HISTÓRIA A VZNIK LOKOMOTÍV S VERTIKÁLNYM POHONOM
Ťažba dreva v severoamerických lesoch, predovšetkým pri západnom pobreží USA a Kanady, nadobúdala v tamojšej divočine úplne iné rozmery než v Európe. Nielen v množstve ťaženého dreva, dĺžky a objemu rúbaných stromov, ale aj vo vzdialenosti, kam bolo drevo potrebné dopraviť k spracovaniu. Preto tam už v 60. rokoch 19. storočia začali vznikať lesné železnice. Ich pohon bol animálny alebo gravitačný a doprava končila pri prvej rieke s dostatočným prietokom vody pre splavenie dreva. Koľajnice boli drevené, rovnako ako konštrukcia vozov, mostov a núdzových stavieb. V Kalifornii bola v roku 1871 uvedená do prevádzky prvá lesná železnica s pohonom parnej lokomotívy.
Do roku 1880 sa už takých dráh využívalo okolo 25, všetky s rozchodom koľajníc 1435 mm. Majitelia nakupovali vyradené lokomotívy verejných železníc, predovšetkým pre ich nízku cenu. Obľúbené boli stroje s dvoma hnacími nápravami a dvojnápravovým podvozkom vpredu (2B), samozrejme s vlečným tendrom na zásobu dreva a vody. Takéto lokomotívy celkom dobre prechádzali oblúkmi s menšími polomermi, ale na drevených koľajniciach, nevalne položenými, často vykoľajovali.
Nekvalitné koľaje spolu s pevným rámom “európskych” lokomotív boli príčinou častých nehôd
V 70. rokoch sa stal majiteľom píly a drevárskeho podniku v Haringu v štáte Michigan istý Ephraim Shay. Narodil sa v roku 1839 a krátku dobu pôsobil v Ohiu ako praktický lekár. Po tom, čo sa oženil, zmenil nielen adresu, ale aj zamestnanie. Na svojej lesnej železnici si všimol skutočnosť, že lokomotívy ničia koľajnice omnoho viac než vozy na otočných podvozkoch, hoci statické zaťaženie na jednu nápravu bolo pri naložených vozoch často väčšie než u lokomotív. Pripisoval to dynamickému pôsobeniu mechanizmu klasického dvojvalcového parného stroja, ktorý s lokomotívou „vrtí“. Hľadal spôsob pohonu, ktorý by sa dal použiť pre základný rám podvozkového nákladného voza. Vo vlastnej dielni svojej drevárskej firmy nechal postaviť veľmi kuriózne hnacie vozidlo, ktoré síce nebolo zďaleka dokonalé, ale jazdilo a ťahalo naložené vozy. Pre istotu si ho dal patentovať, a keďže lokomotíva po menších úpravách začala dobre slúžiť, hľadal pre svoj patent využitie. Obnovil svoje styky v Ohiu a predal patent za 10 tisíc dolárov strojárni v meste Lima. Tá dosiaľ vyrábala hospodárske stroje, ale v roku 1879 postavila prvú parnú lokomotívu podľa Shayovho patentu a slávila s ňou úspech. V roku 1894 sa podnik premenovali na Lima Locomotive & Machine Works a stal sa jedným z najväčších výrobcov lokomotív v USA. Stroje podľa patentu doktora Shaya dlhé roky patrili k jeho najúspešnejším výrobkom.
