Ozubnicová dráha

Ozubnicová dráha na vrchol La Rhune na západním konci Pyrenejí. Z obrázku je dobře patrná elektrifikace třífázovou soustavou a příkrý sklon trati.
Blenkinsopova ozubnicová lokomotiva s hřebenem umístěným netypicky vně koleje
Využití ozubnice na Panamském průplavu, kde nestačí běžná adheze

Ozubnicová dráha je železnice, která využívá k přenosu veškeré tažné síly nebo alespoň její části ozubená kola zabírající do ozubeného hřebene upevněného v ose koleje. První ozubnicová dráha byla postavena v USA roku 1858 a vedla na Mount Washington.[1]

Přenos tažné síly

Přenos tažné síly pomocí ozubení je znám od prvopočátku konstrukce lokomotiv. První funkční lokomotivu pro ozubnici navrhl John Blenkinsop r. 1812 pro doly v Middletonu. Důvodem nebylo příkré stoupání tratě, ale pouhá nedůvěra v možnost zajištění potřebné tažné síly lokomotivy pouze adhezí. Obdobný důvod využití ozubnice je i na Panamském průplavu.

Volba způsobu přenosu tažných, eventuálně brzdících sil je závislá na profilu tratě. Je-li celá trať ve velkém sklonu, bývá řešena jako ozubnicová v celé délce a vozidla nemusejí mít adhezní pohon. Smíšený přenos tažné síly (ozubnice i adheze) se používá spíše na tratích, kde je ozubnice osazena jen pro překonání úseků s velkým stoupáním / klesáním. Ozubnice se používá i v případech, kdy není sklon tratě významný, ale adhezní síla přenášená dvojkolím není dostačující k přenosu tažné síly, viz Panamský průplav (tažení lodi v plavebním kanálu).

  • Hnací vozidla pro dráhu, kde se používá hřeben v celé délce trati, mohou mít čistě ozubnicový pohon. V tomto případě jsou všechna dvojkolí běžná a ozubený hřeben nesmí být přerušený (např. zubačka Štrba – Štrbské Pleso ve Vysokých Tatrách).
  • Hnací vozidla na tratích, kde se používá hřeben pouze pro překonání velkých sklonů, mají pohon smíšený. Kromě ozubnice mají i hnací dvojkolí a ozubený hřeben nemusí být osazen v úsecích, kde k přenosu tažné síly postačuje adheze (např. dráha Tanvald–Kořenov).

Oba systémy mají své výhody i nevýhody – první zjednodušuje vozidla, druhý trať (není například třeba budovat náročné ozubnicové výhybky, není třeba budovat ozubnici na všech kolejích a v celé délce trati).

Druhy ozubnic

Princip ozubeného kola a ozubeného hřebene
Ozubnicové systémy: Riggenbach, Strub, Abt, Locher

Během vývoje železnic se vyvinulo a rozšířilo několik ozubnicových systémů:

Riggenbachova ozubnice

Riggenbachovu ozubnici tvoří dva U profily, mezi které jsou namontovány jednotlivé zuby. Švýcarský konstruktér Niklaus Riggenbach tuto ozubnici vytvořil roku 1866, současně nezávisle použil velmi podobný systém Sylvester Marsh v Americe, kde je znám jako systém Marsh. Pokud má Riggenbachova a Strubova ozubnice stejný modul ozubení, je možno tyto ozubnice kombinovat. Toho se využívá při řešení výhybek.

Strubova ozubnice

Strubova ozubnice je tvořena kolejnicí, v jejíž hlavě jsou vyfrézovány zuby. Vozidlo bylo opatřeno háky zasahujícími pod hlavu této kolejnice a bránícími vyšplhání kola na zuby. Tvůrcem je Emil Strub, švýcarský inženýr, konstruktér a vynálezce, který začínal v dílnách v Aarau pod vedením Niklause Riggenbacha. Roku 1896 vyhrál se svojí ozubnicí soutěž o nejlepší řešení dráhy na Jungfrau. Pokud má Riggenbachova a Strubova ozubnice stejný modul ozubení, je možno tyto ozubnice kombinovat. Toho se využívá při řešení výhybek.

