Fab Four: Patenty Wabtec, które wstrząsnęły światem
Specjalna edycja tygodnia inżynierów 2026
Wabtec to firma skoncentrowana na inżynierii. Zatrudnia ponad 4700 inżynierów na całym świecie i posiada ponad 6500 aktywnych patentów na całym świecie (z niedawnymi przejęciami Dellner Couplers, Evident's Inspection Technologies Division i Frauscher Sensor Technology Group spodziewają się dodać kolejne około 1000), których celem jest innowacje, które sprawiają, że transport towarowy i transport kolejowy są bezpieczniejsze, bardziej niezawodne, wydajne i produktywne.
Z okazji 75. rocznicy Tygodnia Inżynierów i 250. rocznicy powstania Stanów Zjednoczonych, Wabtec pozdrawia wszystkich inżynierów, zastanawiając się nad czterema największymi patentami, które trwale zmieniły przemysł kolejowy - i świat.
Uwaga dotycząca patentów
Ale najpierw zastanów się, czego potrzeba, aby nowa technologia mogła być opatentowana. John Kramer, starszy doradca patentowy w Wabtec, przedstawia następujące zasady przewodnie: „Aby wynalazek był prawnie godny patentu, musi spełniać dwa podstawowe kryteria: „nowość” i „nieoczywistość”.
Aby przejść test nowości, wynalazek musi co najmniej stopniowo różnić się od tego, co ktoś opracował w przeszłości. Następnie musi wykazać, że jest wystarczająco dużo delty między nim a poprzednim standardem, aby zmiana nie była oczywista dla kogoś z „zwykłymi umiejętnościami w sztuce”. Lub, jak określiłaby to europejska społeczność prawna, innowacja musi obejmować „innowacyjny krok”.
Uważamy, że zgadzasz się z następującymi czterema wynalazkami Wabtec bardziej niż zdaniem testu.
1. Lokomotywa wysokoprężno-elektryczna: patent amerykański nr 1,589 182
Myśl, że lokomotywa dieslowo-elektryczna, opracowana przez General Electric (obecnie Wabtec) we współpracy z Ingersoll-Rand i American Locomotive Company, nie tylko wypierze lokomotywę parową, ale także stanie się standardem bran żowym w ciągu ostatnich 100 lat, nie była prawdopodobnie przewidywana.
Z wyjątkiem, być może, Thomasa Edisona.
Edison wyczuł możliwości, o których para może pomarzyć tylko w latach 60. XIX wieku i rozpoczął swoją pionierską pracę nad całkowicie elektrycznymi pociągami później w Menlo Park w stanie NJ w 1880 roku. Jednak dopiero po pojawieniu się silnika spalinowego Nicolausa Otto (ICE; wynaleziony w 1876 r.) jako zastosowania przemysłowego pod koniec XIX i na początku XX wieku - takiego, który przekształcił przemysł motoryzacyjny, lotniczy i żeglugowy - pojawił się pomysł połączenia ICE i układu napędowego elektrycznego w lokomotywie.
Czas nie mógł być bardziej przypadkowy. Lokomotywy parowe miały swoje wyzwania. Opierali się na węglu, co czyniło ich zasadniczo brudnymi. Wymagali siły roboczej, aby wrzucać węgiel z przetargu do paleniska lokomotywy. Jedynym sposobem na przyspieszenie pociągów napędzanych parą była budowa coraz większych lokomotyw, które z kolei były ograniczone przez infrastrukturę kolejową, ponieważ cały system, a nie tylko kocioł, był zmuszony do rozwoju.
Edison dostrzegł szansę na stopniową poprawę, aw 1925 roku General Electric i jego partnerzy rzucili się. Narodził się silnik wysokoprężno-elektryczny.
„Edison zawsze chciał oferować kolejom czystszą, bardziej ekonomiczną alternatywę dla pary” - mówi Steve Gerbracht, dyrektor ds. architektury lokomotyw i rozwoju koncepcji w Wabtec. „Gdy przemysłowe zastosowania silników spalinowych zaczęły działać, żarówka dosłownie włączyła się w GE, aby lokomotywa, niezależnie od linii katenarnych i szyn trzecich, mogła pomieścić własną elektrownię.
Następnie, dzięki zastosowaniu alternatora, energia mechaniczna wytwarzana przez ICE — w tym przypadku silnik wysokoprężny — mogłaby zostać przekształcona w energię elektryczną, która mogłaby napędzać silniki trakcyjne na kołach lokomotywy. To połączenie silnika spalinowego z arsenałem komponentów elektrycznych i urządzeń napędowych Edisona dosłownie zmieniło historię lokomotyw i pozostaje standardem, zgodnie z którym Wabtec i cały przemysł nadal wprowadzamy innowacje.
