1

1

PROBLEME FUNDAMENTALE ALE SISTEMULUI

CONVENIONAL ROAT - IN

1.1. Caracteristici generale ale sistemului convenional roat - in

1.1.1. Aspecte generale ale interaciunii vehicul-cale de rulare

Vagonul este un vehicul, de obicei fr autopropulsie, care se deplaseaz pe calea ferat fiind tractat de o locomotiv, servind la transportul mrfurilor sau al cltorilor.

Totul a pornit de la descoperirea roii. Presupun c, pentru a se uura transportul unor materiale grele, un geniu de acum zeci de mii de ani, a folosit trunchiuri de copac care se aezau nainte sub greutatea transportat realiznd astfel reducerea rezistenei la naintare prin transformarea frecrii de alunecare n frecare de rostogolire. Probabil c dup alte mii de ani, un alt geniu ingineresc, anonim, a avut ideea de a fixa dou trunchiuri ntr-un cadru, realiznd astfel primul vehicul. Cum acest vehicul era foarte greu de manevrat i avea totui rezisten mare la naintare, s-a nscut ideea inginereasc novatoare, care a constat n segmentarea unui trunchi cu planuri paralele i astfel a aprut roata. Vehiculul pe patru roi din lemn prezenta o greutate mult redus, rezisten mic la naintare, dar necesita i realizarea primei ci de rulare.

Ideea unui vehicul care s se deplaseze pe o cale, dateaz din antichitate. Egiptenii au fost primii care au folosit, pe antierele de construcie ale piramidelor, vehicule pe roi. La nceput, pe aceste antiere, blocurile mari de piatr erau transportate pe role de lemn, care erau mutate succesiv n fa, pe msura naintrii blocului. Pentru mbuntirea procesului greoi de manevrare a rolelor s-a nscut ideea folosirii unui vehicul pe roi.

Cu ocazia decopertrii de sub lava vulcanic a oraului Pompei s-a descoperit n carierele de piatr jgheaburi spate n piatr care asigurau rularea unor vehicule. Putem confirma astfel existena strmoului vehiculului autoghidat n cale.

Adevratul strmo al vehiculului de cale ferat apare acum 600 de ani, n spturile miniere, prin vagonul de min, care pentru a avea o rezisten mai mic la naintare, a fost pus s circule pe ine de lemn. Pentru a asigura ghidare n cale, inele din lemn erau prevzute cu buze de ghidare, asemntoare cu buzele roilor din oel de astzi. Ulterior, constatndu-se c roile se rostogolesc mai uor pe o cale mai dur i mai neted i astfel cu o for mai mic de traciune pot fi transportate sarcini mai mari, a luat fiin calea ferat cu ine din oel.

Calea ferat s-a nscut deci dintr-o necesitate economic i s-a dezvoltat n msura n care dezvoltarea industrial a permis acest lucru.

Anul 1825, n urma dezvoltrii mainilor cu abur mobile i a locomotivelor, marcheaz un nceput al transporturilor mecanizate pe calea ferat. De la aceast dat putem spune ca a avut loc o dezvoltare a cii ferate, cu un avnt continuu.

n zilele noastre vehiculele de cale ferat, n comparaie cu celelalte mijloace de transport terestre, i afirm principala lor caracteristic economic datorit creia au luat fiin, i anume rezistena mic la naintare. Valoarea rezistenei specifice la naintare la vagoanele de cale ferat este de circa 1,8 daN/ton transportat, n timp ce la automobile, din cauza deformaiei sub sarcin a pneurilor chiar pe drumuri asfaltate, rezistena specific la naintare atinge 15...20 daN/ton. Aceste date comparative demonstreaz de ce i astzi calea ferat renteaz ca cel mai important mijloc de transport n mas.

Incluznd n preul de cost al transporturilor, cheltuielile de ncrcare i descrcare i cheltuielile de transport la destinatar la calea ferat i invers de la calea ferat la destinatar, se poate uor constata c transporturile pe calea ferat sunt mai rentabile pentru mase mari de mrfuri i pentru distane mari de transport.

Vagonul de marf trebuie s corespund volumului i compoziiei traficului, s asigure transportul cu cheltuieli minime, s utilizeze la maximum capacitatea liniilor, s permit o siguran deplin n condiii date de circulaia la vitezele cerute de exploatare.

Indicatorii tehnico-economici care caracterizeaz vagoanele de marf i stabilesc eficiena lor n exploatare sunt capacitatea de ncrcare i coeficientul de tar.

Capacitatea de ncrcare reprezint masa total a mrfurilor (n tone) care se poate ncrca pe vagon. Ea este stabilit pentru fiecare tip de vagon, inndu-se seama de masa maxim admisibil pe osie, condiionat de rezistena liniei i de greutatea maxim admis pe metru liniar. Vagoanele de marf pe patru osii sunt mai economice dect vagoanele pe dou osii, deoarece ntr-un tren de aceeai lungime ele primesc o ncrctur de cel puin dou ori mai mare. n felul acesta ele permit intercalarea trenurilor de mare tonaj fr a mai fi nevoie de sporirea lungimii staiilor. Costul lor de construcie este mai mic pe tona de mas ncrcat cu circa 20% fa de vagoanele pe dou osii.

Al doilea indicator tehnico-economic al unui vagon de marf, respectiv coeficientul tehnic de tar, reprezint raportul dintre tara vagonului (masa proprie a vagonului) i capacitatea sa de ncrcare. Micorarea coeficientului tehnic de tar constituie una din problemele de baz ale transporturilor pe calea ferat, deoarece astfel este necesar o for de traciune mai mic (deci i un consum energetic mai mic) i totodat la aceeai sarcin pe osie se poate spori capacitatea de ncrcare a vagonului. Reducerea coeficientului tehnic de tar se poate face prin utilizarea unor materiale (oel n special) mai rezistente, obinndu-se astfel dimensiuni mai mici pentru elementele portante ale vagonului sau pe calea realizrii unor construcii ct mai raionale.

Menionm c n exploatarea vagoanelor de marf se mai utilizeaz i ali indicatori care in seama de calitile tehnice ale acestora n condiii impuse de traficul pe calea ferat.

n ceea ce privete vagoanele de cltori se urmrete n primul rnd realizarea unui confort sporit fa de orice alt mijloc de transport terestru. Primele vagoane de cltori se deosebeau de cele de marf numai dup forma caroseriei care era construit dup modelul potalionului descoperit. La aceste vagoane preteniile de confort i cele sanitare ale cltorilor nu erau luate n considerare; cltorii se puteau aeza pe bncile aflate n cutia descoperit fr a se prevedea un adpost contra intemperiilor. Mai trziu, odat cu majorarea distanelor de transport i a vitezelor de circulaie au aprut vagoanele de cltori acoperite dotate cu instalaii sanitare, de nclzire i de iluminat. Materialul principal utilizat att n construcia asiului ct i a cutiei era lemnul, care ns ducea la o rezisten slab i un cost de ntreinere ridicat. De aceea din anul 1860 s-a nceput construcia asiurilor cu lonjeroni din oel. Ulterior lemnul a fost nlocuit de oel i la construcia caroseriilor ajungndu-se la actualele soluii tehnice cu caroserii autoportante, n ntregime metalice, cu un cost redus de ntreinere i care asigur o securitate mai mare cltorilor n caz de accidente. Astzi se urmrete o protecie sporit contra incendiilor i realizarea unor construcii deformabile care preiau n caz de accidente energia ocurilor exterioare i o disip bun parte prin deformaia structurii portante.

Dup anul 1860 are loc i o reamenajare interioar a vagoanelor. La nceput s-au dezvoltat vagoanele necompartimentate cu circulaie prin mijloc, s-a realizat nchiderea platformelor de urcare de la capete, s-au prevzut puni de intercomunicaie i burdufuri ntre vagoane ceea ce a permis trecerea cltorilor prin tot trenul. A fost posibil astfel, dup anul 1872, introducerea n compunerea trenurilor a vagoanelor restaurant i de dormit.

Aranjamentul interior al primelor vagoane de cltori acoperite, necompartimentate, se pstreaz i astzi ntr-o form apropiat de vagoanele destinate s circule pe distane mici (pe linii secundare, pe cile ferate suburbane). La vagoanele care deservesc distane mari, aranjamentul interior se realizeaz astfel nct cltorul s suporte ct mai uor oboseala pe distana respectiv.

La nceput i la trenurile accelerate s-au utilizat numai vagoane pe dou osii. Necesitile impuse de sigurana circulaiei i de stabilitatea mersului la viteze mari au impus introducerea vagoanelor pe patru osii cu boghiuri. Aceast soluie a permis ca n limitele sarcinilor admise pe osii, s se construiasc vagoane de cltori de mare capacitate.

Eficacitatea vagoanelor de cltori n exploatare se caracterizeaz prin raportul dintre tara vagonului i numrul de locuri pentru cltori. Valoarea acestui raport este influenat de gradul de confort al vagonului. Acest raport nu caracterizeaz vagonul n toate condiiile sale de exploatare, scderea lui venind n contradicie cu tendinele de sporire a confortului care impun o tar din ce n ce mai mare i un numr mai redus de locuri pentru cltori.

De asemenea, la vagoanele de cltori, trebuie s se in seama i de rezistena aerodinamic care mrete fora de traciune necesar, deci consumul energetic. S-a introdus noiunea de tar fictiv care ine seama de rezistena aerodinamic, n fia UIC -209 din 1.1.1952.

Analiznd rezistena la naintare, se poate concluziona c, la viteze mari, vagoanele uoare i pierd din avantajele lor de a necesita for de traciune redus. Avantajele lor se menin pe liniile secundare, la trenurile cu opriri dese, la cile ferate urbane sau metropolitane, sau la liniile cu rampe dese. Pentru trenurile cu parcursuri lungi fr oprire, care circul cu viteze mari, vagoanele grele nu cauzeaz pierderi sensibile fa de cele uoare, n schimb prezint o siguran mai mare n exploatare, sunt dotate cu instalaii perfecte de confort i sunt insonorizate.

O dat cu dezvoltarea tehnicii moderne feroviare s-au evideniat tot mai mult cele dou condiii fundamentale pe care trebuie s le ndeplineasc orice vehicul i anume asigurarea siguranei contra deraierii i realizarea unui confort sporit cltorilor. Astzi realizarea de vehicule cu performane de vitez de peste 500 km/h, n condiii de siguran deplin a circulaiei, nu ar fi posibil dac nu ar avea la baz realizri tiinifice de prestigiu academic.

n secolul al XIX-lea au avut loc progrese imense n domeniul diferitelor tehnici termice.

Extinderea rapid a folosirii puterii motrice a focului, datorit progreselor intervenite n construcia mainilor cu abur i n special a locomotivelor cu abur, a transformat n cteva decenii condiiile de transport a mrfurilor i cltorilor.

Prima locomotiv din lume a fost construit n Anglia, n anul 1803, de ctre Richard Trevithick. Aceasta, consta dintr-o main cu abur transpus pe un asiu cu roi. Calea de rulare consta din ine de tip Reynolds montate pe grinzi din lemn.

Prin geniul su tehnic, marele constructor englez de locomotive, George Stephenson (1781 1848) a revoluionat tehnica feroviar. n anul 1825 s-a inaugurat, n traciune cu abur, linia Stockton Darlington proiectat de Stephenson i destinat transportului de crbune i al cltorilor.Trenul inaugurat era compus dintr-o locomotiv condus chiar de Stephenson, un vagon acoperit i 33 de vagoane descoperite. Au fost transportai 450 de cltori i 90 tone de mrfuri, cu o vitez maxim de 19 km/h. Locomotiva dezvolta o putere de 10 CP avnd o mas de 6,5 t.

