Wkrótce upłynie sto osiemdziesiąt pięć lat od chwili, gdy pierwsza grupa pasażerów odbyła podróż wagonem kolejowym, ciągnionym lokomotywą parową. Te prawie dwa wieki historii były okresem nieustannej ewolucji w zakresie przewozu ludzi po szynach, któremu towarzyszyło pełne upowszechnienie tego sposobu podróżowania. Sieć połączeń nieustannie się rozrastała, zwiększała się prędkość przejazdu, zmienił się rodzaj napędu wykorzystywany w tych podróżach, a także cechy, określające warunki komfortu i otoczenia pasażerów odbywających podróże

Marcin Szcześniak

Pierwsze stulecie ewolucji pojazdów szynowych charakteryzowało się intensywnym rozwojem napędu parowego lokomotyw, zaś w wagonach pasażerskich, o drewnianej konstrukcji, dążono do zwiększania luksusu i wszelkiej obfitości form. Tramwaje miejskie w tym okresie, przeszły w całości na napęd elektryczny, zaś ich wnętrza stanowiły raczej wyraz funkcjonalności, odpowiedniej dla epoki. W okresie międzywojennym w Europie można zaobserwować postępujący rozwój alternatywnych układów napędowych pojazdów szynowych – pojawiły się lokomotywy spalinowe i elektryczne, a w konstrukcji wagonów pasażerskich coraz powszechniej zaczęto używać stali. W ostatnim półwieczu zniknęły lokomotywy parowe, a na trasach przewozów pasażerskich rozpoczął się francusko-japoński wyścig superszybkich pociągów dalekobieżnych.
Mimo ogromnego postępu technicznego w budowie pojazdów szynowych ostatnich lat, w zasadzie niezmienna pozostała konstrukcja pudła wagonu. Solidna stalowa rama – ostoja wagonu, stanowi bazę dla konstrukcji szkieletu z profili stalowych. Dla zapewnienia wymaganej stateczności i wytrzymałości całego pojazdu, poszczególne żebra szkieletu połączone są ze sobą wspawanymi profilami wzdłużnymi. Konstruktor, opracowujący strukturę pudła wagonu musi dysponować wiedzą i doświadczeniem, pozwalającym na dobranie właściwych rozmiarów profili szkieletu, niezależnie od wykonywanych obliczeń inżynierskich. Rozmieszczenie poszczególnych odcinków szkieletu musi uwzględnić rozplanowanie instalacji funkcjonalnych przyszłego pojazdu. Przede wszystkim elektrycznej i grzewczej, a w wagonach kolejowych także klimatyzacyjnej i pneumatycznej. Szczególna uwaga projektanta poświęcona musi być odpowiedniemu dopasowaniu kształtu profili szkieletu w obszarze okien i drzwi pojazdu, zapewniającemu właściwe ich zamontowanie. Dalsza konstrukcja pudła pojazdu szynowego polega na opracowaniu kształtu wykrojów blach poszycia zewnętrznego.

Rysunki modelu CAD szkieletu wagonu

Blachy te muszą być zespawane ze szkieletem w taki sposób, aby maksymalnie wyeliminować deformacje blachy pod wpływem ciepła spoin i zapewnić płaskość ścian bocznych. Tradycyjnie w naszym kraju, blachy poszycia spawa się do fragmentów szkieletu w przyrządach spawalniczych i jako gotowe zespoły montuje na ostoi. Po zamknięciu pudła wagonu, blachy boków muszą zostać dodatkowo wyprostowane, co stanowi nie lada sztukę. W nowoczesnych technologiach budowy wagonów, szkielet spawany jest na ramie, zaś blachy pudła wagonu napinane są równomiernie na całej konstrukcji szkieletowej. Okna i drzwi w pojazdach szynowych powstają w specjalistycznych firmach, zgodnie z charakterystyką techniczną pojazdu, którego wyposażenie mają stanowić. W konstrukcjach starszych pojazdów, które obecnie przechodzą remonty generalne, okna najczęściej były przykręcane do szkieletu pudła wagonu, natomiast współczesne, nowoczesne wagony dysponują oknami wklejanymi. Ościeżnice drzwi są nadal przykręcane do szkieletu. Równocześnie z konstrukcją pudła wagonu trwa rozwój konstrukcji instalacji funkcjonalnych – elektrycznej, pneumatycznej, wentylacyjno-grzewczej i wodnej.

