Rozwój lokomotyw w górnictwie podziemnym

Rozwój lokomotyw w górnictwie podziemnym

dr inż. Stefan GIERLOTKA
KWK Wujek w Katowicach,
Urząd Miasta Katowice
Rozwój lokomotyw w górnictwie podziemnym
STRESZCZENIE
W artykule przedstawiono historię rozwoju lokomotyw stosowanych w podziemiach kopalń.
Omówiono charakterystyczne rozwiązania lokomotyw kopalnianych.
Wprowadzenie
Do transportu urobku w podziemiach kopalń od najstarszych czasów stosowano konie.
Urobek ciągnięto w specjalnych skrzyniach na płozach lub kołach. Od początku XIX wieku w
kopalniach stosowano już transport wozów po torach. Dla transportu wozów po pochylniach
o znacznym upadzie stosowany był kierat konny. Koń w kopalni mógł ciągnąć 12 – 15
wozów z prędkością 70–90 metrów na minutę. Ostatni pracujący pod ziemią koń wyjechał z
dołu kopalni soli w Wieliczce wiosną 2002 roku. Był to 16-to letni koń, który przepracował
na dole 13 lat.
Lokomotywy z silnikiem cieplnym
Pierwsze próby z lokomotywami w podziemiach kopalń przeprowadzono w Anglii, w
połowie XIX wieku. Były to parowozy ze zwykłym węglowym paleniskiem. Stosowanie
takich lokomotyw nie dało zadawalających rezultatów, gdyż duże ilości wydzielanej pary i
dymu pokrywały szyny tłustą sadzą co powodowało poślizg kół lokomotywy. Wydzielający
się dym i para utrudniały wentylację wyrobisk kopalni.
Skonstruowano dla transportu podziemnego kilka typów lokomotyw bezdymnych. Wadą
lokomotyw bezdymnych była zmieniająca się siła pociągowa, która mogła podczas jazdy tak
zmaleć, że lokomotywa zatrzymywała się.
Lokomotywa systemu Lamm-Francq’a posiadała kocioł z gorącą wodą, do którego
wtłaczano parę pod bardzo wysokim ciśnieniem. Kocioł przed ochładzaniem był izolowany
pakunkiem. Czas pracy lokomotywy zależał od temperatury kotła. Eksploatacja lokomotyw
wymagała dostępu do kotłowni jako źródła pary. Wydobywająca się para pogarszała
wentylację wyrobisk i powodowała butwienie obudowy drewnianej.
Lokomotywa systemu Hönigmann’a składała się z cylindrycznego kotła podzielonego
ściankami na trzy części. Środkowa część kotła była największa i napełniana potasem lub
soda kaustyczną. Dwie części boczne kotła napełniano wodą. Boczne części tworzyły
właściwy kocioł i były połączone z sobą rurami mosiężnymi. Parę wprowadzano do
środkowej części kotła, w której znajdowała się soda kaustyczna. Pod pływem gorącej pary
ług sodowy nagrzewał się i oddawał ciepło wodzie znajdującej się w bocznych komorach.
Zasada działania polegała na pochłanianiu pary wodnej o temperaturze wyższej od 130oC
przez potas lub sodę kaustyczną. Zachodząca reakcja aktywizowała parę do czasu aż
temperatura wrzenia ługu sodowego nie spadała poniżej temperatury granicznej.
Lokomotywy Hönigmann’a z przyczyny ich wysokich kosztów eksploatacyjnych nie
rozpowszechniły się.
Rozwój samochodów spowodował próby stosowania silników benzynowych w
lokomotywach kopalnianych. Wadą lokomotyw z silnikami benzynowymi było wydzielane
się trujących spalin do dróg wentylacyjnych oraz zagrożenie wybuchem benzyny co
zdecydowało i ich wycofaniu. Konkurencję dla silników benzynowych stanowił
skonstruowany w 1897 roku silnik Diesela napędzany ropą naftową. Pierwsze konstrukcje
lokomotyw dołowych z silnikami Diesela o mocy do 30 KM powstały w Wielkiej Brytanii.
Lokomotywy takie zostały rozpowszechnione w przewozie dołowym ale w wykonaniu
ognioszczelnym.
Lokomotywy z silnikiem pneumatycznym
Sprężone powietrze było stosowane w górnictwie już z końcem XIX wieku.
Lokomotywy z silnikami pneumatycznymi zostały pierwszy raz zastosowane przy drążeniu
tuneli alpejskich. Lokomotywy te składały się ze zbiornika wykonanego z blachy stalowej o
objętości 7,6 m3, napełnianego powietrzem sprężonym o ciśnieniu 25 at (2,5 MPa). Powietrze
ze zbiornika doprowadzane było do cylindra roboczego, za pomocą regulatora o ciśnieniu 3
at. Lokomotywa ciągnęła pociąg o ładunku od 30 do 60 ton z prędkością 10 km/h. Sprawność
tych lokomotyw wynosiła około 22 %.
