Кинетичната енергия на „Сапсан“ при максимална скорост е над 1500 мегаджоула. За пълно спиране, всичката енергия трябва да бъде разсейвана от спирачните устройства.
Беше точно тук, на Хабра. Тук се публикуват доста ревюта на влаковата тематика, но тази тема все още не е разглеждана подробно. Смятам, че би било много интересно да напиша статия по този въпрос, а може би и не една. Затова моля, прочетете под заглавието тези, които се интересуват как са устроени спирачните системи на железопътния транспорт и по какви причини те са организирани именно така.
1. История на появата на пневматичната спирачка
Задачата за управление на всеки транспорт включва регулиране на скоростта на движение. Железопътният транспорт не прави изключение, освен това, неговите конструктивни особености въвеждат съществени нюанси в този процес. Влакът се състои от много свързани помежду си вагони, а получената система има значителна дължина и маса при сравнително висока скорост на движение.
По определение, спирачките са комплекс от устройства, предназначени за създаване на изкуствени, регулирани сили на съпротива, използвани за контролирано намаляване на скоростта на движение на транспортното средство.
Най-очевидният и на повърхността начин за създаване на спирачно усилие е използването на силата на триене. От самото начало и до днешен ден се използва фрикционната спирачка с накладки. Специални устройства – спирачни накладки, изработени от материал с висок коефициент на триене, механично се притискват към повърхността на колелото (или към специални дискове, монтирани на осите на колелото). Между накладките и колелото възниква силата на триене, създаваща спирачен момент.
Регулирането на спирачното усилие се извършва чрез промяна на силата на притискане на накладките към колелото – спирачно налягане. Въпросът е само какъв механизъм се използва за притискане на накладките, а историята на спирачките до известна степен е история на развитието на този механизъм.
Първите железопътни спирачки бяха механични и се задействаха ръчно, отделно за всеки вагон от специално обучени хора — спирачи или контролери. Контролерите се намираха на така наречените спирачни площадки, с които бяха оборудвани всеки вагон, и задействаха спирачките по сигнал от машиниста на локомотива. Обменът на сигнали между машиниста и контролерите се осъществяваше чрез специален сигнален въже, протегнато по цялото влак, което задействаше специален свирка.
Старинен двеосен товарен вагон с спирачна площадка. Виден е ръчният лост на спирачката.
Самата спирачка с механичен привод има малка мощност. Степента на спирачното натиск зависеше от силата и сръчността на контролера. Освен това, в работата на такава спирачна система се намесваше човешкият фактор — контролерите не винаги изпълняваха задълженията си правилно. Нямаше как да се говори за висока ефективност на такива спирачки, както и за увеличаване на скоростта на движение на влаковете, оборудвани с тях.
По-нататъшното развитие на спирачките изискваше, на първо място, увеличаване на спирачния натиск, и на второ — осигуряване на възможност за дистанционно управление на всички вагони от работното място на машиниста.
Хидравличният привод, използван в автомобилните спирачки, стана широко разпространен, тъй като осигурява високо натискане при компактен размер на изпълнителните устройства. Въпреки това, при прилагането на такава система в влака ще се прояви основният й недостатък: необходимостта от специално работно вещество — спирачна течност, чиято загуба е недопустима. Голямата дължина на хидравличните спирачни линии в влака, заедно с високите изисквания към тяхната херметичност, правят създаването на хидравлична железопътна спирачка невъзможно и нерационално.
Също така пневматичният привод е нещо различно. Използването на въздух под високо налягане позволява получаването на високи спирачни натиск при приемливи размери на изпълнителните устройства — спирачните цилиндри. Няма недостиг на работно вещество — въздухът е около нас и дори когато се случи загуба на работното вещество от спирачната система (а тя неизбежно възниква), е относително лесно да се възстанови.
Най-простата система за спиране, използваща енергия от сжатия на въздух, е директен неавтоматичен спирачка
Схема на директния неавтоматичен спирачка: 1 — компресор; 2 — главен резервоар; 3 — захранваща магистрала; 4 — спирачен кран на машиниста; 5 — спирачна магистрала; 6 — спирачен цилиндър; 7 — пружина за освобождаване; 8, 9 — механичен спирачен предавател; 10 — спирачни накладки.
За работата на такава спирачка е необходим запас сжатого въздуха, който се съхранява на локомотива в специален резервоар, наречен главен резервоар (2). Нагнетяването на въздух в главния резервоар и поддържането на постоянно налягане в него се извършва от компресора (1), работещ от енергийното устройство на локомотива. Доставянето на сжат воздух към инструментите за управление на спирачките става по специален тръбопровод, наречен захранваща (ПМ) или напорна магистрала (3).