La 15 septembrie 1830 s-a inaugurat linia Liverpool Mancester de 51 km. Aceasta este considerat ca prima linie de cale ferat n adevratul sens al cuvntului, ntruct ea cuprindea numeroase lucrri de art (63 de poduri i un viaduct nalt de 18 m). Pentru a se asigura traciunea pe aceast linie, nc din 1829 (n urma unui concurs organizat la Rainhill) s-a decis achiziionarea locomotivei The Rocket, construit de George i Robert Stephenson. Pe data de 8 octombrie 1829, locomotiva The Rocket a parcurs 112 km realiznd, cu un tonaj de 12,75 t, viteza medie de 25,75 km/h i o vitez maxim de 47,4 km/h. Circulnd izolat pe o distan de 6,5 km, locomotiva a atins viteza de 85 km/h. Printre caracteristicile tehnice ale acestei remarcabile locomotive, se remarc: ecartamentul normal de 1435 mm, sistem de distribuie a aburului prin sertare culisante, tiraj forat.

Timp de peste 100 de ani, locomotiva cu abur a evoluat continuu, fiind principalul mijloc de traciune feroviar. Dup al doilea rzboi mondial a nceput declinul locomotivei cu abur. Cu toate perfecionrile termodinamice i constructive aduse, locomotiva cu abur n exploatare, nu a reuit s depeasc randamentul de 6 7 %, aceasta datorit motorului su cu ardere extern.

Creterea puterii locomotivelor, a dus la generalizarea motorului cu ardere intern, cu aprindere prin compresie (Diesel). Primul proiect de locomotiv Diesel de 1000 CP, a fost ntocmit n 1908 chiar de R. Diesel (locomotiva nu a fost construit). n 1914, Sulzer i Borsig au construit o locomotiv Diesel cu transmisie direct, cu demararea realizat cu ajutorul aerului comprimat produs de un compresor antrenat de un motor Diesel auxiliar. Soluia a fost abandonat, deoarece nu permitea obinerea unei fore de traciune variabil (corespunztoare traciunii) i puteri mari instalate. De altfel, principala dificultate n evoluia locomotivelor cu motoare cu ardere intern a constat tocmai n realizarea demarajului i a mersului n regimuri variabile.

Se poate considera c nceputul real al traciunii diesel s-a produs n 1935, n S.U.A., prin construirea locomotivelor de 1000 i 1500 CP. n perioada celui de al doilea rzboi mondial, au ncetinit eforturile de perfecionare a locomotivelor n Europa, n timp ce, n S.U.A., tehnica locomotivelor a evoluat continuu. Raiuni de ordin economic au fcut ca Europa, dup 1950, s se orienteze mai mult spre traciunea electric.

n ara noastr tehnica feroviar a evoluat continuu, ncepnd din secolul XIX, Romnia fcnd eforturi financiare deosebite pentru a se alinia tendinelor moderne de transport din acea perioad. Cile ferate au ptruns n vechile provincii istorice ale Romniei de astzi, mai nti n Banat (1854) i apoi n Dobrogea (1860), Transilvania (1868), Bucovina, Muntenia, Moldova (1869) i Oltenia (1857).

Pn la ncheierea, la 1 decembrie 1918, a procesului de desvrire a statului naional romn, cile ferate s-au dezvoltat o perioad n cadrul a dou reele separate, una n vechea Romnie i alta n Imperiul Habsburgic, care, din 1867, n urma pactului dualist, a devenit Austro-Ungaria.

Prima linie de cale ferat din Banat, care este totodat i cea mai veche de pe reeaua CFR a fost deschis pentru traficul de mrfuri (linia crbunelui) la 20 august 1854 ntre portul dunrean Bazia i Oravia.

Pn la deschiderea, la 15 decembrie 1863, a linie Oravia Anina cu traciune cu abur, crbunele era transportat la Oravia pe poriunile orizontale numite Pferdebahn (cale cu traciune cabalin), iar pe poriunile n rampe prin planuri nclinate funiculare.

Linia Oravia Bazia a fost deschis i pentru traficul de cltori la 1 noiembrie 1856. n primii ani, pe traseul Oravia Bazia a circulat o singur pereche de trenuri mixte. Distana de 62,5 km era parcurs cu o vitez medie comercial de 20,6 km/h. n 1856 a nceput construcia liniei Seghedin Jimbolia Timioara, iar inaugurarea s-a fcut la 15 noiembrie 1857 odat cu sosirea primului tren la Timioara.

Dup inaugurarea tronsoanelor Timioara Caransebe (28 octombrie 1876), Caransabe Orova (20 mai 1878) i a realizrii jonciunii cu linia Vrncioaia (vechea frontier) Piteti (deschis anterior la 5 ianuarie 1875) trenurile romneti au putut circula, ncepnd de la 10 iunie 1879, de la Bucureti spre Budapesta i Viena.

n Dobrogea, pn n 1878 sub dominaia otoman, prima linie de cale ferat Cernavod Constana, care este totodat i a VI-a linie ca vechime de pe reeaua CFR, a fost concesionat, la 1 septembrie 1857, societii engleze Danube and Black Sea Railway care era reprezentat de Sir John Trevor Barkley, acelai care avea s construiasc n timpul domniei lui Al. I. Cuza primele 18 poduri metalice din Romnia i apoi linia Bucureti (Filaret) Giurgiu. Convenia de concesiune devenea executorie din 1857 prin firmanul dat de sultanul Abdul Medgid. Scopul general al construciei era evitarea circulaiei navale prin gurile Dunrii (supuse iarna ngheurilor) i scurtarea traseului comercial Dunre Marea Neagr.

Inaugurarea liniei Constana Cernavod a avut loc la 4 octombrie 1860 dup ce au sosit din Anglia primele dou locomotive cu 3 osii cuplate (denumite Ovidiu i Tomis). La 10 decembrie 1882, linia Constana Cernavod a fost cumprat de la societatea englez menionat anterior de ctre statul romn, cu materialul rulant aferent.

Linia Constana Cernavod era ns izolat de restul rii i pentru ieirea Romniei pe mrile lumii a nceput n 1886 construirea liniilor Bucureti Cernavod i Buzu Cernavod. Dup construirea de ctre Anghel Saligny a celebrelor poduri dunrene (lungime total de 4088 m), inaugurate la 14-26 septembrie 1895, trenurile romneti i marile exprese internaionale - printre ele i cunoscutul tren Fulger (Orient Expres) au putut circula, fr transbordare, pn la Constana. Construite n perioada 1890 - 1895 dup proiectele lui Anghel Saligny, podurile dunrene constituiau n momentul construciei cea mai mare lucrare de art de acest fel pe continent.

n Transilvania, calea ferat a ptruns prin micile tronsoane Oradea Bor frontier (deschis la 24 aprilie 1858) i Arad Curtici frontier (deschis la 25 octombrie 1858) construite de societatea calea ferat din regiunea Tisei. La 24 aprilie 1867 a nceput construcia liniei principale Arad Alba Iulia i a ramificaiei ei Simeria Petroani. Dou luni mai trziu, s-a inaugurat magistrala Oradea Braov, la 14 august 1873. Prin prelungirea liniei spre pasul Predeal (1057 m altitudine) i a terminrii ultimului tronson al liniei Ploieti Predeal (Cmpina Sinaia) la 1 decembrie 1879 s-a realizat prima legtur feroviar direct ntre Transilvania i celelalte provincii romneti.

n Principatele Unite, lipsa de capital i credit, lipsa industriei metalurgice i a specialitilor, precum i dependena de Imperiul Otoman, au ntrziat apariia primelor ci ferate. Dup numeroase discuii i tratative, construcia primei linii Bucureti (Filaret) Giurgiu a fost concesionat, la 13 septembrie 1865, societii engleze J. T. Barkley J. Staniforth. Lucrrile terasamentelor au nceput n anul 1867, de la ambele capete ale liniei, iar pozarea s-a fcut de la Giurgiu, deoarece Dunrea constituia singura cale lesnicioas pentru transportul din strintate a materialelor construciei liniei, precum i a primelor locomotive.

La 17 iunie 1869 a fost promulgat legea pentru exploatarea n regie a liniei Filaret Giurgiu, iar la 31 octombrie a avut loc inaugurarea oficial a liniei. Primul tren remorcat de locomotive Mihai Bravul, condus de nsui Sir John Trevor Barkley, a plecat din gara Filaret. A urmat, la un mic interval, al doilea tren remorcat de locomotive Dunrea. Traseul lung de 67 km a fost parcurs cu o vitez medie de 44,8 km/h.

La 15 decembrie 1869 a fost deschis prima linie din Moldova pe traseul Suceava Roman. n anul urmtor, la 1 iunie 1870, a fost inaugurat legtura feroviar Pacani Iai, iar la 1 noiembrie 1871 i ramificaia Vereti Botoani. Societatea Calea ferat Lemberg, care a construit liniile din Moldova, a comis numeroase abuzuri pentru a-i majora profiturile, motiv pentru care statul romn a rscumprat liniile i materialul rulant la 22 ianuarie.

Locomotivele preluate de CFR aveau 3 osii cuplate, cilindrii exteriori i distribuie tip Stephenson, greutatea n serviciu de 33 tf i de 37,9 tf, diametrul roii motoare i cuplate de 1290 mm i o vitez maxim de 54 km/h.

Privind materialul rulant motor, se remarc locomotivele seria MAV-CFR-377, primele construite ncepnd din 1896 de fabrica Johann Weitzer din Arad. Fabrica ardean a fost nfiinat n 1891 i iniial a fost denumit Fabrica de Maini, Vagoane i Turntoria de Fier a Societii Johann Weitzer din Arad. n 1921 ea a fost preluat de societatea anonim Astra care a continuat tradiia. Aceasta a fost prima fabric de material rulant, ndeosebi de locomotive, de pe teritoriul de astzi al Romniei, care a produs locomotive de ecartament normal i ngust destinate liniilor publice de cale ferat.

n perioada 1896-1902 fabrica din Arad a livrat aproximativ 125 de locomotive. Locomotivele din seria 27-38 erau locomotive cu 3 osii cuplate i cu tender separat (tip C) i au fost construite n special pentru linia Arad Cenad. Ultima serie de locomotive, construit de fabric n 1902, a fost 385 i a fost utilizat pe linii cu ecartament ngust (760 mm). Locomotivele din seria 289 erau cu 2 osii cuplate i cu tender separat pe 4 osii. Ele au constituit cele mai mici locomotive construite de fabrica ardean precum i una dintre cele mai mici locomotive europene.

ncepnd din 1902 construcia de locomotive a ncetat, fabrica profilndu-se n special pe fabricarea diferitelor tipuri de vagoane. n cadrul fabricii ardene au fost construite n 1899 primele tramvaie electrice care au circulat la Timioara, iar ntre 1902-1907 i primele automotoare cu motoare pe benzin (tip Daimler, Westinghouse i De Dion Boutan) ale liniei Arad Cenad.

Comenzile masive de locomotive n strintate, n primii ani de dup primul rzboi mondial, care erau destul de oneroase pentru bugetul rii, dezvoltarea uzinelor Reia i Malaxa Bucureti, precum i necesitatea standardizrii tipurilor de baz, au determinat construirea de locomotive n ar.

n perioada 1920-1923 a fost proiectat i construit fabrica de locomotive a societii UDR (Uzinele de Fier i Domeniile din Reia S.A. Reia) care a devenit cea mai important fabric de locomotive cu abur din Romnia. Aici au fost construite, ntre anii 1925-1960, peste 1000 de locomotive de ecartament normal i ngust destinate att reelei CFR, ct i liniilor uzinale i forestiere.

De menionat faptul c primele locomotive uzinale de ecartament ngust au fost construite de uzinele metalurgice Reia naintea nfiinrii fabricii de locomotive. Astfel, n cadrul filialei reiene a societii St. EG au fost construite, n perioada 1872-1919, nou locomotive de ecartament ngust.

Primele locomotive executate n cadrul fabricii de locomotive a societii UDR au fost construite n anul 1925. Erau dou locomotive tender cu ecartament ngust destinate liniilor forestiere din zona Reia i Aninei.