Wybrane Polskie Normy, odnoszące się do konstrukcji wnętrza wagonów kolejowych

Projekt wystroju wnętrza pojazdu szynowego rozpoczyna się po zatwierdzeniu zasadniczej koncepcji powstającej konstrukcji. Niezależnie od tego, czy jest to pojazd projektowany od podstaw, jako nowa konstrukcja, czy też podlegający generalnemu remontowi, decydującą role w zakresie stylistyki wnętrza odgrywają wymagania użytkowe, jakim musi zostać podporządkowany. Wymagania te określa zawsze eksploatator pojazdu; w polskich warunkach jest nim – na kolei – jedna ze spółek PKP, zaś w przypadku tramwajów – lokalny zakład transportu miejskiego. Różnorodność wymagań dla tramwajów jest znacznie bardziej ograniczona i zasadniczo dotyczy ilości i jakości (komfortu) miejsc do siedzenia, ich rozmieszczenia, poziomu komfortu wnętrza (oświetlenie, ogrzewanie, wentylacja) i aspektom utrzymania sprawności eksploatacyjnej – czystości, odporności na wandalizm, dostępu do osprzętu i wyposażenia. W przypadku wagonów kolejowych, cechy wykończenia wnętrza zależą przede wszystkim od przeznaczenia pojazdu. Inaczej wygląda wnętrze wagonu podmiejskiego zespołu trakcyjnego, inaczej ekspresu dalekobieżnego, wagonu sypialnego, czy też restauracyjnego, albo konferencyjnego. Specyfika wykończenia wagonów metro stanowi konglomerat wymagań dotyczących tramwaju i pociągu podmiejskiego, ale szczególną rolę przy doborze materiałów wykończeniowych odgrywają w tym przypadku bardzo wysokie wymagania w zakresie ich niepalności.

Wybrane Karty UIC, odnoszące się do konstrukcji wnętrza wagonów kolejowych

Skoro mowa o wymaganiach, należy tu wspomnieć o roli Międzynarodowego Związku Kolei – UIC (Union Internationale des Chemins de fer) – organizacji, od prawie 90 lat zrzeszającej przedsiębiorstwa zajmujące się transportem kolejowym i reprezentującej je na arenie międzynarodowej. W ramach swojej działalności, UIC publikuje zarządzenia zawierające wytyczne dotyczące technologii, infrastruktury czy eksploatacji pojazdów kolejowych, mające charakter nakazów, zaleceń lub informacji. Konstruktorzy, zajmujący się projektowaniem pojazdów kolejowych muszą przestrzegać zapisów, opublikowanych w Kartach UIC, podobnie jak konstruktorzy samochodów muszą uwzględniać wymagania regulaminów, czy też dyrektyw homologacyjnych, określonych przez organizacje motoryzacyjne na całym świecie. Podobnie jak samochody jeżdżące po drogach publicznych muszą posiadać certyfikat homologacji, tak pojazdy kolejowe muszą legitymować się dopuszczeniem do eksploatacji, potwierdzającej ich kompatybilność z odpowiednimi wymaganiami UIC. Polskie normy branżowe odnoszą się w większości do postanowień kart UIC, lub regulaminów Unii Europejskiej.

Przykłady projektów stylistyki wnętrza wagonów kolejowych

Zasadniczą część wystroju wnętrza wagonu stanowi wykładzina ścian bocznych. Jest kilka wypróbowanych koncepcji projektowania wyłożenia tych ścian. Posłużę się tu przykładem z projektów opracowywanych przez biuro konstrukcyjne Rücker-Polska w Warszawie. Większość współcześnie projektowanych wyłożeń powstaje w technice formowania kompozytów poliestrowych wzmacnianych włóknem szklanym za pomocą negatywowych form. W moim poprzednim, listopadowym artykule poświęconym projektowaniu paneli czołowych pojazdów szynowych opisałem bardziej szczegółowo tę technologię, toteż skoncentruję się teraz bardziej na aspektach konstrukcyjnych. O ile odwzorowanie kształtu w przypadku wykładziny ściany bocznej nie wydaje się być problematyczne z racji niemal płaskiego charakteru tego elementu, interesujące mogą być zagadnienia związane z późniejszym montażem tych elementów. Pierwsza faza projektu obejmuje ustalenie zasadnych podziałów, występujących wzdłuż ścian bocznych wagonu. Jako bazę konstrukcyjną przyjęto otwory okienne, wokół których zaprojektowano identyczne – o ile na to pozwala konstrukcja wagonu – panele okienne. Przestrzeń pomiędzy otworami okiennymi wypełniają panele boczne. Taki standardowy zestaw elementów powtarza się wzdłuż zasadniczej części wagonu i zapewnia redukcję ich różnorodności, a co za tym idzie ilości form, czyli kosztów wytwarzania.

