi trakčními motory a kolejnicemi, protože ty představují druhý pól napájecího vedení. Při ukolejnění u lokomotiv s trakčními motory uloženými na nápravě (tlapové motory) prochází proud bez potíží přes nápravu a kola do kolejnice. Naproti tomu lokomotivy s motory uloženými v rámu podvozku odvádějí proud nápravovými ložisky do náprav a kol, valivá ložiska je nutné před účinky proudu chránit a proud se musí odvádět mimo ložisko, děje se tak izolováním ložiskové skříně.

Nápravová převodovka, v níž je uloženo velké převodové kolo a pastorek trakčního motoru, je svařena z ocelových plechů a umístěna mezi nápravou a příčníkem podvozkového rámu. Je naplněna olejem, který se musí doplňovat. Podle způsobu uchycení trakčního motoru lze rozlišit motory uložené v podvozcích a motory tlapové, které jsou uchyceny na nápravě. Tyto motory se používají jen pro lokomotivy s nízkou rychlostí, neboť lokomotiva neprokazuje dobré chodové vlastnosti. Jejich předností je nenáročná výroba a ekonomická výhodnost. Motor je k nápravě dvěma rameny s kluznými ložisky - tzv. tlapami. Výhodnější je tedy pro lokomotivy umístění motoru v podvozku, hmotnost celého motoru je tak odpružená. Mezi trakčním motorem a pastorkem převodovky ale musí být umístěna pružná spojka kvůli pohybu trakčního motoru během jízdy lokomotivy, která je založena na dutém hřídeli s kardánovými klouby na jeho koncích.

Zařízení rámu

Na rámu - čelníku - jsou uchycena tahadla a narážedla obstarávající přenos tažných sil z hnacího vozidla na tažené nebo sunuté vozy. Na našich železnicích tvoří tato zařízení nárazníky a šroubovky.

Na čelníku lokomotivního rámu jsou dva nárazníky s vypouklým nebo plochým talířem. Přenášejí tažnou sílu lokomotivy na sunuté vozy nebo naopak z vozů rázy do lokomotivního rámu. Nárazníkový koš je přišroubován k rámu, v něm je uložena prstencová pružina pro tlumení rázů, na koši je umístěna trubka s přivařeným nárazníkovým talířem. Talíře mají kruhový nebo - většinou - přibližně obdélníkový průřez. Nárazníky ztlumí přibližně 60 % energie rázu, zbytek energie restituují zpět.

Do táhlového háku, umístěného pružně na rámu, je zavěšena svorníkem šroubovka. Tvoří ji dvě závěsnice s maticí závěsnic a třmen s maticí třmenu. Otáčením vřetene umístěného mezi závěsnicemi lze dosáhnout zvětšování nebo zmenšování vzdálenosti mezi nimi, tím se šroubovka povoluje nebo stahuje a mění se vzdálenost mezi dvěma spřaženými vozidly. Šroubovka musí odolávat silovým rázům až 784,5 N, táhlové háky 980 N.

Šroubovka
1 - třmen, 2 - závěsnice, 3 - vřeteno, 4 - rukověť,
5 - objímka vřetene, 6 - matice třmenu, 7 - matice závěsnic, 8 - svorník,
9 - pojistný kroužek vřetene, 10 - záchytka rukověti, 11 -táhlový hák

Některá elektrická hnací vozidla - především elektrické vozy a jednotky - jsou vybaveny samočinným spřáhlem, např. typ Scharfenberg, které v sobě slučuje tahadlo i narážedlo a při najetí vozidel k sobě je samočinně svěsí. Při svěšování se třmen spřáhla každého vozidla zaklesne do otočného kotouče s ozubím druhého vozidla. Spřáhla lze rozdělit ručně nebo dálkově (pneumaticky).

Mechanická část brzdy

Základní lokomotivní brzdou je brzda špalíková. Přitlačováním brzdových špalíků na obvod kol lze snižovat rychlost lokomotivy.

Přítlačnou sílu špalíků lze vyvolat silou ruční brzdy nebo silou z brzdových válců tlakových brzd - brzdy samočinné nebo přídavné (přímočinné). Mechanismus, kterým se přítlačná síla špalíků vyvozuje, tvoří mechanickou část brzdy. U podvozků nových lokomotiv je mechanická část brzdy (složitá, těžká, náročná na údržbu) nahrazována tzv. brzdovými jednotkami, přičemž každá brzdová zdrž (tj. botka se špalíky) má svou jednotku, tedy svůj vlastní brzdový válec. Tam vzniká přítlačná síla, která se přes brzdový píst, pístnici a další tyč přenáší na zdrž. Odlehlost brzdových špalíků se upravuje ve stavěči odlehlosti zdrží, rovněž také samočinně upravuje odlehlost podle opotřebování brzdových špalíků. Pokud to dovolují hmotnostní požadavky lokomotivy, používají se brzdové jednotky k oboustrannému obrzdění kol, přičemž lze použít špalíky z nekovových materiálů (piliny z litinových špalíků znečišťují pojezd lokomotivy a jsou cenově náročné).