Abtova ozubnice

Abtova ozubnice jednoduchá, dvojitá, trojitá. Jeden, dva nebo tři pásy ozubených lamel tvoří ozubnici. Vícelamelová ozubnice má výhodu v plynulejším záběru a zjednodušení výhybek – obejdou se bez pohyblivé ozubnice v oblasti jazyků a bez pohyblivých kolejnic ve střední části. V místě jazyků se hřebeny rozejdou do různých směrů, druhý hřeben se v dostatečné vzdálenosti připojí. Ve střední části se jednoduché hřebeny přimknou ke kolejnici, takže ozubené kolo překříží kolejnici tak, že záběr přejde plynule z jednoho ozubení na druhé. Autorem je Carl Roman Abt, švýcarský strojní inženýr, vynálezce a podnikatel, systém si nechal patentovat v roce 1882.

Locherova ozubnice

Pro dráhu na Pilatus (Pilatusbahn) vytvořil švýcarský inženýr, vynálezce a podnikatel v oboru stavby železnic Eduard Locher, Dr. h. c. ozubnici s oboustranným, vodorovně orientovaným hřebenem. Tento systém byl použit z důvodu zajištění bezpečnosti záběru ozubených kol na trati o výjimečném sklonu – až 480 ‰[1]. Jelikož u Locherova systému, na rozdíl od všech ostatních systémů, působí síly mezi ozubenými koly a hřebenem v rovině koleje a navíc výslednice silového působení se díky symetrii záběru nachází v ose ozubeného hřebene, nehrozí zde nebezpečí vyšplhání ozubeného kola ze záběru. Ozubená kola jsou pro zvýšení bezpečnosti ze spodní strany opatřena ocelovými disky, které uzamykají ozubené kolo v hřebeni proti vysmeknutí při bočním větru. Systém se dále nerozšířil, zejména z důvodu složitosti výhybek, které jsou realizovány jako přetáčecí, anebo jsou nahrazeny přesuvnami.

Výhybky a křížení

Riggenbachova ozubnice

Výhybky pro Riggenbachovu ozubnici je možno spatřit ve dvou provedeních:

  • S průběžným Riggenbachovým hřebenem (viz foto z Rigi Staffel).
  • S přerušeným hřebenem, kde je v části výhybky změněn na Strubův hřeben (viz foto z Wilderswilu), na fotografii je vidět, že Riggenbachův hřeben je ukončen na hranici výhybky. Konstrukce tohoto typu výhybky je odlišná. Ve střední části výhybky se nepřestavují části hřebene zároveň s kolejnicemi, ale kolejnice jsou pevné a hřeben je v místě křížení s kolejnicí podélně rozdělen nad hlavou kolejnice. V nepojížděném směru se části hřebene odklopí, aby umožnily průjezd kola. Konstrukci Riggenbachovy a Strubovy ozubnice je možno kombinovat, pokud ozubení mají stejný modul.

Pro přestavění jazyků výhybky a hřebene se používá přestavník s rozvětveným táhlem, kdy jedno táhlo ovládá jazyky kolejnic a druhé táhlo ovládá přestavení hřebenu na srdcovce.

Strubova ozubnice

Pro přestavění jazyků výhybky a hřebene se používá přestavník s rozvětveným táhlem, kdy jedno táhlo ovládá jazyky kolejnic a druhé táhlo ovládá přestavení hřebenu na srdcovce.
Pro řešení kolejového křížení se používá otočný hřeben, uložený ve středu křížení (viz foto z Grund Grindelwaldu).

Abtova ozubnice

Na kolejích Abtova dvouhřebenového systému v menším sklonu se užívá jednodušší typ výhybky, na níž v místě přerušení jednoho hřebenu je v záběru ozubené kolo na druhém hřebeni. Ve větším sklonu se používá výhybka, v níž při přestavení dochází k přesunu dílů tak, že dvojitý hřeben i kolejnice pro daný směr pokračují bez přerušení. Pro tyto výhybky se někdy používá označení Abtovy výhybky, které však častěji označuje výhybky pro pozemní lanové dráhy.