Un an mai trziu, la 10 iunie 1926, locomotiva cu ecartament normal CFR 50243 prima locomotiv construit la Reia pentru CFR a efectuat primul traseu de prob. Locomotiva CFR 50243 (tip E) a fost construit dup proiectele locomotivei germane G-10, modernizat i adaptat condiiilor locale. Ea a fost proiectat pentru remorcarea trenurilor grele de marf i a fost dotat cu supranclzitor tip Schmit, regulator cu supap Fritz-Wagner, epurator de ap Schmit-Wagner, nisipar acionat pneumatic i frn cu aer comprimat Westinghousse. Deoarece ncercrile efectuate au dat rezultate foarte bune n privina calitii i a performanelor locomotivei, s-a decis continuarea acestei serii la Uzinele Reia, iar ncepnd din 1928 i la Uzinele Malaxa-Bucureti. n perioada 1926-1943, Uzinele Reia i Malaxa au construit 520 de locomotive de acest tip.

Pentru remorcarea trenurilor accelerate de cltori pe liniile principale ale reelei CFR a fost construit, n 1921, seria CFR 230.000 (tip 2-C). Primele locomotive din aceast serie au fost construite n Germania, n special de firma Henschel-Kassel.

n 1932 s-a trecut la construcia seriei 230.000 n cadrul Uzinelor Reia i Malaxa-Bucureti, prima locomotiv construit fiind CFR 230.132. Aceste locomotive erau prevzute n partea din fa cu un boghiu Krauss-Helmholtz, care le permitea s circule cu viteze de 100 km/h n curbe cu raz de numai 150 m.

Sporirea tonajelor i a vitezelor de circulaie pentru trenurilor de cltori a impus introducerea unui nou tip de locomotiv capabil s remorce n palier un tonaj de 700 tf cu o vitez de 110 km/h. n urma studiilor ntreprinse de administraia CFR, a fost adoptat tipul 1-D-2 din seria austriac 214. Construcia noii serii de locomotive CFR 142.000 a nceput n 1937 la Reia i Bucureti. n perioada 1937-1940 au fost realizate 79 de locomotive de acest tip. Locomotivele aveau 4 osii cuplate, iar pentru obinerea unui mers linitit i pentru o mai bun nscriere n curbe aveau o osie conductoare (bissel) tip Krauss-Helmboltz.

Pentru remorcarea trenurilor de cltori i de marf pe liniile secundare a fost proiectat i realizat n Romnia o nou serie de locomotive tender. Prototipul 131.001 a fost realizat n 1939. Uzinele Reia au construit, n perioada 1939-1942, 67 de locomotive de acest tip.

Pentru remorcarea trenurilor de marf pe liniile cu profil greu, Uzinele Malaxa au construit n 1939 i 1941 dou locomotive prototip tip 1-E-1. Aceste locomotive din seria CFR 151.000 au fost cele mai puternice locomotive cu abur construite n Romnia, putnd remorca n palier tonaje de 3100 tf.

Cu toate perfecionrile aduse ultimelor locomotive cu abur, ele au trebuit s cedeze mai nti n faa locomotivelor diesel, primele fiind introduse n 1959 i apoi, din 1965 n faa locomotivelor electrice.

Noua etap a nceput odat cu construirea pe baz de licen elveian de ctre Uzinele Electroputere din Craiova, n colaborare cu Uzinele Constructoare de Maini Reia, a primelor locomotive diesel-electrice Co-Co de 2100 CP (serii CFR 060-DA i 060-DA1). Dup numai apte ani se producea la Craiova cea de-a 500-a locomotiv diesel-electric. Printre locomotivele fabricate pn astzi figureaz i puternicele locomotive de 3000 CP i 4000 CP. La rndul ei, ntreprinderea 23 August din Bucureti a produs o gam foarte larg de locomotive diesel (cu transmisie mecanic, hidraulic i electric), realiznd peste 4500 de exemplare.

n Romnia, primul automotor a fost introdus n 1902 pe liniile Societii de Cale Ferat Arad Cenad. Acesta era format dintr-un singur vagon-motor i a fost construit la Uzinele Johann-Weitzer din Arad, fiind echipat cu motor cu benzin de 40 CP, de construcie Daimler, iar transmisia era mecanic. Capacitatea era de 38 de locuri pe scaune, iar viteza maxim de circulaie de 32 km/h.

Pe reeaua CFR primele automotoare au fost introduse n 1907 pe liniile Piatra-Olt Corabia i Piatra Olt Caracal. Acestea erau echipate cu motor cu benzin de 70 CP, de construcie De Dion Boutan realizate la Arad.

Construcia automotoarelor diesel, pentru CFR, a nceput n 1934 la Uzinele Malaxa Bucureti i Astra Arad i n 1936 la Uzinele Unio-Satu Mare.

n vederea alegerii celor mai bune soluii tehnice la construcia automotoarelor romneti s-a ncercat aplicarea convertizorului mecanic de cuplu, realizat de savantul romn ing. Gogu Constantinescu. Astfel, s-au fcut experimentri la Uzinele Malaxa Bucureti, unde au fost realizate n perioada 1931-1934 o drezin i un automotor pe dou osii.

La 1 iulie 1937 parcul de automotoare CFR era format din 200 de uniti.

ncepnd din 1937 au fost realizate de ctre Uzinele Malaxa din Bucureti i primele automotoare aerodinamice duble pe patru boghiuri. Echipamentul motor era format din dou motoare diesel (Gantz-Jendrassyk), fiecare de 220 CP, iar transmisia era mecanic (Mylius).

Privind traciunea electric, se remarc apariia liniei electrice (1909-1913) nguste de 1000 mm, care stabilea legtura ntre oraul Arad i comunele de la poalele dealului Podgoria. Traciunea se realiza n curent continuu de 1,6 kV. Exploatarea n traciune electric a liniei, care cuprindea tronsoanele Arad Ghiroc, Ghiroc Radna, a nceput n 1913 i a fost efectuat cu automotoare electrice.

ara noastr a optat pentru traciunea electric n curent alternativ monofazat de frecven industrial i pentru achiziionarea locomotivelor suedeze de fabricaie ASEA. Dup sosirea primelor locomotive electrice, secia Braov Predeal a fost dat n exploatare n traciune electric la 9 decembrie 1965. n perioada 1965-1966 au fost livrate de firma ASEA 10 locomotive de tip Co-Co cu o putere continu de 5100 kW, dintre care 8 aveau o vitez maxim de 120 km/h i erau prevzute cu redresoare cu diode de siliciu, una cu o vitez maxim de 160 km/h, iar alta era echipat cu redresoare cu tiristor.

Dup achiziionarea licenei de la firma suedez ASEA, construcia locomotivelor electrice n Romnia a nceput n 1966. Partea mecanic era realizat la ICM-Reia, iar partea electric i montajul general de ntreprinderea Electroputere Craiova. Prima locomotiv electric 060 EA de construcie romneasc dup licen ASEA a fost predat Cilor Ferate Romne n august 1967. Dup 11 luni, pe porile ntreprinderii Electroputere Craiova, a ieit cea de-a 10-a locomotiv, iar la 27 august 1971 - dat jubiliar - cea cu numrul 100.

Prima magistral romn electrificat Bucureti Braov a fost inaugurat oficial la 15 februarie 1969. De atunci electrificarea cilor ferate romne a continuat ntr-un ritm susinut, astzi lungimea liniilor electrificate depind 3200 km.

Prin modificarea raportului de transmisie s-a realizat locomotiva experimental CFR 060 EA 2-122, care a atins n timpul probelor o vitez maxim de 204 km/h, acesta constituind recordul de vitez al Cilor Ferate Romne.

Astzi, ca prioriti, se remarc integrarea n sistemul de transport european, prin construirea de ci ferate care s asigure performanele tehnice moderne i vehicule care s aib caliti de mers i siguran a ghidrii sporite. Se remarc construirea la Uzinele ASTRA din Arad a vagoanelor de mare vitez pe boghiuri Y 32 (apte s circule cu 200 km/h) i punerea n fabricaie la Electroputere Craiova a automotorului Siemens. De asemenea, se remarc implicarea unor firme de prestigiu ca Bombardier i Alsthom, care contribuie la realizarea unor vehicule de transport performante.

1.1.2. Aptitudini tehnico-economice fundamentale ale sistemului convenional roat-in

Vehiculele de cale ferat se caracterizeaz prin faptul c se deplaseaz prin intermediul roilor pe cele dou ine i se autoghideaz prin forele de contact dintre roi i ine. Astfel, roile, pe lng cele trei funcii obinuite pe care le au i pentru alte mijloace de transport terestre, adic sprijinirea pe vertical a vehiculului, rularea i propulsia, respectiv frnarea, la vehiculele de cale ferat au o funciune n plus specific acestora i anume aceea de autoghidare n interiorul celor dou fire ale cii.

Roile fiind metalice, ca i inele, ofer vehiculului aptitudinea de a suporta sarcini mult mai mari dect alte sisteme de transport terestre. Aceast aptitudine, asociat cu aceea a autoghidrii, genereaz posibilitatea formrii convoaielor de vehicule (trenurilor) de mare tonaj, ceea ce confer sistemului roat-in avantajul unei mari capaciti de transport. Rezistena specific redus la naintare datorit rostogolirii roilor pe ine determin i un consum de energie pe tona transportat incomparabil mai mic dect la toate celelalte mijloace de transport terestre. Totodat, aptitudinea de autoghidare ofer vehiculelor de cale ferat posibilitatea de a circula cu vitezele cerute de exploatare ntr-o siguran deplin i independent de starea atmosferic i anotimpuri.

Datorit acestor caracteristici tehnice, cu importantele avantaje economice ale sistemului roat-in, calea ferat s-a dezvoltat continuu de la apariia sa, ajungnd astfel s constituie, n majoritatea rilor, ca i n ara noastr, principalul mijloc de transport terestru. Reeaua de ci ferate mpreun cu instalaiile aferente de dirijare a circulaiei i de formare a trenurilor i cu parcul de vehicule constituie o important component a avuiei naionale.

Tendina general care caracterizeaz evoluia transportului feroviar n ara noastr este creterea vitezei de circulaie, a tonajelor trenurilor i a intensitii circulaiei. Aceast evoluie necesit n viitor modificarea infrastructurii i n special, a suprastructurii cii (ine de tip greu din oeluri aliate cu tratamente termice speciale, cale ferat fr joante,), modernizarea echipamentelor i a sistemelor de reglare a circulaiei.

Rennoirea parcului vagoanelor de cltori se face difereniat pentru transporturile de lung parcurs, pentru cele locale i pentru cele suburbane. La modernizarea vagoanelor de cltori se au n vedere: sporirea vitezelor de circulaie (n ara noastr ntr-o perspectiv apropiat, pn la 160 km/h pe cea mai mare parte a linilor i pn la 200 km/h pe unele linii); mbuntirea condiiilor de confort (prin mbuntirea performanelor dinamice verticale i transversale, o mai bun insonorizare i climatizare interioar); reducerea tarei vagoanelor.

Tendina de sporire a vitezei trenurilor de cltori care circul ntre marile orae nu contravine principiilor generale de economisire a energiei ci, din contr, se nscrie n aceste preocupri prin atragerea de ctre cile ferate a cltorilor din transportul aerian i auto.

Modernizarea parcului de vagoane de marf, determinat de tendina sporirii vitezelor i a eficienei exploatrii se face prin: mbuntirea structurii parcului i introducerea vagoanelor specializate i a vagoanelor de mare capacitate; perfecionarea sistemului de frnare i introducerea la toate vagoanele a lagrelor cu rulmeni la osii; mbuntirea construciei vagoanelor i reducerea tarei acestora prin utilizarea oelurilor nalt aliate i a materialelor uoare cu rezistene ridicate.

Modernizarea vehiculelor de traciune urmrete att realizarea unor performane de traciune ridicate, n corelaie cu creterea puterii instalate i sporirea vitezelor maxime de circulaie, ct i mbuntirea comportrii dinamice a acestora, ndeosebi n scopul asigurrii unei sigurane sporite contra deraierii, a reducerii forelor dinamice de interaciune cu calea de rulare i a uzurilor la roi i ine.

n ceea ce privete transportul urban, sistemele de transport n comun de mare capacitate au devenit o necesitate stringent a marilor orae moderne. Creterea rapid a populaiei n orae, ca i marea mobilitate antrenat de activitile industriale, economice i comerciale, impune existena unor vehicule pe ine care s poat prelua, n condiii de confort i siguran foarte ridicate, fluxuri mari de cltori.