Brzdová jednotka
1 - kolo, 2 - brzdový špalík, 3 - botka, 4 - brzdový válec,
5 - pružina brzdového válce, 6 - pístnice, 7 - brzdicí píst,
8 - stavěč zdrží, 9 - stavěč odlehlosti zdrží, v - odlehlost

Nejnovějších elektrická vozidla ČD (elektrická jednotka řady 471) jsou vybavena pneumatickou kotoučovou brzdou s kotouči umístěnými v kole a kolejnicovou brzdou s permanentními magnety, která působí jako doplňková (nouzová) nebo parkovací brzda.

Přenos sil, jízda obloukem, nápravové tlaky

Tažná síla se přenáší z obvodu kol na rám lokomotivy, z něhož se pak narážedly a tahadly dostává na další vozidla. U podvozkových lokomotiv, které mají otočné podvozky pouze s čepem, se přenáší tažná síla z obvodu hnacích kol do ložiskových skříní do rámů podvozků. Z něho se tažná síla přenáší otočným čepem do vahadlového příčníku a do rámu lokomotivy. U podvozkových lokomotiv, jež mají spojení podvozků šikmými tyčemi, se přenáší tažná síla na rám právě těmito tyčemi. Kromě tažných, tzv. podélných sil, vznikají mezi podvozky a rámem také síly příčné. Vznikají mimo jiné impulsy působícími vodorovně mezi okolky kol a kolejnicemi a působí na rám a skříň lokomotivy, která se začne naklánět na šikmých závěskách sekundárního vypružení a snaží se posouvat za podvozkem. Posuv se zastaví, když se svislá osa skříně kryje s svislou osou podvozku. Dosáhne-li velikost posuvu skříně do strany maxima, přenášejí se příčné síly přímo ze stykových míst z podvozku na rám.

Při jízdě lokomotivy po oblouku dochází k opotřebování okolků hnacích dvojkolí. Při jízdě, kdy jsou podvozky bez vzájemné vazby a každý se chová samostatně, dochází ke značnému opotřebení okolků. Proto jsou podvozky vázány příčnou podvozkovou spojkou a opotřebení okolků se snižuje. Příčná podvozková spojka se skládá ze dvou ojí, upevněných na koncích obou podvozků, spojených pružným tlumičem, v němž jsou šroubové pružiny nebo pryžové prstence (obr. 5).

Při rozjezdech dochází u lokomotiv s dvounápravovými podvozky k odlehčování některých dvojkolí a přetížení jiných dvojkolí. Dochází ke skluzu některých dvojkolí a tažná síla se zmenšuje. Z matematických výpočtů lze odvodit, že rozdíl nápravových tlaků lze vyrovnat konstrukční úpravou lokomotivy, např. zvětšením rozvoru podvozku i rozvoru lokomotivy. U našich lokomotiv se vyrovnávají nápravové tlaky dvojím způsobem. Lokomotivy mají pneumatické válce umístěné nad čelníky podvozku nebo jsou lokomotivy vybaveny šikmými tyčemi spojujícími rám lokomotivy s podvozky, které současně slouží k přenosu podélných sil (viz výše).

Skříň lokomotivy

Na pojezdu elektrických lokomotiv je svrchu upravená lokomotivní skříň, podle jejíhož upořádání lze rozdělit lokomotivy na skříňové nebo kapotové.

