Młody Technik 6/1983, str. 6–21

Krzysztof Soida

Wąskotorowe drogi

Lokomotywy parowe

Pytając kogokolwiek, co wie na temat kolei wąskotorowej, dowiemy się, że to mała kolej, która nie ma praktycznie większego znaczenia i wykorzystywana jest często do celów turystycznych, na terenach wystawowych, w lasach do przewozu drewna, jako ciuchcia w hutach, kopalniach i cukrowniach. Jest to oczywiście prawda, lecz tylko częściowa. W Polsce kolej wąskotorowa to również regularne linie PKP, na których przewozi się pasażerów i towary. W niektórych innych krajach świata — to linie o podstawowym znaczeniu, będące kręgosłupem transportu szynowego danego państwa, jak np. w… Japonii. Tak więc obserwujemy na świecie jak gdyby dwa rodzaje transportu wąskotorowego, a mianowicie: koleje o znaczeniu podstawowym i o znaczeniu lokalnym, miejscowym.

Istnieje jeszcze inny podział transportu kolejowego w tym również wąskotorowego — na koleje użytku publicznego i nie publicznego. Zgodnie z Ustawą PRL o kolejach z 2 grudnia 1960 roku, kolejami użytku publicznego są takie koleje, z których usług korzystać mogą wszyscy obywatele i wszystkie organizacje gospodarcze i społeczne. W Polsce takimi kolejami są PKP.

Koleje użytku niepublicznego należą do zakładów przemysłowych lub innych organizacji gospodarczych i służą wyłącznie do przewozu ładunków własnych tych instytucji. Są to więc koleje przemysłowe, piaskowe, portowe, kopalniane, rolnicze, a także bocznice różnych zakładów i fabryk.

Szerokość toru

Wypada w tym miejscu wspomnieć o szerokości toru. Jak nietrudno się domyślić, jest to jeden z podstawowych wymiarów „kolejowych”. Pomiaru szerokości współczesnych torów, zbudowanych z pokładów i szyn o znormalizowanym przekroju poprzecznym, dokonuje się w płaszczyźnie położonej wewnątrz toru, prostopadle do jego osi, między główkami, 14 mm poniżej górnej powierzchni tych główek (poniżej tzw. powierzchni tocznej), jak przedstawiano na rysunku 1.

Kiedy na pierwotnych kolejach stosowano już szyny z obrzeżami (rys. 2.B) ustalono rozstaw kół wozów na wymiar 5' (1524 mm). Przechodząc następnie na szyny bez obrzeży, wozy zachowały dotychczasowy rozstaw kół, ale szerokość toru, mierzona między główkami szyn, była mniejsza od tego rozstawu o szerokość ówczesnej główki (rys. 2.F), tj. 1524 — 2 × 44,5 = 1435 mm. Szerokość toru równą 1435 mm (4' 8,5"), o tolerancji⁺¹⁰_–3 mm, przyjęto nazwać szerokością normalną. Obecnie jest to podstawowa szerokość torów światowego, szynowego systemu transportowego (również tramwaje jeżdżą po torach takiej szerokości). Wszystkie tory węższe od toru normalnego nazywane są wąskimi a szersze — szerokimi.

Liczba różnych szerokości torów wąskich na świecie jest ogromna. Podobno jest ich ponad 60, lecz wymieniać wszystkie nie sposób. Podamy tylko kilka typowych przykładów: 381, 456, 480, 500, 520, 597, 600, 610, 630, 675, 700, 750,760, 762, 770, 785, 800, 860, 891, 900, 914, 948, 950, 1000, 1050, 1060, 1067, 1143 i 1219, mm. Jednakże koleje użytku publicznego i przemysłowe o podstawowym znaczeniu mają przeważnie szerokości torów: 750, 769, 1000, 1067 mm. Dla porównania podajemy również niektóre wymiary torów szerokich, są to 1524, 1600, 1665. 1667, 1676 mm.