O dat cu dezvoltarea cilor ferate, a reelelor care au mpnzit teritoriul rilor, cu legturi ntre state i chiar ntre continente, nevoia ca vehiculele s poat circula n deplin siguran n trafic internaional a impus ca unele structuri i dimensiuni ale acestora i mai ales ale prilor de rulare i ghidare n corelaie cu calea s fie stabilite prin convenii i reglementri internaionale elaborate de organizaii create n acest scop cu acordul statelor sau administraiilor de cale ferat participante (UIC, UT, RIC, RIV, ).

1.1.3. Probleme ale limitelor de vitez n sistemul roat-in

n timpul circulaiei vehiculului, la contactul roat in, apar fore dinamice, generate de denivelrile i discontinuitile inei. Aceste fore cresc proporional cu acceleraiile maselor n micare, limitnd astfel viteza maxim de circulaie a vehiculului. Pentru micorarea forelor dinamice de interaciune cu calea este necesar o mas nesuspendat ct mai mic, o suspensie a vehiculului adaptat la viteza de mers si o sarcin pe osie ct mai redus.

Datorit montrii rigide a roilor pe osie i a faptului c conicitile suprafeelor de rulare sunt inverse, osia montat va executa n mers o micare de erpuire, mijlocul osiei descriind n plan orizontal o sinusoid.

La mersul normal n aliniament, dac roile au profil de uzur, ghidarea osiei se realizeaz pe suprafeele de rulare iar buzele bandajelor, n aceast situaie, constituie doar un supliment de siguran. O dat cu creterea vitezei vor lua natere fore de inerie, care, de-ndat ce devin mai mari dect fora maxim transmisibil prin frecarea roat in, genereaz alunecarea transversal a osiei montate i preluarea funciei de ghidare de ctre buza bandajului. Acest fenomen, care caracterizeaz o micare de erpuire instabil produce solicitri transversale inadmisibile ale cii de rulare i pericliteaz sigurana circulaiei.

Viteza la care micarea de erpuire devine instabil poart numele de vitez critic, aceasta determinnd de fapt viteza maxim care poate fi atins n deplin siguran de ctre vehicul. Mrirea vitezei critice se poate realiza printr-o construcie adecvat a vehiculului.

Problema aderenei devine foarte important n domeniul marilor viteze, cu consecine privind concepia materialului rulant, att din punctul de vedere al traciunii, ct i al frnrii. La vehiculele motoare, fora de traciune maxim ce se poate dezvolta la periferia roilor, fr a se produce patinarea, este fora de aderen care scade o dat cu creterea vitezei. Pe de alt parte, fora de rezisten la naintare a trenului crete cu viteza, n special datorit rezistenelor aerodinamice, care devin preponderente la viteze mari. Egalitatea acestor dou fore va determina viteza maxim a vehiculului motor.

Patinarea roilor motoare duce la solicitri importante n sistemul de antrenare al osiilor, datorit fenomenului de stick slip, ca i la uzuri mari ale bandajelor roilor i inelor. S-a constatat c se pot realiza viteze mari chiar la valori minime, ntlnite n exploatare, ale coeficientului de aderen dintre roat i in dac se adopt un numr corespunztor de osii motoare, aa cum ntlnim la ramele electrice de mare vitez. Avnd n vedere c circulaia cu viteze mari necesit puteri instalate mari pe vehicul, s-a adoptat soluia cu vehicule electrice, dar care ridic probleme legate de captarea curentului [92].Sporirea vitezei de circulaie n curbe impune retrasarea acestora, cu mrirea corespunztoare a razei de curbur. Aceast mrire nu se poate aplica ns la toate liniile din considerente de ordin economic, precum i datorit reliefului, astfel nct, pentru a putea circula cu viteze mari n deplin siguran, s-a cutat s se rezolve problema prin realizarea constructiv adecvat a vehiculelor. Astfel s-au realizat vehiculele cu cutie nclinabil la care, prin nclinarea cutiei spre interiorul curbei, se obin acceleraii centrifuge necompensate n limite admisibile la viteze sporite de circulaie.

1.1.4. Fenomene de contact la mari viteze

Cunoaterea amnunit a fenomenelor de contact roat-in constituie de fapt problema fundamental care asigur dezvoltarea mijloacelor de transport feroviar.

n timpul mersului vehiculul este supus unor perturbaii exterioare generatoare de oscilaii care au efecte defavorabile asupra calitii de mers i care pot periclita sigurana ghidrii vehiculului. Totodat apar fore dinamice importante la contactul roat-in care produc deformri n domeniul plastic, refulri de material, microfisuri i exfolieri care modific forma suprafeelor de rulare afectnd capacitatea geometric de ghidare a buzei roii. Forma i dimensiunile zonei de contact determin i fiabilitatea roilor i a inelor ca i caracteristicile de aderen n regim de traciune i frnare a vehiculului.

Dup cum arat PrudHomme n celebra lucrare La Voie publicat n 1970 n Revue Gnrale des Chemins de Fer, defectele cii cu lungimi de und mici produc suprasarcini dinamice importante exercitate asupra cii, ndeosebi la viteze mari de circulaie. Lungimile de und cele mai mici sunt chiar cele date de deformaiile elastice ale suprafeelor n contact. Pentru reducerea acestor suprasarcini este necesar ca masele nesuspendate ale vehiculului s fie ct mai mici posibil.

Pe de alt parte oscilaiile verticale ale osiilor pot produce micorarea sarcinii Q pe roata atacant a osiei conductoare i mrirea raportului Y/Q (Y fora de ghidare) care poate depi valoarea limit impus de condiiile de siguran contra deraierii.

Pe de alt parte, fia UIC 515, limiteaz suma forelor laterale de ghidare Z pe care le poate suporta calea fr ca s deripeze (cu condiia ca acestea s acioneze pe o distan de cel mult 2m).

Suspensia vehiculului trebuie s asigure o comportare dinamic stabil la circulaia vehiculului n linie dreapt i n curbe, precum i meninerea n limite acceptabile a forelor de interaciune cu calea de rulare. Este foarte important ca elementele elastice i de amortizare din ansamblul suspensiei s fie adaptate condiiilor de cale, regimului de mers al vehiculului i s se asigure acea independen controlat de micare a maselor vehiculului dup cum recomand A. Mauzin i R. Joly n lucrarea tude de la suspension verticale dun vehicle ferroviare n Buletin de A.I. du Congres des Chemins de Fer, oct. 1970.

Torsionarea cii duce la o repartizare inegal a sarcinilor pe roi, dac roata cea mai descrcat este i atacant, aceasta poate s deraieze atunci cnd osia respectiv depete limita capacitii sale de ghidare.

Capacitatea de torsionare a vehiculului trebuie s asigure adaptabilitatea acestuia la descrcarea roii atacante, adic la torsionrile cii. Prin urmare, ntre torsionarea cii i capacitatea de torsionare a vehiculului trebuie s existe o corelaie bine determinat prin care, n primul rnd s se asigure securitatea circulaiei i totodat suprasarcinile dinamice pe care le genereaz s devin ct mai puin agresive pentru vehicul i cale.

La creterea vitezei n curbe, descrcrile roii atacante sunt micorate prin aciunea forei centrifuge necompensate (la circulaia cu insuficien de supranlare) i, prin urmare, micoreaz importana torsionrii cii din punct de vedere al siguranei circulaiei. n schimb, crete importana vitezei de variaie a pantei de torsionare care genereaz suprasarcini dinamice i care, la rndul lor, n funcie de frecvena de apariie pe linie, contribuie la degradarea prematur a cii i a vehiculelor prin efectul solicitrilor la oboseal.

Revenind la contactul roat-in, menionm c aa numita rulare pur, fr alunecri, n practic nu poate fi realizat. Datorit alunecrilor longitudinale, n funcie de frecven, n sensul curbelor, suprafaa de rulare, de regul, se uzeaz n sensul creterii conicitii, ceea ce determin implicaii nefavorabile la mersul n aliniament. Alunecrile longitudinale, pe lng uzur, genereaz cldur i zgomot i necesit un consum suplimentar de energie. Prin rulare conic alunecrile longitudinale pot fi nlturate. Alunecrile transversale sunt dependente de unghiul de atac al osiei. Orientarea radial a acestuia duce la anularea alunecrilor transversale.

n cazul n care osia conductoare a vehiculului are roile cu profil de uzur, forele de frecare longitudinale acioneaz n sensul micorrii unghiului de atac, orientnd astfel osia spre poziia radial, la care fora tangenial, transversal de frecare devine nul. Aceast proprietate la care se adaug i efectul de centraj sunt caracteristici fundamentale ale osiilor numite orientabile.

Noua generaie de boghiuri a aprut odat cu soluia indicat de H. Scheffel n lucrarea Conceptions nouvelles relatives aux grandes vitesses (n Rail International, dec. 1974). Acesta a conceput un boghiu la care osiile sunt conjugate prin legturi tip bissel, elastice lateral i articulate la vrfuri. Aezarea radial a osiei conductoare orienteaz i osia condus spre o poziie radial i realizeaz o stabilizare a osiilor, numit n raport cu solul, sistemul elastic astfel conceput opunndu-se deplasrilor transversale i unghiulare relative ntre cele dou osii. Aceleai efecte se obin i prin conjugarea osiilor cu bare aezate n cruce.

Forele tangeniale de contact sunt determinate de mrimea zonei de contact, considerat ca eliptic conform teoriei lui Hertz, ct i de coeficienii de frecare. O serie de teorii, privind contactul roat-in, au fost elaborate n secolul XX cu scopul de a rezolva problemele de interaciune cu calea de rulare i de a mbunti performanele dinamice ale vehiculelor.

Astfel, n 1926, Carter elaboreaz teoria sa bidimensional a contactului de rulare cu frecare, stabilind relaia dintre pseudoalunecarea longitudinal i fora tangenial. Carter a luat n considerare roata ca un cilindru i ina ca o plac plan, astfel forma suprafeei de contact aproximnd-o cu o band lateral dreptunghiular.

R. Lvi n 1935 n lucrarea tude relative au contact des roues sur le rail (publicat n Revue Gnrale des Chemins de Fer) stabilete o expresie matematic care exprim dependena coeficientului de frecare de pseudoalunecare. Astfel alura curbei este hiperbolic (de gradul I) iar la pseudoalunecri mici se poate considera liniar. Enun n mod greit principiul izotropiei.

Mller, n urma unor msurtori sistematice efectuate la Minden n cadrul comitetului ORE C9 arat c legea lui Lvi nu se verific ntrutotul, alura curbei coeficientului de frecare este hiperbolic, dar nu de gradul I cum a considerat-o acesta, ci de grad dependent de sarcin.

n 1958 Johnson a extins teoria bidimensional a lui Carter la un caz tridimensional de contact a dou sfere n care pseudoalunecrile longitudinale i laterale sunt incluse, dar exclude alunecarea de spin. n 1964 Johnson i Vermulen au extins teoria i pentru jumti de spaii arbitrare. Suprafaa de contact dintre corpurile n micare de rotaie care transmit fore tangeniale a fost nesimetric divizat n dou regiuni, respectiv o regiune de slip (de alunecare) i cealalt de stick (de adeziune). Zona de adeziune s-a presupus a fi o elips care este tangent la interior cu elipsa de contact.

n 1963 Halling, Haines i Ollerton au elaborat aproximativ aceeai teorie cu privire la cazul contactului eliptic cu pseudoalunecare longitudinal. Zona de contact a fost mprit ntr-o serie de benzi paralele cu direcia de rostogolire i fiecare band a fost studiat prin extinderea teoriei bidimensionale a lui Carter.

n 1967 J. Kalker, n lucrarea sa de doctorat susinut la Delft, a elaborat o teorie liniar a contactului roat-in bazat pe ipoteza lui De Pater, care sugera c pentru alunecri foarte mici, zona de alunecare este foarte mic i poate fi neglijat. n consecin, se poate considera c zona de aderen acoper ntreaga zon de contact. Kalker a mai prezentat i aa zisa teorie numeric exact neliniar prin aplicarea punctual a inegalitii lui Coulomb pentru forele tangeniale T (

- coeficientul de frecare i N fora normal de contact).