Управлението на спирачките на вагоните и подаването на сжатого въздуха в тях се извършва с помощта на дълъг тръбопровод, който преминава през целия влак и се нарича спирачна магистрала (ТМ) (5). При подаване на сжатого въздуха по ТМ, той запълва спирачния цилиндър (ТЦ) (6), свързан директно с ТМ. Сжатият въздух натиска на буталото, притискайки спирачните накладки (10) към колелата, както на локомотива, така и на вагоните. Процесът на спиране започва.
За прекратяване на спирането, тоест освобождаване на спирачките, е необходимо да се изпусне въздуха от спирачната магистрала в атмосферата, което ще доведе до връщането на спирачните механизми в изходна позиция благодарение на усилието на пружините за освобождаване, инсталирани в ТЦ.
За спиране е необходимо да се свърже спирачната магистрала (ТМ) с захранващата (ПМ). За освобождаване — да се свърже спирачната магистрала с атмосферата. Тези функции изпълнява специален инструмент — спирачен кран на машиниста (4) — при спиране свързва ПМ и ТМ, при освобождаване — разединява тези тръбопроводи, като едновременно освобождава въздуха от ТМ в атмосферата.
В такава система съществува и трето, междинно положение на крана на машиниста — заключване Когато ПМ и ТМ са разделени, но и изпускането на въздух от ТМ в атмосферата не става — кранът на машината напълно я изолира. Натрупаното в ТМ и ТЦ налягане се запазва, а времето, през което то се поддържа на установено ниво, се определя от величината на въздушните течове през различни неплътности, както и от термичната устойчивост на спирачките, които се нагряват при триене с обода на колелата. Поставянето в перекриваща позиция както при спиране, така и при освобождаване позволява регулиране на спирачното усилие на стъпки. Тази спирачка осигурява както стъпково спиране, така и стъпково освобождаване.
При цялата простота на такава система на спирачката, тя има фатален недостатък — при разкачване на влака настъпва разкъсване на спирачната магистрала, въздухът излиза от нея и влакът остава без спирачки. Именно поради тази причина такава спирачка не може да бъде използвана на железопътния транспорт, цената на нейния отказ е твърде висока. Дори без разкъсване на влака, при наличие на голяма въздушна теч, ефективността на спирачката ще бъде намалена.
Въз основа на казаното по-горе възниква изискването, че спирането на влака да се инициира не от увеличаване, а от намаляване на налягането в ТМ. Но как тогава да се напълнят спирачните цилиндри? Това предоставя второ изискване — на всяка подвижна единица в влака трябва да се съхранява резерв на сжат въздух, който трябва да се попълва оперативно след всяко спиране.
Подобни изводи направи инженерната мисъл в края на XIX век, което се изрази в създаването от Джордж Уестингхаус през 1872 година на първата автоматична железопътна спирачка.
Устройството на спирачката на Уестингхаус: 1 — компресор; 2 — главен резервуар; 3 — захранваща магистрала; 4 — кран на машината на влака; 5 — спирачна магистрала; 6 — въздушен разпределител (тройна клапа) на системата на Уестингхаус; 7 — спирачен цилиндър; 8 — резервен резервуар; 9 — спирачен кран.
На схемата е показано устройството на тази спирачка (снимка а — работа на спирачката при освобождаване; б — работа на спирачката при спиране). Главният елемент на спирачката на Уестингхаус стана въздушният разпределител на спирачките или, както още го наричат понякога, тройната клапа. Този въздушен разпределител (6) има чувствителен орган — бутало, което работи на разликата между двете налягания — в спирачната магистрала (СМ) и резервната бутилка (РБ). Ако налягането в СМ стане по-ниско от това в РБ, буталото се измества наляво, отваряйки път за въздуха от РБ към ТЦ. Ако налягането в СМ стане по-високо от налягането в РБ — буталото се измества надясно, свързвайки ТЦ с атмосферата и едновременно свързвайки СМ и РБ, осигурявайки запълването на последната сCompressed air from СМ.
Следователно, при понижаване на налягането в СМ по каквато и да е причина, било то действия на машиниста, прекомерна загуба на въздух от СМ или счупване на влака — спирачките ще сработят. Тоест тези спирачки притежават автоматизираност. Това свойство на спирачките позволи да се добави още една възможност за управление на спирачките на влака, използвана и до днес — аварийно спиране на влака от пътника, чрез свързване на спирачната магистрала с атмосферата чрез специален клапан — стоп-кран (9).
На тези, които са запознати с тази особеност на спирачната система на влака, им е смешно да гледат филми, където крадци-каубои храбро отключват товарен вагон с злато от влака. За да се осъществи такова нещо, каубоите трябва преди отключването да затворят крайни кранове на спирачната магистрала, разделящи спирачната магистрала от свързващите маркучи между вагоните. Но те никога не го правят. От друга страна, затворените крайни кранове неведнъж са служили причина за страшни катастрофи, свързани с отказ на спирачките, както у нас (Каменск през 1987 г., Ерал-Симска през 2011), така и в чужбина.
