Postęp w budowie lokomotyw elektrycznych na przykładzie porównania lokomotyw EU07 i Bombardier TRAXX

Międzymiastowy pasażerski ruch kolejowy w Polsce jest współcześnie obsługiwany w większości przez składy wagonowe prowadzone przez lokomotywy elektryczne. Zadanie to należy do spółki PKP Intercity, która posiada 442 pojazdy trakcyjne, z czego 302 to lokomotywy serii EU07 i EP07 (stan na 13.02.2012). Lokomotywy EU07 były produkowane jako rozwinięcie licencyjnej lokomotywy EU06, którą PKP zakupiły od English Electric w połowie lat 60. Pojazd w formie zbliżonej do oryginału produkowano do 1992 roku, stąd też w dniu dzisiejszym większość taboru głównego przewoźnika pasażerskiego reprezentuje poziom techniki sprzed 50 lat.

Lokomotywa EU07 produkowana była początkowo we Wrocławiu przez zakłady PAFAWAG, a następnie w Poznaniu przez HCP. Pojazdy różniły się konstrukcją nadwozia, a zewnętrznie produkty drugiego zakładu – HCP – odróżnić można było po numeracji powyżej 300 oraz po ryflowanej karoserii. Lokomotywę opracowano jako uniwersalną, do wykorzystania w ruchu pasażerskim przy prowadzenia pociągów o maksymalnej masie 650 t z prędkością maksymalną 125 km/h, bądź w ruchu towarowym składów o masie 2000 t z prędkością 70 km/h. Przy masie obciążonego wagonu pasażerskiego około 45 ton oznaczało to 14-wagonowy skład pasażerski lub 25-31 wagonowy skład towarowy, w zależności od dopuszczalnego nacisku na oś na danej linii kolejowej. Masa samej lokomotywy wyniosła 80 ton przy całkowitej długości 15 915 mm, a moc godzinna –2 080 kW. Maksymalna siła pociągowa to 280 kN.

Podczas gdy w Polsce, typowo dla gospodarki socjalistycznej, prowadzono przez kilkadziesiąt lat produkcję jednego podstawowego typu lokomotywy pasażerskiej bez wprowadzania większych modyfikacji, w państwach kapitalistycznych wprowadzono cały szereg nowych serii lokomotyw o coraz lepszych osiągach i coraz większej prędkości maksymalnej. W rezultacie, o ile prędkość maksymalna i moc lokomotywy EU07 były adekwatne do poziomu technicznego polskiej sieci kolejowej lat 60., która w dużej części nie była jeszcze zelektryfikowana, to z kolejnymi dziesięcioleciami maksymalne parametry lokomotywy stawały się coraz większymi ograniczeniami.

W międzyczasie, kolejne generacje lokomotyw państw zachodnich posiadały coraz lepsze parametry. Dążenia do integracji europejskiej doprowadzały stopniowo do wprowadzenia pojazdów interoperacyjnych, mogących funkcjonować w różnych zarządach kolejowych i odmiennych systemach zasilania. Ze względu na różnorodność wymogów przewoźników, różne rodzaje trakcji i odmienność układów zasilania, na przełomie wieków wprowadzono platformy konstrukcyjne lokomotyw o budowie modułowej. Tym samym, jedna konstrukcja może być wykorzystana do wszystkich zastosowań, po wprowadzeniu modyfikacji w wyposażeniu. Stosowanie takiej ujednoliconej konstrukcji pozwoliło na zmniejszenie kosztów po stronie producenta. Przykładem platformy lokomotyw jest Bombardier TRAXX. Właśnie takie lokomotywy były pierwszymi w Polsce pojazdami wielosystemowymi nowej generacji, kiedy w 2007 roku PKP Cargo pozyskało od Angel Trains nowe lokomotywy. Pierwsze pojazdy tej generacji dostarczono natomiast do PKP Intercity w roku 2009 i były to Siemens Eurosprinter.

Porównanie konstrukcji lokomotyw EU07 i Bombardier TRAXX może dobrze zilustrować postęp w budowie lokomotyw elektrycznych. Lokomotywa EU07 posadowiona jest na dwuosiowych wózkach. Wózki wykonano jako konstrukcję stalową z dwóch podłużnic połączonych 2 poprzecznicami i 2 czołownicami. W mocowaniu elementów zastosowano liczne połączenia stalowo-gumowe. Masa wózka wynosi 21 650 kg. Nominalna średnica kół to 1 250 mm, a rozstaw osi w wózku –3 050 mm. Wykorzystano hamulce klockowe sterowane pneumatycznie. Silnik całkowicie odsprężynowano, mocując go do ramy wózka. Napęd przenoszony jest przez czołową przekładnię zębatą, wał drążony i sprzęgła przegubowo-cięgłowe. Zestaw kołowy zamocowano na cięgłach i resorach. Silniki trakcyjne lokomotywy EU07 posiadają oznaczenie EE 541. Są to szeregowe silniki prądu stałego. Wykonano je na napięcie znamionowe 1500 V i moc godzinną 520 kW. Zastosowano wymuszoną wentylację poprzez wentylatory. Stopień wentylacji uzależniony jest od natężenia prądu w silnikach. Zastosowano samoczynny rozruch oporowy z dużą liczbą stopni rozruchu oraz przełączaniem silników. Wyposażenie elektryczne, przekaźniki, wentylatory, styczniki obwodu głównego i aparaturę pomocniczą zabudowano w szafach we wnętrzu lokomotywy. Na dachu lokomotywy poza 2 pantografami zabudowano kominki wylotu powietrza oraz odgromnik.