Eric Gebhardt, wiceprezes wykonawczy i dyrektor ds. technologii w Wabtec, dodaje: „Przełom Edisona w silniku dieslowo-elektrycznym jest uosobieniem „myślenia systemowego”. On i jego zespół nie tylko patrzyli na ulepszenie silnika, ale na nowo go wyobrażali, w tym, co może zasilać i jak. To bardziej holistyczne, zorientowane na system podejście do rozwiązywania problemów leży u podstaw przełomowych patentów firmy Wabtec i DNA naszej kultury inżynierskiej.
2. Hamulec pneumatyczny: patent USA nr 124,405
Przed hamulcem pneumatycznym, najnowocześniejszym sposobem na zatrzymanie pociągu było to, aby „hamulcy” pokonywali długość pociągu i indywidualnie uruchamiali hamulce w każdym samochodzie, gdy pociąg się poruszał. Zadanie to było niezwykle niebezpieczną pracą i ograniczało możliwość zwiększenia długości pociągu.
Założyciel firmy Wabtec, George Westinghouse, był odpowiednim człowiekiem do tej pracy.
Zainspirowany artykułem poświęconym zastosowaniu wiertarki pneumatycznej do kopania tunelu we Francji, procesu wymagającego pompowania sprężonego powietrza przez około 3000 stóp rurociągów, Westinghouse opracował plan wykorzystania powietrza do napędzania hamulców w pociągu.
Jego pierwotny patent na hamulec pneumatyczny, nr 88929, wydany 13 kwietnia 1869 r., zawierał sprężarkę powietrza napędzaną parą na lokomotywie, która pompowała powietrze ciśnieniowe przez sieć węży prowadzących do cylindrów hamulcowych w każdym samochodzie. System, po uruchomieniu przez inżyniera pociągu, skutecznie uruchamiał hamulce na całej długości pociągu.
Zaledwie trzy lata później Westinghouse ulepszył swoją konstrukcję, dodając „potrójny zawór” i „zbiornik pomocniczy”, aby stworzyć pierwszy na dużą skalę system zabezpieczający przed awariami. W efekcie inżynier nadal mógł kontrolować hamowanie jak zwykle, ale z jedną kluczową różnicą: teraz system wykorzystywał ciśnienie powietrza, aby zatrzymać hamulce. A jeśli sprzęgło pękło lub pęknie wąż, utrata ciśnienia spowodowała natychmiastowe uruchomienie hamulców na wszystkich samochodach, zatrzymując pociąg.
„Przewidywanie tego systemu jest absolutnie niesamowite” - zauważa Gebhardt. „Patrząc na te patenty sprzed ponad 150 lat, zdajemy sobie sprawę, że nadal hamujemy pneumatyczne hamulce pneumatyczne bardzo podobnie do tego, jak początkowo planował to George Westinghouse. Tworząc ten szablon, jak zatrzymać pociąg, odegrał również kluczową rolę w umożliwianiu pociągów dłuższego wzrostu, a tym samym bardziej produktywnego”.
3. Pantograf jednoramieniowy: patent amerykański nr 2 935 576
Współzałożyciel Wabtec Louis Faiveley nie wymyślił pantografu - po prostu uczynił go nierozpoznawalnie lepszym.
Dwuramienne pantografy w kształcie rombu z początku do połowy XX wieku pasowały do sztywności i napięć przewodów napowietrznych tamtej epoki. Jednak ich objętość i ciężka masa nie sprzyjały wyższym napięciom i wyższym prędkościom, które kuszały.
Faiveley wykorzystał okazję do opracowania nowego i lepszego rodzaju pantografu, całkowicie rozbijając formę dzięki wynalezieniu pantografu jednoramieniowego (znanego również jako półpantograf lub pantograf w kształcie litery Z). Cud inżynierii, elegancki design Faiveley był lżejszy, bardziej aerodynamiczny i genialnie wykorzystywany naturalnie występujący „podnośnik” z powietrza pędzącego obok niego, aby utrzymać głowicę panelu w stałym kontakcie z drutem. Nowy pantograf ustanowił światowy rekord prędkości (331 kmh/206 mil na godzinę) dla pociągu z napędem elektrycznym w tym samym roku, w którym został wprowadzony, 1955, i jest standardem branżowym do dziś.
A wraz z ciągłymi innowacjami w pantografie jednoramiennym, nastąpiło więcej rekordowych wyników. Nowe modele pantografów Wabtec, wszystkie zadłużone firmie Faiveley, umożliwiły pociągom osiąganie prędkości 515 km/h 320 mph i 574 km/h 356 mph odpowiednio w 1990 i 2007 roku. Oprócz ustanowienia nowych rekordów prędkości, pantografy Wabtec osiągnęły wiele pierwszych osiągnięć w XX i XXI wieku, obejmując innowacje w zakresie projektowania materiałów, rozmiaru powierzchni, integracji dachu, zasięgu ramion i trybów mocy, przyczyniając się do rozpowszechnienia pantografów przekraczających 150 typów i ponad 90 000 zainstalowanych na całym świecie.