Заради факта, че запълването на спирачните цилиндри се извършва от вторичен източник на компресиран въздух (резервна бутилка), без възможност за неговото постоянно подновяване, такава спирачка се нарича непряко действоваща. Зареждането на РБ с компресиран въздух става само при отпускане на спирачките, което води до това, че при чести спирания с последващо отпускане, при недостатъчна издържливост на времето след отпускането, РБ не успява да се зареди до необходимо налягане. Това може да доведе до пълно изтощаване на спирачките и загуба на управление над спирачките на влака.
Пневматичната спирачка има и друг недостатък, свързан с това, че спадът на налягането в спирачната магистрала, както и всяко смущение, в въздушната среда се разпространява с голяма, но все пак крайна скорост — не повече от 340 м/с. Защо не повече? Защото скоростта на звука е идеален вариант. Но в пневмосистемата на влака съществуват редица пречки, които намаляват скоростта на разпространение на спада на налягането, свързани с съпротивлението на въздушния поток. Следователно, ако не бъдат взети специални мерки, скоростта на спадането на налягането в ТМ ще бъде толкова по-ниска, колкото по-далеч е вагонът от локомотива. В случая със спирачката на Вестингауза скоростта на т.нар. спирачна вълна не надвишава 180 — 200 м/с.
Въпреки това, появата на пневматичната спирачка позволи да се увеличи както мощността на спирачките, така и оперативността на управлението им директно от работното място на машиниста. Това послужи като мощен тласък за развитието на железопътния транспорт, увеличаването на скоростта на движение и теглото на влаковете, и в следствие на това, огромно увеличение на товари, преминаващи по железниците, ръст на дължината на железопътните линии по целия свят.
Джордж Вестингауз не само че е изобретател, но и предприемчив бизнесмен. Своето изобретение той патентова още през 1869 година, което му позволи да стартира масово производство на спирачно оборудване. Доста бързо спирачката на Вестингауза получи широко разпространение в САЩ, Западна Европа и в Руската империя.
В Русия спирачката на Вестингауза безразделно царуваше до Октомврийската революция, а и доста дълго време след нея. Фирма "Вестингауз" построи в Петербург своя спирачен завод, а също така хитро изтласка конкурентите от руския пазар. Въпреки това, спирачката на Вестингауза имаше редица принципни недостатъци.
На първо място, тази спирачка осигуряваше само два режима на работа: спиране до пълно напълване на спирачните цилиндри, и освобождаване — изпразване на спирачните цилиндри. Създаването на междинна стойност на спирачното налягане с дълго поддържане беше невъзможно, т.е. в спирачката на Вестингауза липсваше режим на прекъсването. Това не позволяваше реализирането на прецизно управление на скоростта на влака.
На второ място, спирачката на Вестингауз работеше лошо в дълги влакове, и ако в пътническото движение можеше да се мирише с това, то в товари възникваха проблеми. Помните ли спирачната вълна? В такава спирачка на Вестингауз нямаше средства за увеличаване на нейното скорост, и при дълъг влак намаляването на налягането в спирачната система на последния вагон можеше да започне твърде късно, а и с темп, значително по-нисък от този в главата на влака, което създаваше ужасна неравномерност в работата на спирачките по състава.
Трябва да се каже, че цялата дейност на фирмата "Вестингауз", както в Русия по това време, така и в целия свят, е пронизана от капиталистическата същност на патентните войни и недобросъвестна конкуренция. Това осигури на така несъвършената система толкова дълъг живот, поне в този исторически период.
При всичко това трябва да признаем — спирачката на Вестингауз положи основите на спирачната наука и принципът на нейното действие остана непроменен в съвременните спирачки на подвижния състав.
2. От спирачката на Вестингауз до спирачката на Матросов — формирането на отечествената спирачна наука.
Почти веднага след появата на спирачката на Вестингауз и осъзнаването на нейните недостатъци възникнаха опити за усъвършенстване на тази система, или създаване на друга, принципно нова. Нашата страна не беше изключение. В началото на XX век Русия разполага с разширена мрежа от железници, които играят значителна роля в осигуряването на икономическото развитие и отбранителната способност на страната. Повишаването на ефективността на транспорта е свързано с увеличаването на скоростта на движение и масата на едновременния превоз на товари, което поставя остро въпросите за усъвършенстване на спирачните системи.
Съществен тласък за развитието на спирачната наука в РСФСР, а по-късно и СССР, даде намаляването на влиянието на голям западен капитал, в частност на фирмата "Вестингауз", върху развитието на отечествената железопътна отрасль след октомври 1917 година.
Ф.П. Казанцев (вляво) и И.К. Матросов (вдясно) — създателите на отечествената железопътна спирачка.