Walory wąskiego toru

O dużym znaczeniu kolei wąskotorowych w ogólnym systemie transportu kolejowego może świadczyć to, że w 1963 roku w skali światowej wąskie tory stanowiły 19% ogólnej długości sieci kolejowej, tory normalne 70%, a szerokie 11%. Za eksploatacją kolei wąskotorowych przemawiają przede wszystkim względy ekonomiczne. Budowa i eksploatacja wąskiego toru jest stosunkowo tania. Podczas układania toru nie zachodzi bowiem potrzeba budowy wysokich nasypów i głębokich przekopów, gdyż dopuszczalne są większe pochylenia podłużne (tj. spadki i wzniesienia) i mniejsze promienie łuków w porównaniu z torami o większych szerokościach. Poza tym tor wąski nie zajmuje dużo miejsca w terenie. Ma to równie duże znaczenie, jeśli chodzi o ochronę środowiska. Pojedyńczy tor kolejowy, a zwłaszcza wąski, nie szpeci krajobrazu, a nawet stanowi jego piękne uzupełnienie. Gdy dodamy jeszcze, że może to być linia zelektryfikowana, po której poruszają się pociągi nie wytwarzające spalin i dymu, to przy dużej zdolności przewozowej kolei w stosunku do innych rodzajów transportu, osiągniemy idealny środek komunikacji.

Tabela 1

Porównanie kosztów budowy i zdolności przewozowej kolei o różnych szerokościach toru

szerokość toru (mm)	1435	1000	800	750
Koszt budowy	1	0,70	0,60	0,50
Zdolność przewozowa	1	0,64	0,42	0,42

Uwaga: Zakłada się, że linie o różnej szerokości torów mają jednakowe maksymalne pochylenia podłużne i jednakowe minimalne promienie łuków.

W tabeli 1, przedstawiamy zależność kosztów budowy i zdolności przewozowej linii kolejowych od szerokości toru. Dla nie wtajemniczonych wyjaśnić trzeba, że określenie „zdolność przewozowa” charakteryzuje pewnego rodzaju "wydajność” danej linii kolejowej, której wielkość zależy od wyposażenia w stacjonarne urządzenia techniczne, od prędkości i rodzaju kursujących pojazów i przyjętej organizacji ich ruchu. Zdolność przewozową, wydajność linii, określa się ilością ton netto ładunku lub liczbą pasażerów, których można na danej linii przewieść w ciągu określonego czasu, (najczęściej w ciągu doby).

Historia powstania i rozwoju wąskich torów…

…jest ściśle związana z historią kolejnictwa, której początki sięgają dalekiej starożytności. Już starożytni spostrzegli, że tor, jako droga transportowa, ma dwie podstawowe właściwości, a mianowicie: opory ruchu pojazdów są minimalne w stosunku do przemieszczanej masy i pojazd jest prowadzony bez dodatkowego kierowania. Ma więc tylko jeden stopień swobody.

Najstarszą znaną drogę mającą koleiny, „szyny”, znaleziono na terenach Asyrii i Babilonu w Hattusas. Była ona użytkowana w 1200 r. p.n.e (rys. 2.A). Inne podobne drogi znajdowały się w mieście Babilon (700–600 r. p.n.e.) i w mieście Uruk (300 r. p.n.e.) oraz w Grecji. Na wozach przewożono podczas uroczystości religijnych posągi lub inne przedmioty kultu. Koleiny służyły do podtrzymania kół i zabezpieczały wozy przed wywróceniem się. Tor z belek drewnianych zastosowano w XV wieku w niemieckich kopalniach, do ułatwienia wywozu węgla i rudy.

W 1620 roku tor drewniany zastosowano w Anglii w kopalnii węgla koło Newcastle, gdzie koń ciągnął wóz z ok. 2 tonami ładunku. Tory drewniane układano także na drogach w celu ułatwienia transportu konnego. Aby zapobiec staczaniu się kół z drewnianych torów–bali, przybijano do nich od zewnątrz belki zabezpieczające (rys. 2.B). Z czasem zaczęto wzmacniać powierzchnię toczną belek okuciami metalowymi (rys. 2C).