Jednotlivé konštrukčné typy lokomotív SHAY:
Základný princíp lokomotívy SHAY bol veľmi jednoduchý: na podvozkový plochý voz sa posadil stojatý kotol a vedľa neho na pravú stranu kompaktný stojatý dvojvalcový parný stroj. Takéto usporiadanie bolo vcelku bežné ako pohon mnohých stabilných strojov pre rôzne účely, tiež pre žeriavy a lanové nakladače dreva. Kľukový hriadeľ parného stroja bol uložený pozdĺžne na boku rámu a s pomocou tzv. Kardanových hriadeľov, teda spojovacích hriadeľov umožňujúcich zmenu dĺžky, a kĺbových spojok na ich oboch koncoch, sa výkon prenášal na podvozky. Hlavný problém predstavoval prenos výkonu na nápravy lokomotívy. Na pozdĺžny hriadeľ podvozku, ktorý nadväzoval na kĺbový hriadeľ od parného stroja, bolo preto nasadené pre každú nápravu kužeľové ozubené koleso, ktoré zaberalo s kužeľovým kolesom na náprave. Ozubené kolesá však nemohli byť umiestnené v uzavretej skrini, takže pracovali prakticky nasucho, len so stopami kolomaže, ktorou sa primazávali. Medzi zuby sa tiež ľahko dostávali nečistoty, zvlášť na miestach manipulácie s drevom. To bola hlavná nevýhoda Shayových lokomotív, či už išlo o nutnosť častej výmeny opotrebovaných alebo zničených bicyklov, či o hlučnosť strojov. Počas prvých piatich rokov výroby bol pôvodný stojatý kotol nahradený obvyklým ležatým typom rušňového kotla. Kvôli jednostranne umiestnenému parnému stroju ale musel byť kotol posadený doľava mimo pozdĺžnu os lokomotívy, čím "shayky" raz a navždy získali svoju veľmi zvláštnu nevyváženú podobu. Výrobca začal ponúkať tiež silnejšie a väčšie lokomotívy - parný stroj dostal tretí valec a ďalší spojovací hriadeľ mohol poháňať aj tretí podvozok na prívesnom tendri. V rokoch 1900 až 1910 sa vyrobilo niekoľko lokomotív dokonca so štyrmi hnacími podvozkami.
Výhody lokomotív tohto vyhotovenia boli výrazné. Rýchlobežný parný stroj dával veľkú a pomerne rovnomernú ťažnú silu (najmä v trojvalcovom usporiadaní), pri posune sa dalo jemne nabiehať, pritom rozjazd do rýchlosti okolo 20 km / h bol rýchly. Častejšie výfuky pôsobili dobrý ťah v ohnisku, všetky časti pohonu boli dobre prístupné. To bola paradoxne zároveň aj ich nevýhoda, pretože boli rovnako dobre prístupné aj poškodeniu. Oproti klasickým rušňom boli tiež zložitejšie, pomalé a hlučné. Kadencia výfuku bola aj pri pomalej jazde 20 km / h rovnaká ako u bežnej trojvalcovej rýchlikovej lokomotívy pri 90 km / h (!)
Lokomotíva SHAY č. 18 na Taiwane
V roku 1945, kedy Lima produkciu lokomotív Shay ukončila, vyrobila ešte rekordný stroj s hmotnosťou 147 ton s troma podvozkami. Lokomotíva s dĺžkou 20 m vozila uhlia na vlečke, ktorej najväčší sklon bol 70 promile. Pri rýchlosti 16 km / h bola schopná hore dopraviť 156 ton, na rovine rovnakou rýchlosťou 5560 ton. Celkovo bolo v období rokov 1880 až 1945 v Lime vyrobené 2760 lokomotív Shay prevažne normálneho rozchodu alebo úzkeho rozchodu 3 stopy (914 mm). Lokomotívy sa predávali predovšetkým do USA a Kanady. Mimo Ameriky sa používali na poľnohospodárskych a lesných železniciach predovšetkým v juhovýchodnej Ázii (Filipíny alebo Tchaiwan - rozchod 762 mm), známe je ich použitie tiež v Austrálii.
Do Európy (vtedajšieho Rakúsko-Uhorska) doviezla v roku 1912 firma Krauss Mníchov / Linec jednu jedinú dvojvalcovú lokomotívu s dvoma podvozkami na rozchod 760 mm. Technicko-policajnú skúšku skúšobnou jazdou absolvovala 13. 11. 1912 na trati SKGLB pri Salzburgu. Továreň sa ju pokúšala ponúkať rôznym dráham v monarchii, ale neúspešne. Až za prvej svetovej vojny ju predala do kameňolomu v uhorskom meste Torda. Po vojne jazdila lokomotíva v Bosne na lesnej železnici Begovo Han, ale stopy po nej definitívne miznú ešte pred druhou svetovou vojnou.