Skříň lokomotiv skříňových se skládá ze tří částí: strojovny a dvou čelních stanovišť, které s ní tvoří z vnějšího pohledu jeden celek. Skříň má ocelovou kostru, která je nosným prvkem střechy, na níž jsou umístěny sběrače, sběrnice, bleskojistky, u stejnosměrných lokomotiv dále skříně s rozjezdovými odporníky, u střídavých pak odporníky elektrodynamické brzdy a hlavní vypínač. Z konstrukčního hlediska se dělí lokomotivní skříně na uzavřené a otevřené. U uzavřených skříní se vzduch potřebný k chlazení trakčních motorů, odporníků apod. nasává zvláštními otvory umístěnými ve střeše. Tyto lokomotivy mají bočnice s okny, z nichž některá jsou otevíratelná s aretací. U lokomotiv s otevřenými skříněmi jsou v bočnicích otvory (žaluzie), přes které je vnitřní prostor strojovny stále spojen s ovzduším, žaluzie bývají nejčastěji jen na jedné straně skříně, druhá je opět vybavena okny. Přístroje a zařízení lokomotivy s otevřenou skříní se obvykle zakrývají. Skříně jsou vyrobeny buď z plechu nebo ze skelných laminátů, často se volí kombinace (laminátová čela, skříň strojovny z oceli). Vnější ochranou lokomotivní skříně je nátěr. Kapotové mají jednu kabinu pro lokomotivní četu a strojovna je pod kapotou, se kterou tvoří snížený nebo zúžený prostor. Kabina bývá umístěna uprostřed nebo blíž k čelu lokomotivy a zajišťuje dokonalý výhled lokomotivní obsluze.

Ve strojovně jsou uloženy přístroje a zařízení pomocných pohonů, kompresory, hlavní a přístrojové vzduchojemy, rozváděče tlakové brzdy, vodiče, kabely a rozvody chladicího vzduchu. U stejnosměrných lokomotiv je ještě umístěn hlavní kontrolér a hlavní vypínač, u lokomotiv střídavých pak usměrňovače a transformátor. Vchod do strojovny je u skříňových lokomotiv zajištěn dveřmi z obou kabin (které jsou blokované z hlediska bezpečnosti), průchod je možný podélnými a příčnými uličkami, vysokonapěťové části se umisťují do společného prostoru pod ochrannou síť.

Kabiny skříňových lokomotiv se označují číslicemi I, II. Kabina I se liší pouze tím, že je v ní nainstalován registrační rychloměr, kabina II má totiž pouze indikační rychloměr. Do kabiny se vstupuje bočními dveřmi, starší lokomotivy mají dveře pouze vlevo a na straně řídicího pultu jen stahovatelné okno, novější pak mají dveře po obou stranách kabiny. Na příčce mezi kabinou a strojovnou jsou umístěny šatníky, umyvadlo, vařič, popřípadě chladnička. Řídicí pult je umístěn vpravo (vlevo je ruční brzda) a je konstruován pro řízení vsedě, musí ale splňovat podmínky i pro řízení vestoje. U kapotových kabin jsou řídicí pulty umístěny diagonálně, přičemž je dovoleno řízení jen jednoho z nich, druhé bývá zablokováno. Z vnější strany jsou na čele kabiny umístěny návěstní a koncové svítilny, dálkový reflektor, svorkovnice dálkového řízení a houkačky.

Na střeše elektrických lokomotiv jsou umístěny sběrače elektrického proudu, které slouží k přívodu proudu z trolejového drátu do vozidla. Jako sběrače se používají pantografy a polopantografy. V dolní poloze je sběrač aretován vlastní hmotností a pružinami, k trolejovému drátu je přitlačován silou stlačeného vzduchu. Nahoře má sběrač jednu nebo dvě ližiny, které jsou obloženy kontaktním prvkem (měděné nebo uhlíkové). Měděné obložení má výborné elektrotechnické vlastnosti, ale je drahé a při provozu se silně opotřebovává. I uhlíkové obložení má dobré elektrické vlastnosti, ale vždy nevyhovuje, protože je křehké. Sběrač musí mít dokonalý přítlak ke trolejovému drátu. U stejnosměrných lokomotiv 3 kV je přítlak 10 až 12 kg, u střídavých 25 kV, 50 Hz pak 8 až 10 kg. Velikost přítlaku má vliv na opotřebování jak obložení sběrače, tak i trolejového drátu, proto se volí lehké konstrukce sběračů. Lokomotiva je vybavena dvěma sběrači (vyjma kapotových), přičemž každý musí vyhovovat podmínkám maximálního výkonu lokomotivy, a proto je druhý sběrač záložní.

Vzduchové obvody elektrických lokomotiv

Elektrická lokomotiva je značným spotřebičem vzduchu, který se však opět vrací do atmosféry, ale není znehodnocen. Lokomotiva potřebuje vzduch jak ke chlazení svých přístrojů a zařízení, tak ve formě stlačeného vzduchu, který se používá k pohonu přístrojů, zařízení a pro tlakové brzdy. Na lokomotivě je tedy obvod chladicího a stlačeného vzduchu.