W 1767 roku Reynolds, będąc dyrektorem huty żelaza w Colbrockdale, nie chciał dopuścić do wstrzymania produkcji w okresie złej koniunktury na wyroby hutnicze i polecił wytwarzać żeliwne płytki (długości ok. 1500 mm) z dwoma obrzeżami, które układano na dotychczasowych drewnianych torach (rys. 2.D). W 1776 roku Beniamin Curr ulepszył przekrój żeliwnych pyłtek Reynoldsa, zaopatrując je w jedno, ale za to wyższe obrzeże (rys. 2.E).

Od 1789 roku zaczęto stosować szyny o wysokim przekroju pionowym, bez obrzeża, konstrukcji Williama Jesoppa (rys. 2.F), wskutek czego uniknięto kłopotów z oczyszczaniem dotychczasowych torów, w których powierzchnie jezdne — szyny — ciągle były zasypywane. Natomiast niezbędne do kierowania pojazdu obrzeże przeniesiono z szyn na koła. Ciekawostką może być fakt, że w 1805 roku szyny zaczęto wyrabiać ze stali kutej, a od 1820 roku zaczęto je walcować (wynalazek Birkenshawa).

W 1832 roku, w Stanach Zjednoczonych, Stevens zmodernizował szynę Jesoppa dodając do niej stopkę (rys. 2.G), dzięki czemu można ją było przytwierdzić w dowolnym miejscu do belek–podkładów, początkowo układanych pod szyną wzdłuż osi toru, potem poprzecznie w stosunku do tej osi. W tym też 1832 roku otwarto pierwszą na świecie regularną linię wąskotorową do użytku publicznego. Fakt ten miał miejsce w Anglii, gdzie torem szerokości 597 mm połączono miasta Festinjog i Tremadoc. W roku tym oddano również do eksploatacji inną linię wąskotorową użytku publicznego szerokości 1106 mm i długości 128 km z Budziejowic do Linzu. W dalszym ciągu budowano jednak przede wszystkim prywatne linie kolejowe użytku niepublicznego. W kilka lat po 1832 roku szynę Stevensona rozpowszechnił w Anglii Vignoles i od tego momentu podbiła ona kontynent europejski.

Wąskotorowe linie kolejowe użytku publicznego, odpowiednio do szybkości jazdy pociągów i wielkości pracy przewozowej, wyrażonej masą i ilością kursujących pociągów (tonokm/km), dzielą się na kategorie. Tak na przykład w Japonii istnieją cztery kategorie linii wąskotorowych, a w Polsce — trzy. Różnice występujące między poszczególnymi kategoriami linii kolejowych tych państw podano w tabeli 2. Celowo wybrano Japonię i Polskę, aby pokazać jaka jest różnica między kolejami wąskotorowymi będącymi podstawowym systemem transportu szynowego (Japonia), a kolejami o charakterze i zasięgu lokalnym (Polska).

Tabela 2

Kategorie linii wąskotorowych w Japonii (JRN) i Polsce (PKP)

Państwo i szerokość toru (mm)	Kategoria linii	Prędkość maksymalna pocigów (km/h)	Obciążenie roczne linii mln ton netto (Tg)
Japonia 1067	1	140	20
	2	120	10 — 20
	3	105	5 — 10
	4	95	<5
Polska 600 750 785 1000	1	40	<0,5
	2	30 — 40	0,1 — 0,5
	3	<30	<0,1

W czasach, kiedy transport kolejowy stawia pierwsze kroki, drogi kolejowe rozwijały się zupełnie niezależnie od trakcyjnych pojazdów szynowych, wtedy lokomotyw parowych. Pierwsze wozy przemieszczane były jednak siłą mięśni ludzkich i zwierzęcych. Koni, ze względu na ich wysoką cenę, do prac pociągowych używano początkowo bardzo rzadko. Praktycznie, konie zaczęły ciągnąć wozy z towarami dopiero w XVIII i XIX wieku. Na wspomnianej już linii z Budziejowic do Linzu eksploatowano trakcję konną również przy przewozie osób. Okazało się jednak, że do wozów zaprzęgać można co najwyżej dwa konie, i to tylko idące jeden za drugim, ze względu na zbyt małą, ograniczoną szynami powierzchnię, po której koń poruszał się w zaprzęgu. Jeden lub dwa konie nie mogły, rzecz jasna, ciągnąć wielu ciężkich wozów. Ograniczało to zdolność przewozową takich linii. Występowały jeszcze dodatkowo straty czasu na mijankach, na których należało oczekiwać na pociąg jadący z przeciwnego kierunku, gdyż nie opłacało się budować linii dwutorowach.