Budowę lokomotyw z silnikami pneumatycznymi o ciśnieniu roboczym 16 -18 at (1,61,8 MPa) rozpoczęto w 1908 roku. Sprężarka powietrza napełniała zbiorniki lokomotywy
powietrzem suchym o ciśnieniu 50–100 at (5-10 MPa). Do napędu sprężarek początkowo
stosowano maszyny parowe.
W polskich kopalniach węgla stosowano dwa rodzaje lokomotyw napędzanych
silnikami pneumatycznymi: lokomotywy chodnikowe o mocy od 30 do 70 KM (22 do 52 kW)
oraz lżejsze lokomotywy przodkowe o mocy od 10 do 20 KM (7,5–15 kW). Lokomotywa
składała się z zbiorników ciśnieniowych, zaworu redukcyjnego, podgrzewacza i cylindrów
roboczych. Na podwoziu lokomotyw instalowano kilka zbiorników w kształcie butli o
pojemności 1,5 do 2,5 m3. W zbiornikach ciśnieniowych lokomotywy sprężano powietrze do
ciśnienia 200 at (20 MPa). Lokomotywa o mocy 40 KM (30 kW) i sile pociągowej do 1000
kG (10 kN) poruszała się z prędkością do 14 km/h. Zużywała około 1m3 sprężonego
powietrza na 1 tkm (tonokilometr). W kopalniach stosowano lokomotywy typu BVD
produkcji czechosłowackiej oraz lokomotywy typu Troll firmy Jung.
Warto też wspomnieć o próbach stosowania lokomotyw napędzanych energią
gromadzoną w kole zamachowym. Ciężkie koło zamachowe lokomotywy było rozpędzane w
zajezdni lokomotyw poprzez sprzęgło napędu silnika elektrycznego. Energia kinetyczna
zawarta w wirującym kole zamachowym pozwalała na jazdę pociągu. Próby z takimi
lokomotywami prowadzono w pięćdziesiątych latach w Związku Radzieckim, lecz nie
rozpowszechniły się one.
Lokomotywy o napędzie elektrycznym
Lokomotywa elektryczna w przewozie dołowym została zastosowana po raz pierwszy
w 1882 roku w kopalni węgla Zanckerode koło Drezna. Na Śląsku pierwszą lokomotywę
elektryczną uruchomiono w kopalni Hohenzollern Szombierki w 1883 roku. W pierwszych
takich lokomotywach stosowano silnik elektryczny prądu stałego o mocy 10 KM.
Lokomotywa poruszała się z prędkością do 12 km/h. Do 1913 roku w śląskich kopalniach
pracowało 37 lokomotyw elektrycznych napędzanych silnikami szeregowymi prądu stałego o
mocy do 22 kW. W okresie I wojny światowej w śląskich kopalniach pracowało już ponad
200 lokomotyw elektrycznych, a moc silników napędowych wzrosła do 32 kW.
W 1938 roku lokomotywy napędzane silnikami elektrycznymi stanowiły 78%
wszystkich pracujących lokomotyw w kopalniach. Stosowano lokomotywy dołowe
wyprodukowane przez firmy: AEG, Klemm Dressler, SSW, Greenbat, Westinghouse oraz
Metro-Vickers (Anglia). W 1946 roku sprowadzono do polskich kopalń lokomotywy
amerykańskie. Charakterystyczną cechą lokomotyw amerykańskich był brak kabiny
maszynisty.
W latach dwudziestych XX wieku powstały konstrukcje lokomotyw dołowych z
kołowrotem kablowym. Elektrowozy takie mogły pracować w wyrobiskach chodnikowych z
1
zainstalowaną siecią trakcji elektrycznej jak również wjeżdżać do chodników bocznych bez
sieci trakcyjnej. Było to bardzo przydatne przy transporcie materiału do przodka drążonego
chodnika. Jazdę lokomotywy do przodka bez trakcji umożliwiał zwinięty na kołowrocie
kabel, którym zasilano silniki. Zacisk na końcu kabla zawieszano na drucie jezdnym lub
wtykano do specjalnych gniazd wtykowych zainstalowanych przy skrzyżowaniu z
chodnikiem bocznym. Przy ruchu powrotnym lokomotywy kabel zwijany był na bęben
kołowrota, za pomocą specjalnej przekładni napędzanej z kół lokomotywy lub dodatkowym
silnikiem.