„Wizjonerskie dzieło Faiveley zapoczątkowało nową erę kolei dużych prędkości, która zmieniła branżę tranzytową, a wraz z nią życie milionów podróżników” - podziwia Matt Atkins, dyrektor ds. inżynierii kolekcji energii w Wabtec. „W świecie pantografów i szybkich pociągów istnieje wyraźne „przed i po” oznaczone rokiem 1955.
4. Rozproszona moc LOCOTROL ®: patent amerykański nr 3,380 399
Szybko naprzód do 1965 roku. Przemysł kolejowy był głodny rozproszonej energii, zjawiska intuicyjnie rozumianego przez każde dziecko, które nawijało samochód za samochodem razem na modelowym zestawie pociągu. W pewnym momencie, gdy pociąg staje się zbyt długi, chce się rozdzielić.
Rozwiązanie? Dodawanie kolejnych lokomotyw.
Ale gdzie je umieścić?
Chociaż układanie ich z przodu mogłoby być najłatwiejsze, taka konfiguracja ciężkich lokomotyw zbytnio obciążałaby istniejącą infrastrukturę kolejową, w tym mosty (patrz schemat) oraz łączniki pociągów i dyszły. Rozwiązując ten pierwszy „przypadek użycia”, narod ził się LOCOTROL ®.
LOCOTROL ® stanowi przełom w systemie sterowania i komunikacji, który umożliwia bezzałogowej lokomotywie tylnej, niezależnie od tego, gdzie jest ona umieszczona, wykonywanie poleceń lokomotywy wiodącej. Tak więc, jeśli operator umieszcza lokomotywę w czwartym nacięciu kontroli trakcji, to polecenie „nacięcie cztery” jest przekazywane do lokomotywy (lokomotyw) umieszczonej na środku lub z tyłu pociągu.
„Wczesne wersje LOCOTROL ® są analogiczne do pierwszych dni superkomputerów” - zauważa Danny Rush, wiceprezes ds. inżynierii w Wabtec. „Do wykonywania poleceń „zdalnego sterowania” od przodu pociągu do tyłu potrzebował całego wagonu towarowego RFID i sprzętu komputerowego. W latach 90. sprowadziliśmy go do rozmiaru sprzętu na półce, a następnie, wraz z ciągłym postępem w mikroprocesorach, rozmiar rozwiązania skurczył się do pudełka o długości około jednej stopy”.
Wraz z rozwojem mocy obliczeniowej i sieci komunikacyjnych również mają ambicje dla LOCOTROL ®, a operatorzy kolejowi na całym świecie przesuwają kopertę na przekazywanie poleceń nie tylko między lokomotywami, co umożliwiło dłuższe i dłuższe pociągi, ale także między lokomotywami i wieżami, a nawet z całkowicie odległych lokalizacji.
„Oryginalny patent na LOCOTROL ® stworzył ramy sterowania i komunikacji potrzebne do zapewnienia bezpiecznej rozproszonej mocy w pociągu, który został wydany w erze dłuższych i dłuższych pociągów oraz związanych z nimi wzrostu wydajności” - mówi Bob Palanti, starszy architekt ds. obsługi pociągów w Wabtec. Ale ten patent na przełom wodnym przygotował również grunt pod rewolucję w automatyzacji, która obecnie trwa 70 lat, która pobudza nowe modele operacyjne i zwiększa wydajność. Wabtec i jego klienci nie skończyli jeszcze z LOCOTROL ® - nawet nie są blisko.”
Wniosek
Jedną z oznak udanego patentu jest ilość późniejszych innowacji, które napędza i inspiruje. Te cztery patenty (FAB), których korzenie sięgają połowy XIX wieku, nie tylko z czasem przekształciły przemysł kolejowy, ale stały się fundamentami, na których inżynierowie Wabtec nadal wprowadzają innowacje do dziś.
„Rzecz, co łączy każdy z tych patentów, to nie tylko ich niesamowita przewidywalność, ale także ich śmiałość. Mam na myśli 150, 100 i 50 lat później nadal jesteśmy bardzo przywiązani do pierwotnego myślenia stojącego za tymi patentami” - podsumowuje Gebhardt. „Edison, Westinghouse, Faiveley i inni stworzyli plan dla wszystkich inteligentnych i ambitnych inżynierów do naśladowania: Huśtawka dla ogrodzeń. Twoje pomysły mogą zmienić świat. ”