Parowozy

Wszystkie te wady transportu konnego przyspieszały prace nad konstrukcją innego środka napędowego. Jednak długo jeszcze istniały linie, na których eksploatowano jednocześnie konie i parowozy.

Już w 1803 roku Trevithick zastosował pierwszą lokomotywę z węglem. Były to jednak jeszcze próby nieudane. Z przeprowadzonych doświadczeń wyciągano fałszywe wnioski. Słaba i prymitywna konstrukcja toru nie wytrzymywała obciążeń ciężkich lokomotyw parowych. Konstruktorzy doszli więc do wniosku, że należy zmniejszyć ciężar parowozu. Efektem tego była tym razem zbyt lekka konstrukcja, która po doczepieniu wagonów z ładunkiem nie potrafiła ruszyć ich z miejsca, z powodu zbyt małego tarcia między kołami napędowymi a szynami.

Kolejny wniosek również był fałszywy. Poważne autorytety naukowe uważały, że niemożliwe jest poruszanie się lokomotyw o stalowych kołach na stalowych szynach. Pojawiły się konstrukcje wykorzystujące trzecią szynę zębatą. Jak się później okazało, prawidłową drogę obrał tylko angielski konstruktor J. Stepenson, który po wielu próbach, zbudował parowóz o rewelacyjnych właściwościach. Parowóz ten, o nazwie "Rocket” na próbach konkursowych w październiku 1829 roku osiągnął prędkość 48 km/h.

Próby zastosowania maszyny parowej do napędu pojazdów szynowych przeprowadzono w Anglii, na torze szerokości normalnej, tj. 1435 mm. Tor wąski nie pozwalał wówczas na zbudowanie pojazdu, w którym średnica kotła parowego byłyby mniejsza od rozstawu kół. Tak więc trakcja parowa na kolejach wąskotorowych pojawiła się nieco później. Fakt ten nie miał jednak wpływu na ograniczenie różnorodności konstrukcji parowozów, które pojawiły się na kolejach wąskotorowych.

Ogromna liczba typów i serii tych parowozów. Każda konstrukcja jest inna, każda jest niezaprzeczalnie piękna. Są wśród nich małe, sympatyczne „samowarki” na tory o najmniejszej szerokości, w których kabinie z największą trudnością mógł pomieścić się maszynista. Są również potężne, wieloczłonowe i wieloosiowe maszyny Garrata, które nie różnią się niczym od lokomotyw normalnotorowych.

Daje się zauważyć, że parowóz, w przeciwieństwie do innych lokomotyw elektrycznych i spalinowych, ma „duszę”, jest to jak gdyby żywa istota, z którą należy postępować łagodnie i dbać o nią. Trafna była więc pierwsza ich nazwa — żelazne konie.

Jak wcześniej zaznaczono, rozróżnia się koleje wąskotorowe o znaczeniu podstawowym i o znaczeniu lokalnym. Podział ten może być w przybliżeniu pomocny przy dokonywaniu przeglądu konstrukcji parowozów.

Koleje o znaczeniu lokalnym i szerokości torów do ok. 1000 mm, eksploatują przede wszystkim parowozy lekkich typów. Są to lokomotywy głównie o klasycznym układzie napędowym, z dwoma silnikami na przodzie ostoi, z korbowodami i wiązarami. Zaliczenie ich do lekkich parowozów spowodowane jest niewielką liczbą osi, a także małą mocą silnika.

Przykładami takich konstrukcji parowozów mogą być konstrukcje niemieckie z końca ubiegłego i pierwszej połowy bieżcego wieku, na tory szerokości 1000 mm, tj. 2–osiowe parowozy serii 99⁰² (K22.5) lub 3–osiowe typu K33.7 długości 6600 mm o masie własnej 21 ton i prędkości 35 km/h. Moc silnika parowozu tego ostatniego typu wynosiła 107 kW (145 kM).

