Кинетичната енергия на Сапсан при максимална скорост е над 1500 мегаджаула. За пълно спиране, цялото количество трябва да бъде разсеяно от спирачните устройства.
Имаше нещо точно тук на Хабре. Тук се публикуват доста обзорни статии на железопътна тематика, но тази тема все още не е разгледана подробно. Мисля, че би било доста интересно да напиша статия за това, а може би и повече от една. Затова моля за котката на тези, които се интересуват как са проектирани спирачните системи на железопътния транспорт и по какви причини са проектирани по този начин.
1. Историята на въздушната спирачка
Задачата за управление на всяко превозно средство включва регулиране на скоростта му. Железопътният транспорт не е изключение, освен това неговите конструктивни характеристики въвеждат значителни нюанси в този процес. Влакът се състои от голям брой свързани помежду си вагони, а получената система има значителна дължина и тегло при много прилична скорост.
По дефиниция, спирачките са набор от устройства, предназначени да създават изкуствени, регулируеми съпротивителни сили, използвани за контролирано намаляване на скоростта на превозното средство.
Най-очевидният, на пръв поглед, начин за създаване на спирачна сила е използването на триене. От самото начало до днес се използват челюстни фрикционни спирачки. Специални устройства - спирачни накладки, изработени от материал с висок коефициент на триене, механично се притискат към търкалящата се повърхност на колелото (или към специални дискове, монтирани на оста на колоосите). Между накладките и колелото възниква сила на триене, създавайки спирачен момент.
Спирачната сила се регулира чрез промяна на силата на натискане на накладките към колелото - спирачно налягане. Единственият въпрос е какво задвижване се използва за натискане на накладките и отчасти историята на спирачките е историята на развитието на това задвижване.
Първите железопътни спирачки са били механични и са се задействали ръчно, отделно на всеки вагон от специални хора - спирачи или кондуктори. Кондукторите са били разположени на т. нар. спирачни площадки, с които е оборудван всеки вагон, и са натискали спирачките по сигнал на локомотивния машинист. Обменът на сигнали между машиниста и кондукторите се извършваше с помощта на специално сигнално въже, опънато по целия влак, което активира специална свирка.
Ретро двуосен товарен вагон със спирачна накладка. Вижда се копчето на ръчната спирачка
Самата механично задвижвана спирачка има малка мощност. Степента на натиска на спирачката зависеше от силата и сръчността на диригента. В допълнение, човешкият фактор пречи на работата на такава спирачна система - проводниците не винаги изпълняват задълженията си правилно. Нямаше нужда да говорим за високата ефективност на такива спирачки, както и за увеличаването на скоростта на влаковете, оборудвани с тях.
По-нататъшното развитие на спирачките изисква, първо, увеличаване на спирачното налягане и второ, възможността за дистанционно управление на всички автомобили от работното място на водача.
Хидравличното задвижване, използвано в автомобилните спирачки, стана широко разпространено поради факта, че осигурява високо налягане с компактни задвижващи механизми. Въпреки това, когато се използва такава система във влак, ще се появи основният й недостатък: необходимостта от специална работна течност - спирачна течност, изтичането на която е неприемливо. Голямата дължина на спирачните хидравлични тръбопроводи във влака, заедно с високите изисквания за тяхната плътност, правят невъзможно и нерационално създаването на хидравлична железопътна спирачка.
Друго нещо е пневматичното задвижване. Използването на въздух под високо налягане позволява да се получат високи спирачни налягания при приемливи размери на изпълнителните механизми - спирачните цилиндри. Няма недостиг на работна течност – въздухът е навсякъде около нас и дори да има изтичане на работна течност от спирачната система (а това със сигурност е така), тя може да бъде допълнена относително лесно.
Най-простата спирачна система, използваща енергия от сгъстен въздух, е неавтоматична спирачка с директно действие
Диаграма на неавтоматична спирачка с директно действие: 1 - компресор; 2 - основен резервоар; 3 - захранваща линия; 4 — влаков кран на машиниста; 5 - спирачна линия; 6 — спирачен цилиндър; 7 — освобождаваща пружина; 8, 9 — механична спирачна трансмисия; 10 - спирачна накладка.
За задействане на такава спирачка е необходимо захранване със сгъстен въздух, съхраняван на локомотива в специален резервоар, наречен основен резервоар (2). Извършва се впръскване на въздух в основния резервоар и поддържане на постоянно налягане в него компресор (1), задвижван от локомотивната електроцентрала. Сгъстеният въздух се подава към устройствата за управление на спирачките чрез специален тръбопровод, наречен хранителна (NM) или налягане магистрала (3).
Спирачките на вагоните се управляват и към тях се подава сгъстен въздух по дълъг тръбопровод, преминаващ през целия влак и т.нар. спирачна линия (TM) (5). Когато през ТМ се подава сгъстен въздух, той се запълва спирачни цилиндри (TC) (6), свързан директно към TM. Сгъстеният въздух притиска буталото, притискайки спирачните накладки 10 към колелата, както на локомотива, така и на вагоните. Възниква спиране.