Kalker a prezentat i o teorie empiric pentru a stabili relaii ntre pseudoalunecrile longitudinale i laterale i fora total de pseudoalunecare n zona de contact. Meritul lui Kalker const n faptul c a introdus efectul micrii de spin i a infirmat principiul izotropiei enunate de ctre Lvi. Valoarea coeficienilor de frecare este puternic influenat att de forma profilurilor de rulare, ct i de sarcina pe roat. Pe de alt parte, relaiile liniare stabilite de Kalker sunt valabile numai pentru cazul micilor pseudoalunecri i sunt aplicate n studiile de stabilitate a mersului vehiculelor.

Lmurirea problemei coeficienilor de frecare este foarte important pentru asigurarea aderenei i a posibilitilor de traciune i frnare a vehiculelor la limita de aderen.

La vehiculele de metrou, fora de traciune maxim ce se poate dezvolta la periferia roilor, fr a produce patinarea, este chiar fora de aderen care scade odat cu creterea vitezei de circulaie. Pe de alt parte, fora de rezisten la naintare a trenului crete cu viteza, n special datorit rezistenelor aerodinamice, care devin preponderente la viteze mari. Egalitatea acestor dou fore va determina viteza maxim a vehiculului motor.

Patinarea roilor motoare este nsoit de micarea sacadat de stick-slip care are efecte nocive asupra sistemului mecanic de antrenare al osiei, prin solicitri mecanice ce se produc i, totodat, diminueaz posibilitile de traciune ale vehiculului.

Datorit montrii rigide a roilor pe osie i a faptului c, conicitile suprafeelor de rulare sunt inversate, osia montat va executa n mers o micare de erpuire. La mersul normal n aliniament, dac roile au profil de uzur, ghidarea osiei se realizeaz pe suprafeele de rulare iar buzele bandajelor, n aceast situaie, constituie un supliment de siguran. O dat cu creterea vitezei vor lua natere fore de inerie, care, de ndat ce devin mai mari dect fora maxim transmisibil prin frecarea roat-in, genereaz alunecarea transversal a osiei montate i preluarea funciei de ghidare de ctre buza bandajului. Acest fenomen, care caracterizeaz o micare de erpuire instabil, produce solicitri transversale inadmisibile ale cii de rulare i pericliteaz sigurana circulaiei.

Micrile de erpuire ale osiilor se transmit boghiului i mai departe cutiei vehiculului. Realizarea unui cuplu de frecare ntre boghiu i cutie contribuie la reducerea micrii de erpuire, dar, n schimb, produce o cretere a eforturilor transversale exercitate asupra cii la circulaia n curb, fapt care limiteaz valoarea acestui cuplu.

Impunnd sistemului format din cutia vehiculului i arcurile suspensiei centrale frecvene proprii suficient de coborte n raport cu frecvena micrii de erpuire a boghiului se asigur o reducere a eforturilor erpuirii i se evit riscul producerii rezonanei la viteze mari de circulaie.

Un rol important pentru lrgirea domeniului de stabilitate la erpuire, prin realizarea vitezei critice ct mai mari l au elasticitile longitudinale i transversale a suspensiei osiilor. La viteze mari de circulaie s-a dovedit a fi avantajoas conducerea elastic a osiilor, care creeaz i posibilitatea ca acestea s se orienteze spre o poziie radial la circulaia n curb a vehiculului. La noua generaie de boghiuri cu osii conjugate sunt ndeplinite att condiiile unui bun comportament la erpuire n aliniament, ct i mrirea aptitudinii vehiculului de negociere a razelor de curbur.

1.1.5. Realizri remarcabile n domeniul marilor viteze

n 21 februarie 1804, galezul Welshman Richard Trevithick a prezentat primul vehicul motor de cale ferat, respectiv prima locomotiv cu aburi, care era capabil s ating o vitez de 8 km/h. n anul 1815, englezul George Stephenson a construit prima locomotiv cu aburi funcional, comandat de Minele Killingworth. Zece ani mai trziu, n 1825, acelai Stephenson a prezentat i primul tren de pasageri, care se putea deplasa cu o vitez de pn la 25 km/h, pe o cale cu o lime de 1,42 m, reprezentnd limea ecartamentului cii. Mai trziu a adugat 1,3 cm la lrgimea cii de rulare. Urma ca aceast dimensiune, pentru ecartamentul cii de rulare, s devin deschiderea standard (1,44 m).

n decembrie 1830, cel mai bun prieten al lui Charleston, a tractat un tren cu vagoane pe calea ferat din South Carolina, introducnd astfel calea ferat n America, iar prima locomotiv construit n America a fost Tom Thumb, construit de P. Cooper. Ulterior, n anul 1888, Frank J. Sprague a finalizat prima cale ferat electrificat, care la acea vreme nsuma o lungime total de 19 km n Richmond, Virginia. ns, prima locomotiv electric a fost introdus doar n anul 1895.

Trenurile remorcate cu locomotive dotate cu motoare diesel au rulat prima dat n anul 1925. De reinut este faptul c unul dintre cele mai rapide astfel de trenuri din lume, a fost trenul rusesc TEP 80, care rula cu o vitez de 273 km/h.

TGV Atlantique a atins 515 km/h n 18 mai 1990. n aprilie 1999, un MAGLEV japonez cu 5 vagoane stabilete un record mondial de 552 km/h.

Termenul locomotiv a fost folosit doar cnd unitatea de propulsare a trebuit s fie separat de cea a mainilor. n prezent, trenurile ruleaz pe ine frecvent cu viteze de pn la 500 km/h.

Dup ce Japonia a introdus trenul sgeat Shinkansen, pe 1 octombrie 1964, pentru a marca primele jocuri olimpice asiatice inute la Tokyo, necesitatea adoptrii unor viteze sporite n transportul pe calea ferat a fost escaladat cnd trenul a dovedit c nu era numai o fascinaie, existnd totodat i o pia de desfacere i consum a acestui tip de serviciu pentru trenurile rapide.

La nceputul anilor 70, francezii au construit TGV-ul (Train Grande Vitesse). TGV este versiunea francez a trenurilor de mare vitez. Trenul german ICE3, construit de Siemens, atingea viteza de 330 km/h. Eurostar transporta n condiii de confort 700 de pasageri cu 300 km/h, cu cele dou motoare ale sale de 12200 kW.

Siemens i francezii de la Alsthom au fcut echipa pentru a construi trenul spaniol Talgo care se deplaseaz cu o vitez de croazier de 370 km/h. i n China exist o linie de cale ferat destinat transportului cu viteze mari, nsumnd o distan de 1280 km ntre Beijing i Shanghai.

Trenuri de mare vitez circul n prezent n ri precum Anglia, Italia, Belgia, Olanda, Elveia, Taiwan i Korea de Sud, dar remarcabile sunt realizrile n domeniu obinute de companiile japoneze, care se pare c dein n exploatare vehicule de cale ferat ce ating constant viteze de pn la 550 km/h. Pentru a atinge aceste viteze uimitoare, spendidele trenuri de mare vitez aveau nevoie de proiecte moderne, noi ale cii de rulare.

Linia TGV, este o cale de rulare sudat dintr-un oel hibrid, prins n beton pe un pat subire de balast. Combinaia de raze de curbur i supraelevaii face posibil obinerea de viteze mari coroborat cu folosirea unor curbe a cror raz nu este inferioar valorii de 5 km, n caz contrar putnd fi considerat prea strns.

Un alt tip de vehicul de cale ferat (de aceast dat unul neconvenional) este aanumitul Maglev. Acesta presupune un sistem conform cruia trenurile se mic deasupra inelor folosind forele electromagnetice dintre magneii supraconductori de la bordul vehiculului i bobinele de la sol. Cnd magneii trec cu vitez mare, un curent electric este indus n bobine, care acioneaz astfel, ca electromagneii temporari. Ca rezultat, apar fore care mping magneii supraconductori n fa i n sus, simultan, producnd levitaia Maglev. Fora de mpingere i de atracie indus ntre magnei propulseaz acest tip de vehicul cu viteze superioare celor atinse de vehiculele convenionale, bazate pe contactul clasic roat-in.

Maglev nu atinge de fapt inele n timpul cltoriei. Supraconductorii si permit trenului s pluteasc, la propriu, deasupra cii de rulare. Trenul Siemens-Alsthom leviteaz la o distan de 1 cm deasupra inelor. Shinkasen-ul japonez ruleaz la 10 cm deasupra inei. Shinkansen folosete roi pn ajunge la viteza de 100 km/h nainte de a intra n levitaie. La vitez, heliul lichefiat, puternic rcit, din miezurile motoarelor liniare electromagnetice, minimalizeaz pierderile de energie din cmpul magnetic. Modelele europene folosesc magnei normali, dar care permit sustentaia (zborul imediat). De menionat ns c acest inconvenient atrage dup sine un consum energetic sporit.

Cercetrile n domeniul trenurilor cu sustentaie magnetic au nceput n 1962 i pn n 1970 studiile despre levitaia electrodinamic a sistemelor, folosind magneii supraconductori, au fost finalizate. Primul test de rulare a avut loc n 1979. n decembrie 1986, un tren cu 3 vagoane atins viteza de 352,4 km/h. n decembrie 1997, un alt vehicul similar MLX01, avnd comanda manual, atingea recordul de 531 km/h, iar unul automat 550 km/h.

n martie 1999, un tren dotat cu comand automat, avnd n compunere 5 vagoane MLX01, a atins viteza de 548 km/h, iar n luna aprilie a aceluiai an, MLX01 ajunge la fabulosul record mondial de vitez cu 552 km/h.

De reinut este faptul c n prezent, Frana i Japonia sunt lideri mondiali ai vitezelor maxime atinse pe calea ferat n transportul feroviar iar timpul locomotivei cu aburi a apus, n consecin rmnnd doar nostalgie. Cultura i civilizaia modern au impus ca viteza de deplasare s fie din ce n ce mai mare i nu doar un lux ci, doar o necesitate. Transportul pe ine de cale ferat a trebuit s evolueze i s in ritmul cu tendina general.

Unul din pionerii n materie de viteze mari a fost Jean Bertin, un inginer francez specializat n motoare de avioane, care i-a imaginat c viitorul transportului va fi aero-trenul. Ghidat pe o monoin de beton, prototipul sau a rmas doar n faza de testare, guvernul francez neartndu-se ncreztor n proiect i neriscnd s investeasc n infrastructur. Asta n condiiile n care trenul un turbo a atins, n 1967, 344 km/h. Simultan s-a ncercat creterea vitezei garniturilor pe liniile deja existente prin folosirea motoarelor turbo-gaz (la acea vreme acest tip de energie fiind ieftin), inta propus fiind de 180 200 de km/h.

De cealalt parte a globului, Japonia a fost printre primele ri care au intuit problemele care vor aprea cu mainile. Cu multe orae mari i o densitate mare de locuitori, japonezii au cutat i au aplicat rapid soluia trenurilor rapide.

n 1964, ntre Tokyo i Osaka, apare Shinkansen (noua linie principal). Trenul respectiv prezint un aspect lucios iar forma aerodinamic a cutiei seamn practic cu un glon, fiind cunoscut i ca Bullet Train. La nceput, viteza de croazier a acestui tren era doar de 217 km/h, ceea ce l fcea cel mai rapid tren din acele vremuri. Chiar i n timpurile noastre exist ri dezvoltate (inclusiv SUA) care nu au trenuri care s se deplaseze cu aceast vitez. n anii 60 conceptul de hight speed nu era cel de acum. Se poate spune c succesul bullet train-ului a mpins Europa s se intereseze n a face trenurile s mearg mai repede.