Zapožičaná lokomotíva SHAY bola rovnakého typu a z rovnakej výrobnej série ako je na Taiwane
Iné typy lokomotív s vertikálnym pohonom
Niektorí konštruktéri aj majitelia tovární zaznamenali úspech Shayových lokomotív a zároveň si uvedomili, v čom spočíva ich hlavná nevýhoda - v kužeľových ozubených kolesách umiestnených na jednej strane každého podvozka. Snažili sa preto ponúknuť náhradné riešenie, ktoré by problémy odstránilo. George Gibert ako prvý navrhol uložiť pozdĺžne kĺbové hriadele pod rámom v pozdĺžnej osi lokomotívy, čím sa ozubené prevody schovali do stredu podvozkov. Použil najprv stojatý kotol a dvojvalcový a stojatý parný stroj umiestnil pred neho. Svoje riešenie odovzdal firme Climax Manufacturing Co., Corry v Pensylvánii, po ktorej tento typ neskôr získal svoje všeobecné meno. Prvú lokomotívu vyrobili v roku 1888, ale už o tri roky neskôr sa prevedenie zmenilo na variant s ležatým lokomotívnym kotlom. Kvôli nemu bolo nutné použiť klasický dvojvalcový rušňový parný stroj. Na každej strane lokomotívy bol vedľa kotla šikmo uložený jeden parný valec, ktorý poháňal priečny jalový hriadeľ. Z neho sa výkon prenášal pod lokomotívou cez kužeľový prevod na pozdĺžny kardanový hriadeľ v osi lokomotívy, na podvozkoch potom boli opäť kužeľové prevody na nápravy. Riešenie Climax bolo výhodnejšie kvôli skrytému uloženiu prevodov a symetrickému usporiadaniu, navyše pri použití bežného typu rušňového parného stroja to bolo tiež lacnejšie. Pribudol však jalový hriadeľ a ďalší kužeľový prevod, ktorý prenášal celý výkon stroja. Hlavnou nevýhodou bol zlý prístup k prevodovým zariadeniam na spodku lokomotívy, spôsoboval problémy najmä v podmienkach lesných a poľnohospodárskych železníc. Do roku 1928 bolo vyrobených asi 1000 strojov typu Climax, čiastočne tiež trojpodvozkových.
Lokomotíva Climax Pohon lokomotívy Haisler
Charles Heisler vyvinul svoj typ lokomotívy v roku 1891, ale vyrábať ju potom začala firma Stearns Manufacturing Co., Erie v Pennsylvánii až o tri roky neskôr. Konštruktér sa snažil ďalej zjednodušiť prevedenie Climax. Predovšetkým vynechal jalový hriadeľ s kužeľovým prevodom. Namiesto toho usporiadal oba valce lokomotívy do V tak, aby spoločný kľukový hriadeľ mohol uložiť spolu s kardanmi pozdĺžne uprostred lokomotívy. Na každom podvozku bol ozubený prevod len na jednu nápravu, z ktorej sa potom sila prenášala na druhú spojnicami ako u klasickej lokomotívy. Prevedenie bolo teda o jalový hriadeľ a tri ozubené prevody jednoduchšie ako Climax, navyše prevody boli v skrini s olejovou náplňou. Platilo sa za to horším prístupom ku kľukovému hriadeľu a pohonu posúvačov. Do roku 1945 továreň vyrobila asi 850 kusov (iný prameň uvádza len 600), čiastočne aj trojpodvozkových či s prehrievačom.
Zdroje:
Lokomotivy s ozubenými převody typu Shay – Zdeňek Bauer 11. 9. 2017
https://www.vlaky.net/zeleznice/spravy/5582-V-risi-prevodov/
http://www.shaylocomotives.com/
http://www.climaxlocomotives.com/
http://www.gearedsteam.com/index.html