Да спре спирачките, т.е оставям спирачки, е необходимо да се освободи въздух от спирачната линия в атмосферата, което ще доведе до връщане на спирачните механизми в първоначалното им положение поради силата на освобождаващите пружини, монтирани в TC.
За спиране е необходимо да свържете спирачния тръбопровод (TM) с захранващия тръбопровод (PM). За ваканция свържете спирачната линия към атмосферата. Тези функции се изпълняват от специално устройство - машинист влаков кран (4) - при спиране той свързва PM и PM, когато се освободи, той изключва тези тръбопроводи, като едновременно с това изпуска въздух от PM в атмосферата.
В такава система има трета, междинна позиция на крана на водача - reroof когато PM и TM са разделени, но изпускането на въздух от TM в атмосферата не настъпва, кранът на водача го изолира напълно. Налягането, натрупано в TM и TC, се поддържа и времето, за което се поддържа на зададеното ниво, се определя от количеството изтичане на въздух през различни течове, както и от термичното съпротивление на спирачните накладки, които се нагряват при триене гумите на колелата. Поставянето му в тавана както по време на спиране, така и по време на освобождаване ви позволява да регулирате спирачната сила на стъпки. Този тип спирачка осигурява както стъпаловидно спиране, така и стъпаловидно освобождаване.
Въпреки простотата на такава спирачна система, тя има един фатален недостатък - при откачване на влака спирачният тръбопровод се разкъсва, от него излиза въздух и влакът остава без спирачки. Поради тази причина такава спирачка не може да се използва в железопътния транспорт, цената на нейния отказ е твърде висока. Дори и без разкъсване на влака, ако има голямо изтичане на въздух, ефективността на спирачката ще бъде намалена.
Въз основа на горното възниква изискването спирането на влака да се инициира не от увеличаване, а от намаляване на налягането в ТМ. Но как тогава да напълните спирачните цилиндри? Това поражда второто изискване - всяка движеща се единица на влака трябва да съхранява запас от сгъстен въздух, който да се попълва своевременно след всяко спиране.
Инженерната мисъл в края на 1872 век стига до подобни изводи, което води до създаването на първата автоматична железопътна спирачка от Джордж Уестингхаус през XNUMX г.
Спирачно устройство Westinghouse: 1 - компресор; 2 - основен резервоар; 3 - захранваща линия; 4 — влаков кран на машиниста; 5 - спирачна линия; 6 — въздухоразпределител (троен клапан) на системата Westinghouse; 7 — спирачен цилиндър; 8 — резервен резервоар; 9 - спирателен вентил.
Фигурата показва структурата на тази спирачка (Фигура a - работа на спирачката по време на освобождаване; b - работа на спирачката по време на спиране). Основният елемент на спирачката Westigauze беше спирачен въздухоразпределител или, както понякога се нарича, троен вентил. Този въздухоразпределител (6) има чувствителен орган - бутало, което работи от разликата между две налягания - в спирачната линия (TM) и резервоара (R). Ако налягането в TM стане по-малко, отколкото в TC, тогава буталото се премества наляво, отваряйки пътя за въздух от CM към TC. Ако налягането в TM стане по-голямо от налягането в SZ, буталото се премества надясно, свързвайки TC с атмосферата и в същото време свързвайки TM и SZ, като гарантира, че последният е пълен със сгъстен въздух от TM.
По този начин, ако налягането в TM намалее по някаква причина, било то действия на машиниста, прекомерно изтичане на въздух от TM или разкъсване на влак, спирачките ще работят. Тоест такива спирачки имат автоматично действие. Това свойство на спирачката направи възможно добавянето на друга възможност за управление на спирачките на влака, която се използва в пътническите влакове и до днес - аварийно спиране на влака от пътник чрез свързване на спирачната линия с атмосферата чрез специален клапан - аварийна спирачка (9).
За тези, които са запознати с тази функция на спирачната система на влака, е смешно да гледат филми, в които крадци-каубои откачат вагон със злато от влак. За да е възможно това, каубоите трябва преди разкачване да затворят крайните кранове на спирачния тръбопровод, които разделят спирачния тръбопровод от свързващите маркучи между колите. Но никога не го правят. От друга страна, затворените крайни клапани повече от веднъж са причинявали ужасни бедствия, свързани с повреда на спирачките, както тук (Каменск през 1987 г., Ерал-Симская през 2011 г.), така и в чужбина.
Поради факта, че пълненето на спирачните цилиндри става от вторичен източник на сгъстен въздух (резервен резервоар), без възможност за постоянното му попълване, такава спирачка се нарича индиректно действащи. Зареждането на спирачката със сгъстен въздух става само когато спирачката е освободена, което води до факта, че при често спиране, последвано от освобождаване, ако няма достатъчно време след освобождаване, спирачката няма да има време да се зареди до необходимото налягане. Това може да доведе до пълно изтощаване на спирачката и загуба на контрол върху спирачките на влака.