In Frana, SNCF (Liniile Ferate Franceze) au reuit construirea unui turbotren TGV (Tres Grand Vitesse, sau foarte mare vitez). Acesta a fost rodul unui vast program de cercetare privind traciunea, dinamica vehiculelor, frnare, aerodinamic i alte tehnologii. In martie 1970, TGV a fost inaugurat pe tronsonul Paris-Cherbourg. ncepnd cu criza combustibilului din 1974 s-au cutat soluii pentru operarea exclusiv electric. Primul TGV electric a circulat, n 1981, cu vitez mai mare de 270 km/h. Faimosul tren portocaliu a stabilit n acelai an i recordul de vitez al timpului de 370 km/h.

Un tren TGV poate circula cu pn la 320 km/h, datorit liniilor special concepute, cu raze de curbur mai mari, dar i echipamentului special: motoare electrice, sisteme de frnare puternice, centrul de greutate foarte jos, suspensii pneumatice, sistem de semnalizare aflat n cabin (conductorii trenului nu pot observa sistemele de semnalizare exterioare la viteze foarte mari).

n vremea anilor 80, Frana, Marea Britanie i Germania i-au dezvoltat propriile reele feroviare, care se dezvolt acum de-a lungul ntregii Europe. Shinkansen, Bullet Train din Japonia, a devenit un simbol tehnologic al Japoniei moderne. Viteza de deplasare uzual este de doar 300 km/h. Cu nume ca Lumina, Sperana sau Ciocrlia, aceste trenuri se npustesc de-a lungul rii ntr-o reea i arat mai degrab ca avioane supersonice, sunt confortabile i extrem de precise. Chiar dac fiecare tren cost mai mult de 40 de milioane de dolari, acest tip de transport este rentabil n Japonia, avnd n vedere numrul de locuitori. Fiecare linie are un nume: Tokaido, Tohoko etc. n cei peste 40 ani de la lansare, reeaua de trenuri japoneze de mare vitez a transportat mai mult de 6 miliarde de pasageri fr vreun accident major. O alt mndrie a reelei japoneze este frecvena foarte mare a trenurilor. De exemplu, cel puin 6 trenuri pe or ntre Tokyo i Osaka n timpul zilei. Trenurile Nozomi, adic Sperana, fac circa 2,5 ore ntre Tokyo i Osaka. Calea ferat este diferit de cea a trenurilor de mic vitez. Trenul poate fi comparat cu un avion. Scaunele sunt asemntoare, dar sunt mai joase i nu au centura de siguran. Trenul ruleaz ns att de lin, nct nici nu este nevoie de centur. Accelereaz pn la viteza de 100 km/h ntr-un timp scurt, dar pn la ieirea din ora viteza nu este foarte mare, nu datorit siguranei, ci datorit faptului ci sunt multe curbe, pn ajunge s mearg n linie dreapt. Nu se poate simi c trenul accelereaz, doar se sesizeaz creterea vitezei. Momentul este sesizabil numai dac i se d atenie. Zgomotul este redus datorit faptului c panourile din aluminiu din care este construit cabina au form de fagure. Pe linia Komodo, trenurile nu nconjoar munii, ci trec prin ei, printr-un sistem de tunele. Deplasarea este att de rapid, nct se sesizeaz doar o presiune asupra urechilor din pricina schimbrii rapide a presiunii aerului.

Noua generaie de trenuri, N 700, are un consum de energie mult mai redus dect predecesoarele. Aceasta este posibil datorit calitilor aerodinamice i a sistemului de basculare care permit s nu se mai piard vitez n curbe. Reducerea zgomotului n timpul rulrii cu viteze mari ale acestor trenuri a fost posibil i datorit implementrii unui sistem inovator de amortizoare antioc care pur i simplu fac cltoria mai lin i mai linitit.

Una dintre marile realizri nipone o constituie aanumitul bullet train, care este unul dintre cele mai confortabile, moderne, chipee i mai constante trenuri din lume. n timp, acest tren a devenit un mod de via n Japonia unde, cltoria a devenit la fel de important ca i destinaia. n Japonia trenul este cea mai bun opiune de cltorie.

Noul record mondial de vitez a fost stabilit de TGV-ul francez, avnd valoarea de 547,8 km/h, i este recordul de vitez pe linii convenionale, stabilit n 3 aprilie 2007. Tot n Frana exist o reea de linii pe care circul TGV-uri, cu viteze de circa 300 km/h, acestea fiind vitezele comerciale actuale.

De la primul tren portocaliu TGV Paris Sud-Est, inaugurat n 1981, reeaua s-a extins, astfel c n 1989, a aprut cenuiul TGV Atlantique, numit astfel, deoarece ofer serviciile TGV de-a lungul coastei Oceanului Atlantic, fiind i o legtur cu alte linii, cu ar fi AVE (un TGV al Spaniei). TGV Reseau nu se deosebete vizibil de TGV-ul Atlantique. Legnd Parisul de sudul rii, trece prin muni, iar cabinele pasagerilor sunt presurizate. Asta, pentru c, urcnd repede, i trecnd prin multe tunele, urechile pasagerilor pot fi afectate. Este primul tren din lume presurizat. Acest tren a fost inaugurat n 1993, iar din mai 1994, Eurostarul face legtura, prin tunelul de sub Canalul Mnecii, ntre Londra i capitalele Franei i Belgiei. n tunel viteza este de circa 125 km/h, iar o cltorie Londra Paris dureaz 3 ore. Acest tren ofer un confort i un farmec asigurat de puine alte trenuri din lume. Cltoria este linitit i lin, i chiar i la intrarea n tunelul lung de 38 km, iar deosebirea resimit este ntunericul.

Pe linia dintre Paris i Lyon s-a ajuns la un moment dat la punctul de saturaie, cnd trenurile circulau la interval de 3 minute. O soluie salvatoare a fost TGV Duplex, practic dou TGV-uri suprapuse. Acestea au o capacitate cu 45 % mai mare ca un tren obinuit, iar restul performanelor sunt nesemnificativ afectate. n 1996 TGV-ul Thalys face legtura Franei cu Belgia, Germania i Olanda.

La 28 noiembrie 2003, TGV a srbtorit primul miliard de cltori de la nceputurile sale, n 1981. Al doilea miliard este ateptat pentru 2010. Trenurile asemntoare TGV-ului circul i n alte ri, precum Coreea de Sud, sub marca KTX sau Spania AVE.

Trenurile de mare vitez sunt cel mai rapid mijloc de cltorie ntre oraele europene, pe distane de pn la 550 km. Tot mai multe persoane care cltoresc n interes de afaceri au ajuns s prefere trenurile, nu doar datorit vitezei de 320 km/h, ci i datorit altor avantaje, principalul fiind timpul scurt necesar pentru mbarcare, de doar 10 minute, n care este inclus i controlul de securitate. n cazul cltoriilor cu avionul pe distane scurte, zborul propriu-zis poate s reprezinte doar 20 de procente din durata total a cltoriei, restul timpului fiind mprit ntre controalele de securitate, ateptarea pe aeroport i mbarcarea, ceea ce pentru oamenii de afaceri nseamn timp mort.

Guillaume Pepy, preedintele Eurostar i directorul executiv al SNCF (cile ferate franceze), a ajuns la concluzia, dup o serie de cercetri, c persoanele care cltoresc n interes de afaceri sunt dispuse s cltoreasc pn la patru ore cu trenul de mare vitez, pentru c au o productivitate mai mare comparativ cu cea dintr-o cltorie cu avionul. Pentru alte cltorii dect cele de afaceri, pasagerii sunt dispui c mearg cu trenul pn la ase ore.

Dup modelul alianelor dintre liniile aeriene, cum ar fi Oneworld sau Star Alliance, Pepy a fost unul dintre promotorii constituirii Railteam, o alian ntre cei apte operatori de trenuri de mare vitez din Europa: Eurostar (Marea Britanie, Frana i Belgia), Deutsche Bahn (Germania), SNCF (Frana), NS Hispeed (Olanda), OBB (Austria), SBB (Elveia), SNCB (Belgia), crora li s-a adugat Thalys (un parteneriat ntre cile ferate franceze, germane i olandeze) i TGV Lyria, serviciu care leag Frana de Elveia.

Viteza medie a trenurilor a crescut n ultimii ani de la 300 km/h la 320 km/h, astfel nct durata cltoriilor s-a micorat cu o treime sau chiar la jumtate. Acum distana Paris Reims este acoperit n 45 minute n loc de 95 minute, iar o cltorie Paris Frankfurt dureaz trei ore i 50 minute, n loc de ase ore i 15 minute. Eurostar ofer trei clase de servicii respectiv Business Premier, cu mbarcare n 10 minute, acces n salon de ateptare cu toate facilitile, Select - cu timp de mbarcare 30 minute, dar aceleai servicii ca i Business Premier, i Standard cu timp de mbarcare de 30 minute, loc n genul celor de la clasa economic din avioane i vagon bar-bufet.

Un lucru este cert i anume c familia trenurilor de mare vitez are membri ntr-un numr tot mai mare de ri, iar viitorul i este foarte promitor. Timpul a dovedit c deplasarea ultrarapid pe cale ferat nu era doar o simpl utopie, cum nu era nici ambiia oarecum fantezist a unor temerari n cutarea de noi recorduri, ci o foarte necesar adaptare la cerinele vremii. Dincolo de faptul c a produs senzaie, aceast premier anticip, de fapt, drumul pe care avea s-l urmeze transportul feroviar.

1.2. Geometria cii de rulare

1.2.1. Consideraii generale

Construcia cii trebuie s asigure, prin rezistena i stabilitatea elementelor care o compun, sigurana ghidrii i calitatea de mers a vehiculelor la vitezele i tonajele stabilite. Elementele principale ale cii sunt infrastructura i suprastructura.

Infrastructura este compus din terasamentul cii creat fie prin umplutur de pmnt (rambleu), fie prin sparea i evacuarea pmntului (debleu). n seciune transversal se disting corpul terasamentului cu faa superioar nclinat spre exterior, pentru evacuarea apelor i stratul de repartiie aezat deasupra corpului terasamentului.

Faa superioar a stratului de repartiie, ntotdeauna orizontal, se numete platforma cii. Stratul de repartiie i primii 50 cm din corpul terasamentului constituie zona platformei cii.

Suprastructura cii, aezat deasupra platformei cii, cuprinde prisma cii n care este nglobat cadrul ine - traverse (fig. 1.1).

Fig. 1.1. Prisma cii pentru linie dubla n curb cu supranlare.

Cele dou ine din oel sunt aezate pe traverse confecionate din lemn, beton armat sau din oel. Traversele au rolul de a menine ecartamentul cii, nclinarea inelor i de a asigura stabilitatea i durabilitatea cii. Traversele sunt aezate pe un strat permeabil pentru aer i ap, alctuit din piatr spart, care constituie prisma cii sau patul de balast. Acesta face ca eforturile exercitate asupra cii, rezultate din interaciunea cu vehiculul, s se repartizeze n mod ct mai uniform n infrastructur i astfel s se ofere traverselor i, prin acestea, cii o rezisten suficient contra deplasrilor transversale i longitudinale. Totodat acest strat confer o elasticitate cii i un efect de amortizare a vibraiilor la trecerea materialului rulant.

Calitatea unei linii de cale ferat se apreciaz n funcie de caracteristicile geometrice, masice i regimul de vitez al vehiculului care circul pe linia respectiv.

Suprastructura cii este cea care intereseaz n mod deosebit n privina aspectelor legate de interaciunea vehicul - cale. La trecerea vehiculului asupra cii se produc solicitri statice i dinamice, iar imperfeciunile cii afecteaz calitatea de mers a vehiculului, stabilitatea i chiar sigurana ghidrii acestuia.

Vehiculul genereaz n cale eforturi longitudinale, verticale i transversale. Eforturile longitudinale, care se produc n general datorit acceleraiilor i frnrilor, sunt mai puin importante n comparaie cu cele produse de solicitrile dinamice verticale i transversale.