Bombardier stale doskonalił swoje konstrukcje lokomotyw. Pod koniec XX wieku w układzie rozruchowym lokomotywy zastosowno tranzystory bipolarne IGBT w miejsce dotychczasowych tyrystorów GTO. Modułową platformę lokomotyw TRAXX wprowadzono w 2003 roku. Lokomotywy te produkowane są w Niemczech, w Kassel. Pojazdy posiadają jednakowe nadwozie, w którym mogą być zabudowane wszystkie możliwe napędy i układy zasilania –jednosystemowe, wielosystemowe, elektryczne i spalinowe. Podstawowe wersje to AC (na prąd zmienny, 15 kV i 25 kV), MS (wielosystemowa, prąd zmienny i stały, napięcia 15 kV, 25 kV oraz 1,5 kV i 3 kV), DC (prąd stały 1,5 kV i 3,0 kV) oaz DE (spalinowo-elektryczna). Podstawowe rozwiązania techniczne są jednakowe dla wszystkich wersji. Lokomotywa może pracować w ruchu pasażerskim z prędkością maksymalną 140, 160 lub 200 km/h, bądź w ruchu towarowym z prędkością maksymalną 120 km/h. Masa samej lokomotywy to 83-87 t przy całkowitej długości 18 900 mm. Moc maksymalna lokomotywy to 5 600 kW dla wersji elektrycznej. Maksymalna siła pociągowa to 300 kN.

W lokomotywach TRAXX stosowane są wózki FLEXX Power 140 lub 200. Masa wózka wynosi 16 t. Zamontowano w nim silniki asynchroniczne o mocy 1 400 kW każdy. Mechanizm prowadzenia zestawów kołowych i odsprężynowania I stopnia nie wymaga serwisowania. Zestaw kołowy wyposażony jest w koła monoblokowe o średnicy 1250 mm. Rozstaw osi kół w wózku jest mniejszy niż w EU07 i wynosi 2 600 mm, co zmniejsza zużycie kół w trakcie jazdy po łukach. Silnik dla prędkości 140 km/h zawieszony jest częściowo na osi, a dla 160 i 200 km/h –do konstrukcji wózka. Zastosowano hamulce tarczowe. Silniki serii Bombardier MITRAC 3000 to asynchroniczne, trójfazowe jednostki o mocy maksymalnej 1428 kW. W specjalnych modułach we wnętrzu zabudowano 2 przekształtniki –po jednym dla wózka, niezbędne do zamiany prądu stałego z sieci na zmienny trójfazowy, zasilający silniki. W wersjach wielosystemowych we wnętrzu zabudowano dodatkowe moduły i transformator. Lokomotywa wyposażona jest w elektroniczny układ przeciwpoślizgowy, piasecznice i system diagnostyczny.

W zakresie podstawowych parametrów technicznych, lokomotywa TRAXX jest więc dłuższa i tylko nieznacznie cięższa. Dodatkowo, moc jest dwukrotnie większa, a prędkość maksymalna osiąga wysoki próg 200 km/h. Wózek jest dużo lżejszy, a mimo to bardziej wytrzymały ze względu na zastosowanie materiałów konstrukcyjnych o lepszych parametrach. Zupełnie nieporównywalna jest interoperacyjność lokomotywy, która może prowadzić pociągi pasażerskie w państwach o odmiennych systemach bezpieczeństwa i zasilania, dając tym samym wymierne oszczędności czasowe przy podróżach z przekroczeniem granic. Odnośnie prędkości maksymalnej, na polskiej sieci kolejowej najlepsze parametry TRAXX’a wciąż pozostają niewykorzystane –prędkość 200 km/h w najbliższym osiągalna ma być dopiero w 2015 r. na CMK.

Nie mniej jednak do grupy linii, gdzie dostępna jest prędkość 160 km/h, nieosiągalna dla lokomotyw EU07, czyli linii E-20 (m. in. relacja Warszawa –Poznań), E-30 (Wrocław –Katowice) oraz CMK, dołączą niebawem modernizowana E-65 (Warszawa –Gdańsk) oraz Poznań –Wrocław. Tym samym, wzrośnie zapotrzebowanie na lokomotywy o dużej prędkości maksymalnej i obecna liczba EP09 i EU44 okaże się dalece niewystarczająca.

Lokomotywy TRAXX posiadają impulsowy układ rozruchu. Zapewnia to rozruch pozbawiony utraty energii w opornikach rozruchowych, jak ma to miejsce w lokomotywach starej generacji. Dodatkowo, TRAXX posiada trójfazowe silniki asynchroniczne, które cechują się wysoką sprawnością oraz nie wymagają obsługi ze względu na brak komutatora i szczotek węglowych, tak jak w silnikach szeregowych prądu stałego.

W rezultacie, TRAXX jest lokomotywą o wielokrotnie lepszych podstawowych parametrach –prędkości maksymalnej i mocy –przy zachowaniu zbliżonej masy. Lokomotywa posiada system rozruchu zapewniający płynną pracę, nie wytraca energii w elementach oporowych, a także nie wymusza szarpnięć na sprzęgu. Kabina maszynisty jest udoskonalona i bardziej ergonomiczna. Elementy wyposażenia są zabudowane w modułach i maksymalnie zintegrowane. Pojazd jednosystemowy można w razie potrzeb dostosować do innych systemów zasilania poprzez montaż dodatkowych modułów wyposażenia. Dodatkowo, na wyposażeniu lokomotywy znajduje się elektroniczny układ diagnozy. W rezultacie, współczesna lokomotywa klasy takiej jak Bombardier TRAXX daje przewoźnikowi kolejowemu nieporównywalnie więcej możliwości, zwiększając jego konkurencyjność.