Do grupy lekkich parowozów należała między innymi polska konstrukcja z 1953 roku na to szerokości 785 mm. Lokomotywa ta serii Ty1, miała trzy osie napędowe, silnik o mocy 44,1 kW (60 KM) i masę 12 ton. Ciekawostką może być fakt, że mogła ona pokonywać łuki torów o promieniach minimum 22 m. Inny polski parowóz lekkiej konstrukcji serii Px48, na tor 750 mm, miał 4 osie napędowe i również 4–osiowy tender. Moc jego silników wynosiła 147 kW (200 KM), masa 22 tony, a prędkość 35 km/h.

Przykładami parowozów średniej mocy eksploatowanych również na kolejach o znaczeniu lokalnym, mogą być dwie inne konstrukcje. Jedna z nich wyprodukowana została w niemieckiej firmie Henschel i Sohn, na tor szerokości 1000 mm w 1917 roku. Parowóz ten, serii 99²⁰ (K66.9) w układzie Malleta, miał długość 11 832 mm, wysokość 3650 mm oraz masę własną 54 tony.

Druga przykładowa konstrukcja — to polski parowóz serii Tw 53, fabryki Lokomotyw z Chrzanowa, na tor szerokości 785 mm. Charakteryzuje się on długością całkowitą 9020 mm, 5 osiami napędowymi, mocą silnika 295 kW (400 KM) i masą własną 42 tony. By to jednocześnie najcięższy parowóz wąskotorowy na kolejach polskich, ale nie największy, jaki w Polsce zbudowano. Tym rekordowym parowozem była konstrukcja z 1949 roku, eksploatowana do Bułgarii, na tor szerokości 760 mm. Miał on masę 62 tony i moc silnika 368 kW (500 KM), przy długości całkowitej 11 200 mm.

Najcięższe parowozy spotkać można obecnie na kolejach wąskotorowych o podstawowym znaczeniu, mających tory szerokości ponad 1000 mm. Znajdujemy je najczęściej w Afryce i Ameryce Południowej. Przykładowo, w Mozambiku na sieci długości 7653 km i szerokości toru głównie 1067 mm, eksploatuje się jeszcze 141 lokomotyw parowych (rok 1979), a w tym ciężkie parowozy systemu Garrata, o układzie osi 2–4–1 + 1–4–2. Oznacza to, że podwozie parowozu ujęte jest w dwa człony, z których każdy ma 3 osie toczne i 4 napędowe.

Wyżej wymienione parowozy składają się z takich podstawowych zespołów, jak: palenisko, kocioł, silniki parowe i układ napędowy. Istnieją też parowozy bez paleniska, tzw. bezogniowe, które zamiast normalnych kotłów i palenisk mają zbiornik napełniany parą i wodą o temperaturze odpowiadającej ciśnieniu pary nasyconej, ze stacjonarnych kotłowni. Poziom wody w zbiorniku parowozowym sięga w przybliżeniu do ¼ średnicy ponad osią walczaka. W miarę zużywania pary przez silnik, przegrzana woda paruje, umożliwiając dalszą jazdę lokomotywie. Czas pracy takiego parowozu może trwać kilka godzin, zanim ciśnienie w zbiorniku spadnie do minimalnej wartości. Lokomotywy tego typu eksploatuje się w zakładach przemysłowych, w których istnieje zagrożenie pożarowe lub w których, z różnych względów, wymagane jest czyste, bezdymne powietrze.

Ekonomika nie kieruje się jednak sentymentami. Niska sprawność energetyczna parowozu (maks. 8%) zdecydowała o poszukiwaniu i zastosowaniu nowych rodzajów napędu. Najpierw była to energia elektryczna, a niedługo potem spalinowa. Niezaprzeczalne zalety tych trakcji, w zastosowaniu na wąskich torach, omówione zostaną w następnej części artykułu o kolejach wąskotorowych, która niebawem ukaże się w „MT”.