Pe direcie vertical, pe lng solicitrile statice i cvasistatice (n curbe), se produc importante solicitri ale elementelor suprastructurii cii datorit suprasarcinilor dinamice la contactul roat - in, acestea depinznd n principal de caracteristicile masice, elastice i de amortizare ale cii (efectul de amortizare este cauzat de frecrile dintre elementele structurale ale cii, n principal de frecarea dintre traverse i stratul de balast) i de cele ale vehiculului (o importan deosebit o are masa nesuspendat a vehiculului, a crei influen asupra mrimii suprasarcinilor crete o dat cu viteza de circulaie).

Rezistena cii la solicitrile verticale rmne, n general, n domeniul elastic, ceea ce simplific mult modelul matematic al fenomenelor. n studiile teoretice referitoare la comportarea dinamic a cii, suprastructura se descompune n elemente simple (mase, rigiditi, amortizri), dar astfel de modele servesc doar pentru o formulare matematic aproximativ, ntruct nu se ine seama de discontinuiti, neliniariti i complexitatea fenomenelor de frecare.

n procesul de ghidare al vehiculului apar fore care solicit calea pe direcie transversal. Solicitri importante n planul cii se produc datorit micrii de erpuire a vehiculului (cu valori maxime la viteza critic, atunci cnd micarea devine instabil), datorit insuficienei sau excesului de supranlare n curbe, precum i datorit efectelor dinamice la circulaia n curbe cu coturi (continue sau discontinue).

Rezistena opus de cale solicitrilor transversale depete rapid domeniul elastic, dup care calea se deformeaz neelastic i conserv deplasri reziduale importante atunci cnd forele depesc o anumit limit. Rezistena transversal a cii limiteaz viteza maxim de circulaie pentru a se asigura sigurana ghidrii vehiculului.

O dimensiune fundamental, care din punct de vedere tehnic asigur ghidarea vehiculului n cale, este ecartamentul cii. Geometric, ecartamentul reprezint distana E dintre flancurile interioare ale inelor msurate ntre dou puncte situate la o cot h sub nivelul cii, adic sub planul tangent la suprafeele de rulare ale celor dou ine (fig. 1.2).

Fig. 1.2 Definiia geometric a ecartamentului cii.

Ecartamentul normal al cii este E = 1435 mm. Majoritatea rilor au ecartamentul normal, acesta provenind de la primele linii de cale ferat din Anglia.

n rile din Europa, pe lng ecartamentul normal, mai exist linii de cale ferat cu urmtoarele ecartamente:

- ecartament larg, folosit la cile ferate din rile care au fcut parte din URSS, de 1524 mm, iar n Spania i Portugalia de 1670 mm;

- ecartament ngust, folosit pentru scopuri industriale i pentru regiuni cu relief foarte accidentat i cu trafic mai redus; la CFR aceste ecartamente sunt de 1000 mm i de 760 mm.

Ecartamentul normal i ecartamentele largi se msoar la h = 14 mm iar cele nguste la h = 10 mm.

Ecartamentul, din motive tehnologice de execuie, nu se poate realiza ca o distan riguros exact, valorile precizate anterior reprezentnd ecartamentele nominale ale cii. Uzarea inelor n timp duce Ia mrirea ecartamentului. De asemenea, s-a constatat c, n timpul exploatrii, dac inele sunt pe traverse din beton, se produce de regul o lrgire a ecartamentului, deoarece pretensionarea traverselor cu timpul cedeaz. La traversele din lemn, fenomenul este invers, adic se produce o micorare a ecartamentului o dat cu uscarea traverselor.

Abaterile admise de la valoarea nominal difer de la o ar la alta. Aceste abateri se ncadreaz ntre limitele: inferioar - condiionat de evitarea nepenirii osiilor montate ntre flancurile interioare ale inelor, respectiv superioar - de evitare a cderii roilor ntre cele dou ine.

n curbe, calea este supralrgit, aceast msur fiind necesar pentru a permite aezarea geometric a vehiculelor cu mai mult de dou osii. Avantajos este ca supralrgirea s fie ct mai mic, deoarece supralrgirile mari duc la creterea forelor de ghidare.

La CFR, ecartamentul nominal n curbe cu raze mai mici sau egale cu 350 m se stabilete n funcie de mrimea razei R prin sporirea valorii de 1435 mm, respectiv a valorii de 1433 mm, la construcii i refacii de linii cu material nou, cu o valoare a supralrgirii S care este:

S = 25 mm, pentru R = (100...150) m;

S = 20 mm, pentru R = (151...250) m;

S = 10 mm, pentru R = (251...350) m.

Toleranele la ecartament sunt:

- mm fa de (1433 + S) mm la construcii i refacii de linii cu material nou; - mm fa de (1435 + S) mm la construcii i refacii de linii cu material semibun, precum i la reparaii radicale i la reparaii periodice.

La liniile n exploatare, toleranele la ecartament, fa de (1435 + S) mm, reglementate n funcie de viteza V de circulaie, sunt:

- pentru V > 120 km/h, mm;

- pentru V 120 km/h, mm.Att toleranele, ct i supralrgirile n curbe se prevd asftel ca ecartamentul cii s nu fie mai mic de 1432 mm i mai mare de 1470 mm.

Supralrgirea se d pe lungimea ntregii curbe circulare i se realizeaz prin deplasarea firului interior al cii. Trecerea de la linia supralrgit la linia cu ecartament normal, adic pierderea supralrgirii, se face pe o anumit lungime i dup anumite legi de variaie prevzute n reglementrile cilor ferate.

n aliniamente, suprafeele de rulare ale celor dou ine ale cii se gsesc la acelai nivel n profil transversal. n curbe, de regul, firul exterior al cii este aezat la nivel mai ridicat fa de firul interior cu valoarea supranlrii. Introducerea supranlrii urmrete reducerea efectului acceleraiei centrifuge att asupra confortului i a siguranei circulaiei, ct i asupra uzurilor, a solicitrilor materialului rulant i a suprastructurii cii.

La CFR, supranlarea maxim prescris este de 150 mm, iar cea minim este de 15 mm.

Elemente constructive, dimensiuni i tolerane specifice curbelor de cale ferat (supranlarea, rampa supranlrii, curbele de racordare) la CFR sunt reglementate n lucrarea [55].1.2.2. Elementele componente ale suprastructurii ciiinele de cale ferat. inele trebuie s ofere roilor n mers o suprafa de rulare ct se poate de neted i nentrerupt, s asigure ghidarea lateral necesar i o bun calitate de rulare vehiculelor.

Profilul inei este dat de conturul seciunii sale ntr-un plan vertical, normal la axa cii. nc de la nceput s-a impus seciunea transversal asemntoare grinzii cu profil n dublu T. S-a generalizat tipul de in cu talpa lat, denumit ina Vignoles, care de fapt a fost introdus n anul 1832 de americanul Stevens.

Partea superioar a inei se numete ciuperc, cea inferioar talp, iar legtura dintre acestea poart numele de inima inei. Profilul inei este astfel conceput nct, pe lng condiiile de asigurare a unei rulri corecte a vehiculului, s confere inei rigiditile necesare pe direcie vertical i transversal, s asigure stabilitatea contra rsturnrii inei sub efectul forelor transversale, iar presiunea exercitat prin talp asupra plcii de reazem i a traversei s nu fie prea mare. De asemenea, din considerente legate de tehnica laminrii i pentru o distribuire favorabil a eforturilor interioare, racordrile trebuie realizate cu raze ct mai mari.

Suprafaa de rulare a inei (suprafaa superioar a ciupercii) trebuie s fie suficient de lat, astfel nct contactul dintre roat i in s fie ct mai favorabil iar presiunile de contact ct mai mici. Ciuperca inei trebuie s fie suficient de nalt nct s existe o rezerv suficient pentru uzare i astfel s se asigure inei o durabilitate ct mai mare n serviciu.

Uzarea inelor este o consecin a interaciunii vehicul - cale, depinznd n principal de forma profilelor de rulare, de mrimea vitezelor de alunecare i a forelor tangeniale n punctele de contact roat - in. Uzura vertical uv se definete ca distanta msurat pe axa de simetrie a inei ntre suprafaa inei noi i a celei uzate (fig. 1.3), iar uzura lateral ul ca distana dintre faa interioar a inei noi i a celei uzate, msurat la 14 mm de vrful ciupercii inei.Uzurile verticale i laterale maxim admise sunt reglementate funcie de tipul inei, categoria liniei i viteza maxim de circulaie [55]. De asemenea nlimea uzurii laterale H nu trebuie s depeasc limita Hlim care corespunde punctului de nceput al racordrii flancului lateral cu umrul ciupercii, evitndu-se astfel contactul buzei roii cu plcua de asamblare (eclis) de la joant.

Cercetrile fcute asupra formei celei mai corespunztoare a suprafeei de rulare (profil de uzare) s-au bazat pe faptul c, n decursul timpului, se formeaz prin uzare, independent de forma iniial, un anumit contur al suprafeei de rulare, care trebuie considerat ca o form fireasc a acesteia. n fig. 1.4 se reprezint profilul suprafeei de rulare a inei ntr-un sistem de coordonate cu originea n vrful ciupercii i axa vertical n planul vertical de simetrie al inei. Razele de curbur care determin profilul suprafeei de rulare i al racordrii acesteia cu flancurile inei se noteaz cu 1, 2, 3 iar punctele limit ale profilului cu S1, S2, S3 (de sfrit al curburii respective). Coordonatele acestor puncte sunt diferite n funcie de tipul inei, caracterizat prin masa pe metru liniar, dup cum se vede n tabelul 1.1. ina UIC 60, folosit pe liniile magistrale i care se regsete n majoritatea rilor europene, are forma i dimensiunile prezentate n fig. 1.5.

Cu ct este mai mare masa pe metru liniar, cu att ina va avea un modul de rezisten al seciunii transversale i o rezisten la ncovoiere mai mare. Aceasta duce la o repartizare mai uniform, la traverse, a solicitrilor provenite de la roile vehiculului i deci la reducerea deformrii stratului de balast, precum i a cheltuielilor de ntreinere a cii.

Tabelul 1.1. Coordonatele punctelor limit ale diferitelor tipuri de ine

inaGOST R-65UIC-60UIC-54UIC-49UIC-40

Puncte

limit[mm][mm][mm][mm][mm][mm][mm][mm][mm][mm]

S11030010,53009,53009,530024,8250

S226,680268025,98023,180328

S336,4133613351333,413--

Fig. 1.5. ina UIC 60:masa teoretic pe metru liniar, 60,34 kg/m; aria seciunii transversale, 76,86 cm2; momentul de inerie n raport cu axa neutr x x, 3055 cm4; momentul de inerie n raport cu axa vertical y y, 512,9 cm4.Alegerea tipului inei, grele (cu masa peste 35 kg/m) sau uoare, se face n funcie de intensitatea traficului. Pe liniile magistrale se ntlnesc ine de tip greu.

Lungimea normal a cupoanelor de in depinde de tipul acestora. La executarea curbelor se folosesc, pe firul interior al cii, ine scurte, a cror lungime depinde de raza curbei i de lungimile normale ale inei.

La construcia unei ci ferate, cu ine de o anumit lungime, se las ntre capetele a dou ine care se succed rosturi de dilataie. Mrimea rosturilor normale de dilataie depinde de lungimea cuponului de in, de sistemul de prindere al inei pe traverse i de temperatura din in.

Legtura dintre dou ine consecutive se realizeaz prin joante, care trebuie s asigure posibilitatea dilatrii inelor datorit variaiei de temperatur. Deoarece modulul de rezisten al inei nu poate fi acoperit complet prin seciunile plcuelor de asamblare, joanta reprezint o discontinuitate i un loc slab al cii.