Výhybky jednoduššího provedení byly do roku 1996 i v Dolním Polubném na někdejší ozubnicové dráze Tanvald–Kořenov–Harrachov. Dvouhřebenové výhybky jsou například ve stanici Queralbs zubačky ve Vall de Núria ve španělských Pyrenejích.

Pro přestavení jazyků výhybky a hřebene se používá přestavník s rozvětveným táhlem, kdy jedno táhlo ovládá jazyky kolejnic a druhé táhlo ovládá přestavení hřebenu na srdcovce.

Locherova ozubnice

Vzhledem ke konstrukci ozubnice je technicky náročné konstruovat výhybky jako u ostatních výhybek pro ozubnici. Příkladem řešení výhybek pro Locherovu ozubnici je konstrukce „přetáčecí“ výhybky otočením okolo podélné osy se „vymění“ celý kus obloukové koleje (odbočka vlevo-vpravo), případně se pro přesun jednoho stroje používají přesuvny. Z principu funkce však umožňují průjezd soupravy pouze v jednom směru tratě.

Navedení ozubeného kola do ozubnice

Vzhledem k tomu, že ozubnici není nutno využívat na celé délce trati, ale pouze v úsecích s velkým stoupáním, vzniká problém, jakým způsobem zajistit navedení ozubeného kola do ozubnice při najíždění trakčního vozidla (resp. celého vlaku, jsou-li tažená vozidla vybavena ozubnicovou brzdou) na traťový úsek s ozubnicí. Při opuštění traťového úseku s ozubnicí není tato situace kritická, protože ozubené kolo volně „vyběhne“ z ozubnice.

Strubova ozubnice

Příklad volného náběhu Strubovy ozubnice ukazuje stav opotřebení náběhu ozubnice bez zajištění synchronního navedení ozubeného kola do hřebenu.

Abtova ozubnice

Automatizované navedení ozubeného kola do ozubnice
1 - traťový úsek bez ozubnice
2 - traťový úsek s ozubnicí
3 - náběžný můstek
4 - můstek s volně otočnými rolnami
5 - náběžný zvedací hřeben
6 - pneumatický píst zvedání hřebene
7 - přídržnice

Na obrázku vpravo je zobrazen mechanizmus navádění ozubeného kola do ozubnice ve Švýcarsku, na trati z Vispu do Zermattu, společnosti BVZ Zermatt-Bahn, kde je používán dvouřadý Abtův ozubnicový systém.

Zajímavosti

  • Na konci 19. století byl v Praze vypracován projekt ozubnicové tramvaje, která by projížděla Nerudovou ulicí na Malé Straně. Projekt ale nakonec nebyl realizován.