Първият сигнал, първото сериозно постижение на младата отечествена спирачна наука, бяха разработки на инж. Флорентий Пименович Казанцев. През 1921 година Казанцев предложи система. пряко действаща автоматична спирачка. Следната схема показва всички основни идеи, въведени не само от Казанцев, и нейното предназначение е да обясни основните принципи на работа на усъвършенстваната автоматична спирачка
Пряко действаща автоматична спирачка: 1 — компресор; 2 — главен резервуар; 3 — питателна магистрала; 4 — машинен кран; 5 — устройство за захранване на течове от спирачната магистрала; 6 — спирачна магистрала; 7 — свързващи спирачни маркучи; 8 — краен кран; 9 — стоп-кран; 10 — обратен клапан; 11 — запасен резервуар; 12 — въздушен разпределител; 13 — спирачен цилиндър; 14 — спирачна лостова предавка.
И така, първата основна идея е, че управлението на налягането в ТМ се извършва косвено — чрез намаляване/увеличаване на налягането в специален резервуар, наречен уровняващ резервуар (УР). Той е показан на снимката вдясно от машинния кран (4) и отгоре на устройството за захранване на течове от ТМ (5). Плътността на този резервуар е технически много по-лесна за осигуряване в сравнение с плътността на спирачната магистрала — тръби с дължина, достигаща километър и преминаваща през целия влак. Относителната стабилност на налягането в УР позволява поддържането на налягане в ТМ, използвайки налягането в УР като задаващо. Всъщност, буталото в устройството (5) при намаляване на налягането в ТМ се спуска надолу, отваряйки клапана, който напълва ТМ от питателната магистрала, така поддържайки налягането в ТМ равно на налягането в УР. Тази идея имаше дълъг път на развитие, но сега налягането в ТМ не зависеше от наличието на външни течове от нея (до известни граници). Устройството 5 премина в машинния кран и остава в него, в модифициран вид, и до днешен ден.
Друг важен принцип, лежащ в основата на конструкцията на този тип спирачка, е захранването на ЗР от ТМ чрез обратен клапан 10. При превишаване на налягането в ТМ над налягането в ЗР, този клапан се отваря, напълвайки ЗР от ТМ. Така става непрекъснато попълване на течовете от запасния резервуар и се осигурява неизчерпаемост на спирачката.
Третата важна идея, предложена от Казанцев, е конструкцията на въздушния разпределител, който работи не на разлика от две налягания, а на три — налягането в спирачната магистрала, налягането в спирачния цилиндър и налягането в специалната работна камера (РК), която при отпускане се захранва с налягане от спирачната магистрала, заедно с резервния резервоар. В режим на спиране РК се разединява с резервния резервоар и спирачната магистрала, запазвайки стойността на първоначалното зарядно налягане. Това свойство се използва широко в спирачките на подвижния състав както за осигуряване на стъпков отпуск, така и за управление на равномерността на запълване на ТЦ по дължината на влака в товарните композиции, тъй като работната камера служи за еталон на първоначалното зарядно налягане. Въз основа на стойността му може да се осигури както стъпков отпуск, така и да се организира по-ранно запълване на ТЦ в задните вагони. Подробно описание на тези неща оставям за други статии по темата, засега само ще кажа, че работата на Казанцев послужи като стимул за развитието на научната школа в нашата страна, която доведе до разработването на оригинални системи за спиране на подвижния състав.
Друг съветски изобретател, който оказа кардинално влияние върху развитието на родните спирачки на подвижния състав, е Иван Константинович Матросов. Неговите идеи принципно не се различаваха от идеите на Казанцев, обаче последвалите след тях експлоатационни изпитания на спирачните системи на Казанцев и Матросов (в комбинация с други спирачни системи) показаха съществени предимства на втората система по отношение на експлоатационните характеристики, особено при приложение на товарни влакове. Така спирачката на Матросов с въздушен разпределител условие № 320 се превърна в основа за по-нататъшното разработване и проектиране на спирачно оборудване за железниците с ширина на колея 1520 милиметра. Съвременната автоматична спирачка, използвана в Русия и страните от ОНД, с право може да носи името на спирачката на Матросов, тъй като в начален етап на своето развитие е впитала идеите и конструктивните решения на Иван Константинович.
Вместо заключение
Какво заключение можем да направим? Работата по тази статия ме убеди, че темата заслужава поредица статии. В тази пилотна статия се докоснахме до историята на развитието на спирачките на подвижния състав. В следващите ще се потопим в пикантни детайли, засягайки не само нашите спирачки, но и разработки на колегите от Западна Европа, осветлявайки устройството на спирачки от различни типове и предназначения. Надявам се темата да бъде интересна и до нови срещи в Хабра!
Благодаря за вашето внимание!
Източник: habr.com