Obvod chladicího vzduchu

U elektrických lokomotiv je nutné chladit trakční motory (střední spotřeba výkonných trakčních motorů - 2 m3/s), rozjezdové odporníky, usměrňovače, případně odporníky elektrodynamické brzdy. U stejnosměrných lokomotiv tvoří chladicí obvod dva ventilátory poháněné elektromotory, které nasávají vzduch z otvorů ve střeše, dále dvě větve, z nichž jedna ochlazuje póly a kotvu trakčních motorů a na straně komutátoru vystupuje do ovzduší, druhá vystupuje k rozjezdovým odporníkům na střeše. Mezi větvemi je klapka, která samočinně v závislosti na teplotě rozjezdových odporníků reguluje přívod vzduchu do střechy. U jednofázových lokomotiv se nasátý vzduch přenáší z ventilátoru na skříň s usměrňovači a z druhého ventilátoru k chlazení trakčních motorů. Mají-li některé trakční motory vlastní chlazení, chladí se vzduchem z ventilátorů jen usměrňovače nebo rozjezdové odporníky. Pokud jsou odporníky dobře dimenzované a zkonstruované ze speciálních materiálů, pak postačuje přirozené chlazení atmosférickým vzduchem.

Obvod stlačeného vzduchu

Zdrojem stlačeného vzduchu, který se používá pro brzdění a k pohonu různých pomocných přístrojů a zařízení, je kompresor - obvykle kompresory dva, které jsou poháněny samostatnými motory (každý kompresor lze spouštět zvlášť). Kompresory stlačují vzduch do hlavních vzduchojemů o tlaku 980,6 kPa.

Z kompresoru (jehož výkon např. u lokomotivy E 458.0 je 115 m3 nasátého vzduchu za hodinu) proudí stlačený vzduch přes odolejovač (tam se mechanicky zbavuje oleje) do hlavního vzduchojemu, lokomotiva má dva hlavní vzduchojemy, vzájemně propojené. Z nich proudí vzduch napájecím potrubím do brzdiče samočinné a přídavné brzdy (kde jsou napojeny tlakoměry) a do hlavního potrubí tlakové brzdy, ze kterého se stlačený vzduch dostává do rozváděče tlakové brzdy a do brzdových válců lokomotivy. Rozváděč má svůj obvod: tlakové relé, řídicí a rozvodový vzduchojem a dva pomocné vzduchojemy.

Pomocné obvody tvoří několik samostatných částí. Jedna z odboček napájecího potrubí prochází přes škrtič, kde se redukuje tlak, k píšťale a k houkačce. Další odbočkou proudí stlačený vzduch k okenním stěračům. Dále se odbočkami dostává vzduch k ventilům pískovačů, ke vzduchovým válcům při vyrovnávání nápravových tlaků. Z napájecího potrubí se dostává vzduch také do přístrojového vzduchojemu, ze kterého proudí vzduch do odvodňovacího ventilu, jímž se odvodňují hlavní vzduchojemy. Vzduchem z přístrojového vzduchojemu se také ovládají sběrače, odpojovač, uzemňovač a další přístroje (směrový přepínač, vypínač pomalé jízdy apod.). K přístrojovému vzduchojemu jsou připojeny dva pomocné kompresory napájené z baterie lokomotivy, které slouží ke stlačení vzduchu na zdvižení sběrače.

Ostatní zařízení lokomotivy

Rychloměry lokomotivy jsou registrační a indikační, mají pohon mechanický - hřídelem od hnacího dvojkolí nebo elektrický - proudem tachodynama od hnacího dvojkolí se pohání motorek rychloměru.

Vlakový zabezpečovač je zařízení, které na kódovaných tratích přenáší na stanoviště strojvedoucího návěstní pojmy prostřednictvím snímače z elektromagnetického pole kolejnic. Rovněž zajišťuje kontrolu bdělosti strojvedoucího prostřednictvím tlačítka bdělosti, které musí strojvedoucí v určitém intervalu obsluhovat, pokud tak neučiní, upozorní ho houkačka, a jestliže opět nezareaguje, vypustí se stlačený vzduch z hlavního potrubí a vlak zastaví. Pokud vlak stojí a je zajištěn přídavnou brzdou, tlačítko bdělosti se neobsluhuje.

Pro zvýšení adheze má lokomotiva zásoby písku v písečnicích, ze kterých lze sypat písek pod hnací kola. Ovládání je ruční nebo samočinné při skluzu kol.

Pro možnost řízení obvykle dvou lokomotiv jedním strojvedoucím z jednoho stanoviště (řídicího) mají lokomotivy mnohočlenné řízení. Proto má řídicí pult některé kontrolní přístroje zdvojeny. Svorkovnice pro kabely mnohočlenného řízení jsou umístěny na čelech lokomotivy.

V článku byly použity popisy zařízení elektrických lokomotiv první generace, pokud není uvedeno jinak.