Równolegle z projektem wykładzin kompozytowych, trwa praca polegająca na zaprojektowaniu elementów dodanych szkieletu, służących wyłącznie do montażu wyłożeń. Pół biedy, jeśli mamy do czynienia z nową konstrukcją wagonu. Tymczasem, często w przypadku modernizacji pojazdów szynowych, oryginalna dokumentacja szkieletu istnieje tylko w formie papierowej. Ponieważ konstrukcja odbywa się teraz najczęściej w trójwymiarowych systemach CAD – konstruktorów czeka trochę niewdzięczne zadanie digitalizacji oryginalnego szkieletu wagonu, aby dalszy proces projektowania mógł odnosić się do rzeczywistych warunków obszaru projektu. Montaż elementów kompozytowych do szkieletu wagonu odbywa się z wykorzystaniem listew z drewna (np. bukowego), zabezpieczonych impregnatem uniepalniającym, przykręcanych blachowkrętami do profili szkieletu. Jednakże często szkielet pudła wagonu nie ma profili rozmieszczonych wystarczająco gęsto, by służyły do zamocowania wszystkich elementów ścian bocznych. Należy także pomyśleć o sposobach mocowania np. foteli dla pasażerów, czy też stolików i śmietniczek, w wagonach kolejowych. Jeszcze większe wymagania stoją przed konstruktorami wagonów sypialnych. Tu utrudnienia są poważniejsze, niż w wagonach pasażerskich. Dlatego też konstruktorzy muszą zaplanować rozmieszczenie dodatkowych kątowników i wsporników stalowych, które zostaną wspawane. Stanowią one właśnie te wspomniane elementy dodane szkieletu wagonu. W przypadku omawianego sposobu montażu wykładzin, główne panele okienne zostają przykręcone wkrętami do listew na szkielecie, poprzez przekładki filcowe (uniepalnione szkłem wodnym), zapobiegające niepożądanym efektom dźwiękowym w późniejszej eksploatacji wagonu. Ze względu na estetykę, aby uniknąć widocznych połączeń śrubowych, międzyokienne panele boczne mocuje się do sąsiednich paneli okiennych za pomocą mocnych rzepów przemysłowych, pomocniczo wykorzystując wkręty w miejscach trudno widocznych, z reguły na dole i górze panelu. Wyodrębnienie paneli okiennych, jako oddzielnych elementów pozwala na rozluźnienie tolerancji montażowych, gdyż panel centruje się na otworze okiennym, a ewentualne naddatki wymiarowe części obcina się po zamontowaniu. Montaż paneli okiennych wkrętami możliwy jest np. w obszarze, gdzie później zainstalowane będą rolety okienne, a także na dole i górze panelu. W miejscach eksponowanych stosowane są także rzepy. Analogiczna zasada dotyczy również montażu bocznych wyłożeń sufitowych. Centralna część sufitu często stanowi miejsce montażu oświetlenia, a także innych urządzeń i instalacji. W starszych wagonach kolejowych eksploatowanych w Polsce praktycznie jest to niespotykane, ale w nowoczesnych konstrukcjach kolejowych to właśnie środkowa część sufitu kryje kanały rozprowadzające instalacji klimatyzacyjnej. Sensowne ze względów serwisowych wydaje się zaprojektowanie tej części sufitu w postaci otwieranych klap rewizyjnych, znakomicie ułatwiających dostęp do umieszczonych pod dachem wagonu instalacji i urządzeń, celem ich obsługi okresowej lub naprawczej.