La trecerea roilor peste rosturile de dilataie se produc fore suplimentare de oc, care provoac, n apropierea joantelor, uzuri accentuate i ncovoieri verticale ale inelor, ca i tasarea rapid a cii. Pentru a se asigura o calitate de mers mbuntit vehiculelor, tendina actual este de a se elimina joantele prin sudarea inelor. inele se fixeaz pe traverse prin diferite sisteme de prindere, realizate ntr-o mare varietate constructiv. Sistemul de prindere depinde de tipul de in i de felul traverselor la care se aplic, de mrimea traficului anual, de raza de curbei,... Avndu-se n vedere exigenele sporite privind calitatea cii, diversele sisteme care asigur prinderea elastic a inelor devin tot mai rspndite. inele, n general, sunt aezate cu o anumit nclinare spre interiorul cii, care este necesar pentru a se evita rsturnarea acesteia sub efectele forelor transversale de ghidare. La CFR, nclinarea inelor, msurat fa de o rigl aezat pe feele superioare ale ciupercilor ambelor ine, trebuie s fie de 1:20. Pentru asigurarea ghidrii vehiculului n curbele cu raza sub 150 m i n curbele cu raza de (151...300) m cu supranlri mari se utilizeaz contraine [55]. Acestea se monteaz n interiorul cii, lng firul interior, lsndu-se ntre feele laterale vecine ale ciupercilor inei i contrainei un interterval de (45 + S) mm cu toleran de 5 mm, unde S este supralrgirea cii n curbe. Se prevede ca contraina s aib faa superioar la acelai nivel sau cel mult cu 30 mm mai sus dect ina lng care se afl.

Traversele. Traversele cii ferate trebuie s fie rezistente pentru a suporta forele transmise de ine, s fie elastice pentru a prelua elastic solicitrile dinamice i totodat s fie ct mai uoare, pentru a reduce masa care particip la ocurile i vibraiile produse n timpul rulrii vehiculului i deci pentru a micora forele dinamice de interaciune dintre roi i ine.

Traversele confecionate din lemn au masa mai mic i sunt mai elastice n comparaie cu traversele din beton. Traversa din lemn este deseori apreciat pentru elasticitatea ei mare i pentru circulaia lin a materialului rulant. Dar, modulul de elasticitate mai mic al lemnului nu se poate manifesta perceptibil n comparaie cu capacitatea mult mai mare de cedare a infrastructurii n cazul folosirii acestui tip de travers. De asemenea, prin msurrile efectuate, nu s-a constatat o rulare mai lin comparabil cu alte tipuri de traverse, ci doar o capacitate mai ridicat de izolare fonic. Traversele din lemn, n urma putrezirii progresive i a distrugerii mecanice prin exploatare, duc la nrutirea succesiv a meninerii ecartamentului i a strii generale a cii, i deci la cheltuieli mari pentru ntreinere.

Traversele din beton armat precomprimat au masa mai mare dect cele din lemn, dar reprezint un avantaj din punct de vedere al tehnicii suprastructurii cii, prezint siguran mai mare contra erpuirii cii, meninerea bun i durabil a ecartamentului cii iar, comparativ cu traversele din lemn, au o durat mult mai mare n serviciu. Elasticitatea mai mic a acestor traverse se compenseaz prin adoptarea unor sisteme corespunztoare (elastice) de prindere a inelor. Datorit greutii mari, operaiile de nlocuire sunt mai dificile iar confecionarea unor forme i lungimi speciale este costisitoare, motiv pentru care traversele din beton nu se folosesc, n general, la schimbtoarele de cale.

Traversele din oel, executate prin laminare i presare, ofer avantajul realizrii uoare a unor lungimi mari pentru schimbtoarele de cale, asigur meninerea durabil a ecartamentului cii, au rezisten mare n patul de balast contra deplasrilor longitudinale i transversale ale cii i ofer posibilitatea recondiionrii prin sudare. Ca dezavantaje se menioneaz cheltuielile de montaj i ntreinere mai ridicate, sensibilitatea la influenele chimice din mediu, rulajul zgomotos al vehiculelor, costul ridicat.

Aezarea traverselor se face la o anumit distan, care este dependent de lungimea inei, de sarcina maxim admisibil pe osie a vehiculelor care circul pe linia respectiv i diferit n aliniament fa de curbe. La calea fr joante, n linie curent, traversele sunt aezate la o distan de circa 60 cm.

Schimbtoare de cale i traversri. Acestea sunt instalaii fixe ale cii ferate care fac parte din categoria aparatelor de cale. Schimbtoarele de cale permit ramificarea liniilor iar traversrile permit traversarea la nivel a liniilor. Traversrile i schimbtoarele de cale pot fi unite ntre ele n aa-numitele traversri cu jonciuni. Prin construcia lor, aceste aparate de cale trebuie s asigure att o calitate corespunztoare a rulrii, ct i sigurana ghidrii vehiculului.

Un schimbtor de cale simplu (fig. 1.6) se compune din urmtoarele pri principale: macazul, care are n compunere dou contraace (1) i dou ace (2), dintre care unul este lipit de contraac, fcnd astfel posibil schimbarea direciei de mers a vehiculului; fixtorul de macaz i aparatul de manevr (3); inima simpl de ncruciare, compus din inima propriu-zis (4) i aripile aferente (5), care au rolul de a prelua sarcina roii n apropierea vrfului inimii, unde aceasta nu are capacitatea portant necesar; inele intermediare de legtur (6); contrainele (7), care au rolul de a asigura o bun ghidare a osiei vehiculului n zona inimii.

Fig. 1.6. Schimbtor de cale simplu.Legtura vrfului de ac cu contraacul i forma geometric a suprafeelor de ghidare a acestor elemente este esenial pentru sigurana circulaiei vehiculului. Totodat elementele macazului sunt astfel concepute nct s fie diminuate forele dinamice transversale de interaciune cu roata atacant, cauzate de schimbarea direciei de micare [1].Pentru ca roile s ruleze lin n zona inimii, aripile sunt supranlate i vrful inimii este cobort fa de nivelul superior al ciupercii inei, iar pentru mbuntirea ghidrii vehiculului contraina este supranlat.

La traversri, inele se ntretaie n patru locuri, formnd aa-numitul romb de ncruciare. O traversare simpl (fig. 1.7) are, la cele dou capete A i R, cte o inim simpl cu aripile aferente (1), iar la mijloc, n C i D, cte o inim dubl cu ina cot (2) i contraina (3).

La traversrile cu jonciune simpl (fig. 1.8), pe lng elementele menionate la traversrile simple, exist n plus dou macazuri, iar la cele cu jonciune dubl (fig. 1.9) - patru macazuri.

Fig. 1.7. Traversare simpl.

Fig. 1.8. Traversare cu jonciune simpl cu acele n interiorul rombului.

Fig. 1.9. Traversare cu jonciune dubl cu acele n interiorul rombului.1.3. Elemente constructive si geometrice ale osiilor montate1.3.1. Construcia osiei montatePrincipalul element care asigur ghidarea vehiculelor pe cele dou ine ale cii este osia montat, care se compune dintr-o pereche de roi confecionate din oel laminat sau forjat, uneori din oel turnat (ca la roile cu spie ale locomotivelor), calate prin presare la rece pe o osie prelucrat prin strunjire din oel forjat (fig. 1.10). Dac vehiculul este echipat cu frn disc, pe corpul osiei se caleaz discul de frn iar vehiculele motoare se caleaz roata dinat de antrenare a osiei.

Fig 1.10. Osie montat standard pentru vagoane de cltori (fia UIC 515).La proiectarea osiilor montate se au in vedere: sigurana circulaiei i asigurarea confortului cltorilor; reducerea greutii i o suficient elasticitate pentru micorarea ct mai mult a sarcinilor dinamice i a ocurilor care se produc ntre roat i in n timpul rulrii; reducerea diametrului roii pentru a mri volumul de ncrcare al vagoanelor; unificarea i standardizarea pentru a mri volumul de ncrcare al vagoanelor unificarea i standardizarea pentru a se asigura interschimbabilitatea roilor i osiilor i a reduce cheltuielile de fabricaie i exploatare.

Dup construcie, roile pot fi din dou buci roi cu bandaje sau dintr-o singur bucat roi monobloc. Roata cu bandaj se compune dintr-o parte central corpul roii executat dintr-un material mai elastic i bandajul dintr-un oel superior mai dur, rezistent la uzare. Bandajul se freteaz la cald pe periferia corpului roii n mod continuu i se asigur cu ajutorul unui cerc agraf (inel de siguran). Corpul roii prezint o zon ondulat (diafragma) care confer acesteia o mai bun elasticitate. Roata monobloc prezint o serie de avantaje fa de roata cu bandaj: la viteze ridicate se evit efectele periculoase ale forelor de interaciune roat - in asupra bandajului; dispar solicitrile permanente datorit strngerii bandajului; corpul roii va avea o seciune mai redus i, prin urmare, roata va avea o greutate mai mic; dispare operaia bandajrii. Atunci cnd, prin strunjiri repetate, se ajunge la grosimea minim admisibil a coroanei roii monobloc este necesar nlocuirea ntregii roi, dar cheltuielile sunt mult mai mici comparabil cu cele necesare pentru operaiile care le implic roata cu bandaj dup acelai rulaj.

Exist i alte tipuri de roi, ca de exemplu roile elastice utilizate la vehiculele uoare (n general, la vehiculele pentru transport urban), care au elemente de cauciuc plasate ntre corpul roii i bandaj.

Toate construciile de osii montate care sunt n exploatare curent au ns particularitatea c roile nu se pot roti independent una fa de alta sau fa de osie, ca la alte vehicule terestre, ci ntregul sistem se rotete n jurul axei osiei. Calarea fix a roilor pe osie dateaz nc de la nceputul existenei cilor ferate, din jumtatea secolului trecut, acest mod de construcie fiind impus de forele mari axiale care apar n procesul de ghidare. n ultimul timp ns au existat ncercri pentru a se realiza roi independente (fa de osie), dar o astfel de construcie s-a dovedit a fi nesigur, mai costisitoare i mai puin fiabil.

Pe periferie, roile de cale ferat sunt prevzute cu o buz, care asigur ghidarea vehiculului n interiorul celor dou fire ale cii, i cu o suprafa de rulare care se rostogolete pe cale. Prin aezarea buzelor de ghidare n interiorul celor dou fire ale cii s-a obinut o mai bun siguran a ghidrii (dect n situaia cnd ghidarea s-ar fi fcut pe flancurile exterioare ale inelor). Prin aceast concepie a osiei montate a fost posibil, ca n sistemul convenional roat in, s se obin astzi viteze care depesc 500 km/h.

Osia montat, compus din cele dou roi calate pe osie, formeaz de fapt un corp de revoluie. Axa principal de revoluie a acestui corp este tocmai axa geometric a osiei. Ca la orice corp de revoluie, toate planele care trec prin axa de revoluie a osiei se numesc plane meridiane, iar cele perpendiculare pe aceast ax poart numele de plane paralele.

1.3.2. Forma profilului de rulare. Dimensiuni i tolerane

convenionale la osiile montate

Profilul de rulare al unei roi este dat de conturul periferiei sale ntr-un plan meridian al osiei montate. Profilul este realizat printr-o asamblare de mai multe suprafee conice i toroidale, dup cum se poate vedea n fig. 1.11.

Forma profilului de rulare a format, n decursul existenei cilor ferate, obiectul unor continue studii i ncercri pentru a se realiza o ct mai mare siguran a ghidrii, o uzare ct mai redus a roilor i inelor, precum i o calitate ct mai bun a rulrii.

O importan deosebit pentru ndeplinirea acestor cerine o are suprafaa de rulare i nclinarea flancului exterior activ al buzei (unghiul de flanc), adic unghiul a pe care aceast suprafa l face cu axa de revoluie a osiei.

Fig. 1.11. Forma general a unui profil de rulare:

1 faa interioar a profilului; 2 flancul interior al buzei; 3 vrful buzei; 4 torul de vrf al buzei;

5 flancul exterior al buzei; 6 torul de gt al buzei; 7 suprafaa de rulare; 8 suprafaa exterioar

de rulare; 9 teitura exterioar a profilului; 10 faa exterioar a profilului.

nclinarea suprafeei de rulare nu este aceeai pe toat limea, ea fiind mai mare pe poriunea exterioar, pentru a se asigura o trecere mai bun a roii peste aparatele de cale. Forma suprafeei de rulare este important n ceea ce privete uzarea i realizarea centrajului osiei n timpul mersului. Concepia geometric a profilului buzei i limitele