Odkazy

Reference

  1. a b Ing. Josef Kugler: Stavitelství železniční, Praha, 1924

Externí odkazy

Média použitá na této stránce

Zubacka tanvald.jpg
Autor: User:PetrS., Licence: CC BY-SA 3.0
T 426.0003 se blíží k nájezdu na ozubnici u Tanvaldu
Zahnradbahn riggenbach.jpg
Autor: Původně soubor načetl Softeis na projektu Wikipedie v jazyce němčina at Deutsches Museum. Later versions were uploaded by Enslin at de.wikipedia., Licence: CC-BY-SA-3.0
System Riggenbach.
Pilatus Rack.jpg
Autor: unknown, Licence: CC BY-SA 3.0
AbtRackRailwaySystem.jpg
Autor: Softeis in Deutschen Museum, Licence: CC-BY-SA-3.0
System Abt.
Pilatus transfer table.jpg
Autor: Audriusa, Licence: CC BY-SA 3.0
Transfer table of Pilatus Railway in Alpnachstad. The construction of the Locher-rack of this railway is specific and does not allow to install ordinary switches, so transfer tables are abundant.
CH Gleis Furka-Bergstrecke.jpg
Autor: Daniel Schwen, Licence: CC BY-SA 4.0
Transition from standard to Rack railway. Track of the Furka mountain pass steam railway near Gletsch, Switzerland.
Rack railway.jpg
Four kinds of rack, from left to right: Riggenbach, Strub, Abt, Locher.
Riggengach Vex3.JPG
Autor: Hapesoft, Licence: CC BY 3.0
vyhybka Riggenbach, Švýcarsko, Wilderswil
Strub Vex.JPG
Autor: Hapesoft, Licence: CC BY 3.0
vyhybka von Roll/Riggenbach
Rack and pinion animation.gif
Animation of a rack and pinion from the Machine Guarding eTool software
Abton Vex1.JPG
Autor: Hapesoft, Licence: CC BY 3.0
vyhybka Abtonova
Zahnradantrieb Freilassing P1250715.JPG
Autor: JuergenG, Licence: CC BY-SA 3.0
Electrical cog wheel gear, system Riggenbach in the Lokwelt Freilassing, Germany. Built 1928
Riggengach Vex1.JPG
Autor: Hapesoft, Licence: CC BY 3.0
vyhybka Riggenbach, Švýcarsko, Rigi Staffel
Pilatus2.jpg
(c) JuergenG, CC BY-SA 3.0
A rotary switch in operation at the summit station of the Pilatus Railway
La rhune.jpg
(c) PetrS., CC-BY-SA-3.0
Ozubnicová dráha La Rhune - Francie.
Abton Vex2.JPG
Autor: Hapesoft, Licence: CC BY 3.0
vyhybka Abtonova
Cremagliera catanzaro.JPG
Cremagliera di Catanzaro, all'entrata di Sala
Podvozek s ozubnici.jpg
Podvozek jednotky firmy Stadler pro Zugspitzbahn s Riggenbachovou ozubnicí - Innotrans Berlin.
Zahnradbahn Antrieb 01.jpg
Autor: Kuebi = Armin Kübelbeck, Licence: CC BY-SA 3.0
Rack track of Wengernalpbahn (system Riggenbach)
Zahnradbahn strub.jpg
(c) Softeis, CC-BY-SA-3.0
System Strub, Zahnkopfstange.
LocherRackSystem.jpg
Autor: Softeis in Deutschen Museum, Licence: CC BY-SA 3.0
System Locher.
Zahnradbahn Bonn.JPG
(c) A.Rhein, CC-BY-SA-3.0
Srdcovka ozubnice pro Riggengachovu ozubnici (možno i pro Strubovu)
Abton Up.jpg
Autor: HaPeSoft, Licence: CC BY 3.0
Entry into rack section of Abt type
MGB B4266 Zahnradbremse.jpg
Autor: Jindřich Běťák, Licence: CC BY-SA 4.0
Podvozek osobního vozu B 4266 dráhy Matterhorn Gotthard Bahn s kolem ozubnicové brzdy. Snímek pořízen ve stanici Oberalppass.
Panama Canal mule.jpg
(c) Stan Shebs, CC BY-SA 3.0
Panama Canal "mule". Mules are special locomotives used to move the ships through the locks, which they do via cables attached to the ship.
Ozubnicova vyhybka primo.jpg
Autor: User:PetrS., Licence: CC BY-SA 3.0
Ozubnicová dráha La Rhune - výhybka se Strubovým systémem v poloze přímo
Riggengach Vex4.JPG
Autor: Hapesoft, Licence: CC BY 3.0
vyhybka von Roll, Švýcarsko, Wilderswil
Riggengach Vex2.jpg
Autor: Hapesoft, Licence: CC BY 3.0
vyhybka Riggenbach,Švýcarsko, Rigi Staffel
Ozubnicova vyhybka do odbocky.jpg
Autor: User:PetrS., Licence: CC BY-SA 3.0
Ozubnicová dráha La Rhune - výhybka se Strubovým systémem v poloze do odbočky
Naped.kolei.zebatej.jpg
Tanvald-Korenov rack railway (Czech Republic): cog-wheel under locomotive with Abt rack system
Zahnstangeneinfahrt.jpg
Autor: Rolf-Dresden, Licence: CC BY-SA 3.0
railway Tanvald-Korenov, czech republic, beginning of gear rack