Stylistyka wnętrza wagonu bezprzedziałowego, montaż elementów i stan po wykończeniu

Wagony kolejowe posiadają ściany działowe, oddzielające przedziały lub pomieszczenia funkcjonalne. Z zasady, ściany te wykonuje się ze specjalnej sklejki o właściwościach trudnopalnych. Aby zachować estetykę wykończenia takich ścian, najczęściej są one laminowane technikami stosowanymi w meblarstwie. Firma Rücker-Polska w realizowanych przez siebie projektach wykorzystała z powodzeniem innowacyjną technologię, polegającą na pokrywaniu płyt sklejki cienką warstwą kompozytu poliestrowo-szklanego, o kompozycji podobnej do stosowanej przy produkcji wykładzin bocznych i sufitowych. Tego rodzaju wykończenie ścian działowych doskonale pasuje do boków wagonu, jest trwałe, a dzięki zastosowaniu żywic o właściwościach trudnopalnych, znakomicie spełnia wymagania ognioodporności, szczególnie ważne w tym przypadku. Rolą konstruktora, w przypadku płaskich ścian działowych, jest określenie odpowiednich wykrojów płyt sklejki, uwzględnienie w projekcie grubości warstwy kompozytowej (zwykle jest to 1,5 do 2 mm), zaprojektowanie sposobu łączenia płyt i mocowania ściany w wagonie do struktury stalowego szkieletu. Należy zwrócić uwagę na możliwości montażowe. Zbyt wielkie połacie ścian będą bardzo trudne do ustawienia w ograniczonej szerokości wagonu, a w krańcowym przypadku, niemożliwe do wniesienia doń, nawet przez otwór drzwi czołowych wagonu. Niezwykle wdzięcznym obszarem dla projektanta jest toaleta. W tym pomieszczeniu często można użyć więcej fantazji, modelując bardziej atrakcyjne kształty paneli kompozytowych i wykazując się przy tym pomysłowością w łączeniu funkcjonalności z atrakcyjną, lecz umotywowaną technologicznie formą.

Model CAD i wystrój rzeczywisty (w dzień i w nocy) części barowej wagonu konferencyjnego 507A

Proces konstruowania elementów wnętrza wagonu musi uwzględniać współpracę i koordynację prac z grupami konstrukcyjnymi, odpowiedzialnymi za projekt układów funkcjonalnych pojazdu, w szczególności instalacji elektrycznej i grzewczo-wentylacyjnej. Niezmiernie istotny na etapie projektowania jest wczesny dobór osprzętu wnętrza. Począwszy od siedzeń, poprzez systemy drzwi wewnętrznych, oprawy oświetleniowe, uchwyty, półki na bagaż, skończywszy na wyposażeniu toalet.
Oddzielnych uzgodnień wymaga pozycja, rozmiary i wymagania funkcjonalne dotyczące szaf na instalacje elektryczne pojazdu. Szafy te powstają na ramie oddzielnego szkieletu, ze stalowych profili kątowych. Ich ściany stałe mogą być wykonane podobnie, jak ściany działowe, natomiast bardziej interesująca może być konstrukcja drzwiczek tych szaf. Jednym z rozwiązań może być wykonanie ich jako przestrzennego elementu kompozytowego. Aby zapewnić niezbędną sztywność, zachowując jednocześnie niską masę, wewnętrzną stronę wyklejki kompozytowej wykłada się cienką warstwą pianki poliuretanowej, a krawędzie wzmacnia metalowymi profilami, które później ułatwiają montaż zawiasów i zamków.