W pierwszej połowie XX wieku stosowano w polskich kopalniach wiele różnych
typów lokomotyw dla torów o szerokości od 460 mm do 1050 mm. Stosowano też różne
wartości napięć od 220 V do 600 V dla zasilania urządzeń trakcyjnych. Po II wojnie
światowej ujednolicono systemy zasilania przyjmując dla trakcji dołowej napięcie 250 V.
W 1949 roku rozpoczęto prace nad opracowaniem serii ujednoliconych elektrowozów
dołowych typu Ld. Pierwsze lokomotywy dołowe typu Ld wyprodukowano w 1951 roku w
Wytwórni Konstrukcji Stalowych KONSTAL w Chorzowie. Opracowania konstrukcyjne
dotyczyły trzech typów lokomotyw: typ Ld 1 o masie 7 ton i mocy 34 kW dla torów o
prześwicie poniżej 600 mm, typ Ld 2 o masie 10 ton i mocy 46 kW dla torów o prześwicie
600 mm oraz typ Ld 3 o masie 14 ton i mocy 83 kW dla torów o prześwicie powyżej 785 mm.
W elektrowozach instalowano dwa silniki szeregowe prądu stałego o mocach 17 kW, 23 kW
lub 41,5 kW. Stanowisko maszynisty wyposażenie było w: nastawnik pracy lokomotywy,
główny wyłącznik zasilania, zwiernik przewodu ślizgowego z szynami, ręczny hamulec
korbowy, bezpiecznik topikowy dla zabezpieczenia przed skutkami zwarcia, przełącznik od
oświetlenia, urządzenie do ściągania odbieraka prądu, dźwignię od piasecznic oraz dzwon
sygnałowo-ostrzegawczy. Lokomotywy ciągle doskonalono i powiększano ich typoszereg.
Średnia żywotność elektrowozu dołowego dochodziła do 55 lat.
W polskich kopalniach, oprócz lokomotyw krajowych, w latach pięćdziesiątych
ubiegłego wieku stosowano również elektrowozy produkcji ZSRR typu: II-TR o ciężarze 7
ton, IV-TR o ciężarze 14 ton, JU-10 o ciężarze 10 ton oraz lokomotywy produkcji
czechosłowackiej typu TLd.
W Związku Radzieckim w latach pięćdziesiątych XX wieku prowadzono badania nad
lokomotywą typu KE-1 o mocy 19 kW, zasilaną jednofazowym prądem przemiennym o
napięciu 380 V. Głównym celem wdrożenia napięcia przemiennego do trakcji dołowej było
wprowadzenie systemu ochrony przeciwporażeniowej. Pomimo dużego zaangażowania w
prace badawczo-wdrożeniowe nie osiągnięto spodziewanych wyników.
W kopalniach, oprócz lokomotyw przewodowych, zasilanych z elektrycznej sieci
trakcyjnej rozpowszechnione zostały lokomotywy akumulatorowe. Znalazły one
zastosowanie przede wszystkim na drogach przewozowych o zagrożeniu wybuchu gazów lub
pyłów. Pierwsze lokomotywy elektryczne zasilane z akumulatora pojawiły się na Śląsku już
w początkach XX wieku. Lokomotywa składała się z ciągnika i tendera, który zawierał
baterię akumulatorów kwasowych. Ponieważ czas ładowania akumulatorów wynosił około 3
godzin, konstrukcja lokomotywy umożliwiała częstą wymianę zasobnika akumulatorowego.
Budowano elektrowozy akumulatorowe o mocy od 8 do 20 KM, które osiągały prędkość do 7
km/h. Zużycie energii wynosiło około 0,4 kWh na tonokilometr. Doskonalono konstrukcje
lokomotyw akumulatorowych, jak również ich źródła zasilania. Powszechnie stosowaną w
kopalniach lokomotywą akumulatorową jest znany do dziś słynny Karlik.
Podsumowanie
Wydobycie kopalni uzależnione jest od sprawności przewozu urobku w transporcie
dołowym. W napędach maszyn górniczych jako pierwszy znalazł zastosowanie napęd
parowy. Skonstruowanie lokomotywy dołowej napędzanej silnikiem elektrycznym
2
przyczyniło się do dynamiki wzrostu wydobycia. Rozwój lokomotyw elektrycznych i
systemów zasilania trakcji dołowej pozwolił na prowadzenie eksploatacji pokładów węgla w
znacznej odległości od szybów wydobywczych.
Literatura
Bansen H. 1921: Die Streckenförderung. Berlin.
Fritzsche C. 1961: Lehrbuch der Bergbaukunde. Erste Band. Berlin/Heidelberg.
Szklarski L. 1954: Trakcja elektryczna w kopalni. Wydawnictwo Górniczo Hutnicze.
Stalinogród.
The underground locomotives and their development
The paper presents the history of the mine underground locomotives and their development. The characteristic
implementations of the mine locomotives used in the past and nowadays as well have been discussed.
3