Stosownie do uzgodnionych wymagań, drzwi szafek mogą posiadać okienka inspekcyjne (najprościej – wklejane), a z reguły mają otwory wentylacyjne maskowane odpowiednimi kratkami. Konstruktor, odpowiedzialny za projekt takich kompozytowych drzwiczek powinien zawczasu uzgodnić szczegóły konstrukcyjne także z późniejszym wykonawcą. Drzwiczki usztywnione jednostronnie pianką mają tendencje do paczenia się. Dla dodatkowego zabezpieczenia przeciwpożarowego, wnętrza szafek elektrycznych – także drzwiczki – wykłada się arkuszami blachy aluminiowej.
Wykonanie rysunków montażowych, przedstawiających na odpowiednich przekrojach i widokach zasady montażu zaprojektowanych wyłożeń wewnętrznych wewnątrz wagonu, jest niezwykle istotnym działaniem, wieńczącym proces konstrukcji, a jednocześnie w sposób jednoznaczny przekazującym zamierzenia konstruktora technikom, pracującym przy montażu elementów w wagonie. Można by w tym miejscu zakończyć ten skrócony i uproszczony z konieczności opis zagadnień konstrukcyjnych, będących udziałem inżynierów projektujących wnętrza pojazdów szynowych. Chciałbym jednak na zakończenie podzielić się z Czytelnikami kilkoma wrażeniami z realizacji projektów bardziej nietypowych pojazdów, do jakich można zaliczyć wagony restauracyjne i konferencyjne – te ostatnie, stanowiące szczególną atrakcję w komercyjnej działalności spółki PKP-Intercity.
W przypadku wspomnianych typów wagonów, niewątpliwe wyzwanie konstruktorskie dotyczy obszaru przygotowania posiłków – kuchni lub baru. Ściany pomieszczenia wykonane są tradycyjną, opisaną wcześniej metodą. Decydujące znaczenie użytkowe ma wyposażenie kuchni. Kompletację uzgadnia się szczegółowo ze zleceniodawcą projektu. Istotną rolę odgrywają zawsze urządzenia chłodnicze. Najczęściej, wykonywane są przez wyspecjalizowane firmy pod konkretne zastosowanie. Istotne jest, aby urządzenia chłodzące przystosowane były do środowiska eksploatacji – przede wszystkim, aby były odporne na drgania. Naczynia na płycie kuchennej zabezpieczone są zwykle specjalnym, kilkucentymetrowym „płotkiem”, ale szafki w przedziale kuchennym mają specjalny system zabezpieczający sprzęt przed ewentualnym wypadnięciem z nich np. przy awaryjnym hamowaniu pojazdu. . Zabudowa kuchni wykonywana jest „na wymiar” ze stali nierdzewnej. W przypadku obsługi barowej – jak w wagonie konferencyjnym 507A – butelki i kieliszki utrzymywane są w specjalnych, metalowych uchwytach. Istotnym dla konstruktora przedziału kuchennego jest zaprojektowanie wystarczająco szerokiego dojścia, zapewniającego możliwość wnoszenia opakowań zbiorczych z produktami. W niektórych wagonach restauracyjnych wykonuje się specjalne luki, lub nawet drzwi zewnętrzne, prowadzące bezpośrednio do kuchni, umożliwiające bezpośredni załadunek produktów, z samochodu dostawczego.
Pomieszczenia konsumpcyjne dla gości mogą mieć różnorodny charakter: od typu bufetowego, gdzie posiłki spożywa się na stojąco, przy niewielkich, wysokich stolikach, poprzez typowo restauracyjne stoły i ławki-fotele, aż do kameralnych pomieszczeń barowych, o przyćmionym oświetleniu. Aranżacja wnętrza zależy od oczekiwań zleceniodawcy. Zwykle decyzję w tej sprawie poprzedza projekt stylistyczny w kilku wersjach, uwzględniający z jednej strony oczekiwania klienta, a z drugiej realia zabudowy wagonu. Materiały, tak jak w przypadku wagonu konferencyjnego 507A, mogą obejmować szlachetną stal w połączeniu ze skórzanymi obiciami, nowocześnie ukształtowanych foteli dla gości.

Wyposażenie audiowizualne wagonu 507A, model CAD części konferencyjnej tego wagonu oraz jej wystrój rzeczywisty.

Do specyfiki współczesnych wagonów konferencyjnych należy już nie tylko pomieszczenie do narad, zapewniające miejsca dla 20-25 osób, ale także pełne zaplecze audiowizualne z dużym ekranem ciekłokrystalicznym i indywidualnymi podłączeniami do sieci, dla uczestników konferencji.
W planach rozwojowych, dotyczących taboru Intercity znajdowały się także inne ciekawe typy wagonów, takie jak np. wagon wystawowy, przeznaczony do organizowania różnych ekspozycji promocyjnych, które mogłyby być prezentowane pasażerom. Wydaje się, że na razie plany te nie będą na razie wdrażane. Pozostaje mieć nadzieję, że uda się zrealizować przynajmniej szeroko zakrojone projekty modernizacji taboru, w tym unowocześnienie wnętrz wagonów, zapewniające lepszy komfort podróżnym.

Marcin Szcześniak

artykuł pochodzi z wydania 12 (27) grudzień 2009

Czytaj także:

Skuteczne smarowanie zderzaków pojazdów szynowych. Obniżenie kosztów przeglądów i niższe koszty eksploatacji dzięki zastosowaniu innowacyjnego specjalistycznego środka smarnego

PZL–230 Skorpion

Alternatywa dla turbosprężarki? Historia doładowania dynamicznego Wibu; cz. 1

Konstruktor musi umieć swój pomysł przekazać innym