Пневматичната спирачка има и друг недостатък, свързан с факта, че спадът на налягането в спирачния тръбопровод, като всяко смущение, се разпространява във въздуха с висока, но все пак ограничена скорост - не повече от 340 m/s. Защо не повече? Защото скоростта на звука е идеална. Но в пневматичната система на влака има редица препятствия, които намаляват скоростта на разпространение на спада на налягането, свързано със съпротивлението на въздушния поток. Следователно, ако не се вземат специални мерки, скоростта на намаляване на налягането в ТМ ще бъде по-ниска, колкото по-далеч е вагонът от локомотива. При спирачката на Westinghouse скоростта на т.нар спирачна вълна не надвишава 180 - 200 m/s.
Появата на пневматичната спирачка обаче позволи да се увеличи както мощността на спирачките, така и ефективността на тяхното управление директно от работното място на водача.Това послужи като мощен тласък за развитието на железопътния транспорт, увеличаване на скоростта и теглото на влакове и в резултат на това колосално увеличение на товарооборота по железопътния транспорт, увеличаване на дължината на железопътните линии по света.
Джордж Уестингхаус беше не само изобретател, но и предприемчив бизнесмен. Той патентова изобретението си през 1869 г., което му позволи да започне масово производство на спирачно оборудване. Доста бързо спирачката на Westinghouse стана широко разпространена в САЩ, Западна Европа и Руската империя.
В Русия спирачката на Уестингхаус царува до Октомврийската революция и доста дълго време след нея. Компанията Westinghouse построи собствен завод за спирачки в Санкт Петербург и също така умело изгони конкурентите от руския пазар. Спирачката на Westinghouse обаче имаше редица фундаментални недостатъци.
Първо, тази спирачка осигурява само два режима на работа: спиране докато спирачните цилиндри се напълнят напълно и ваканция — изпразване на спирачните цилиндри. Беше невъзможно да се създаде междинно количество спирачно налягане с неговата дългосрочна поддръжка, тоест спирачката на Westinghouse нямаше режим припокриване. Това не позволяваше прецизен контрол на скоростта на влака.
На второ място, спирачката на Westinghouse не работеше добре при дълги влакове и докато това някак си можеше да се толерира в пътническия трафик, проблемите възникнаха в товарния трафик. Помните ли спирачната вълна? Така че спирачката на Westinghouse не разполагаше със средствата да увеличи скоростта си и при дълъг влак намаляването на налягането в спирачната течност на последния вагон може да започне твърде късно и със скорост, значително по-ниска от тази в главата на влак, което създава диво неравномерно действие на спирачните устройства във влака.
Трябва да се каже, че цялата дейност на компанията Westinghouse, както в Русия по това време, така и в целия свят, е напълно наситена с капиталистическия аромат на патентни войни и нелоялна конкуренция. Това е, което осигури толкова дълъг живот на такава несъвършена система, поне в този исторически период.
С всичко това трябва да се признае, че спирачката Westinghouse постави основите на спирачната наука и принципът на нейното действие е останал непроменен в съвременните спирачки на подвижния състав.
2. От спирачката на Уестингхаус до спирачката на Матросов - формирането на вътрешната спирачна наука.
Почти веднага след появата на спирачката на Westinghouse и осъзнаването на нейните недостатъци се появиха опити за подобряване на тази система или за създаване на друга, принципно нова. Страната ни не беше изключение. В началото на XNUMX-ти век Русия има развита железопътна мрежа, която играе важна роля в осигуряването на икономическото развитие и отбранителната способност на страната. Повишаването на ефективността на транспорта е свързано с увеличаване на скоростта на неговото движение и масата на едновременно транспортирания товар, което означава, че спешно се повдигат въпроси за подобряване на спирачните системи.
Значителен тласък за развитието на спирачната наука в RSFSR и по-късно в СССР беше намаляването на влиянието на големия западен капитал, по-специално компанията Westinghouse, върху развитието на местната железопътна индустрия след октомври 1917 г.
Ф.П. Казанцев (вляво) и И.К. Моряци (вдясно) - създатели на вътрешната железопътна спирачка
Първият знак, първото сериозно постижение на младата вътрешна спирачна наука беше разработката на инженер Флорентий Пименович Казанцев. През 1921 г. Казанцев предлага система автоматична спирачка с директно действие. Диаграмата по-долу описва всички основни идеи, въведени не само от Казанцев, и целта й е да обясни основните принципи на работа на подобрената автоматична спирачка
Автоматична спирачка с директно действие: 1 - компресор; 2 - основен резервоар; 3 - захранваща линия; 4 — влаков кран на машиниста; 5 — захранващо устройство за теч на спирачната линия; 6 — спирачна линия; 7 — свързващи спирачни маркучи; 8 - краен клапан; 9 - спирателен клапан; 10 - възвратен клапан; 11 — резервен резервоар; 12 — въздухоразпределител; 13 — спирачен цилиндър; 14 — трансмисия на спирачния лост.
И така, първата основна идея е, че налягането в ТМ се контролира индиректно - чрез намаляване/увеличаване на налягането в специален резервоар, наречен разширителен резервоар (UR). Показано е на фигурата вдясно от крана на водача (4) и отгоре на захранващото устройство за течове от TM (5). Плътността на този резервоар е технически много по-лесна за осигуряване от плътността на спирачния тръбопровод - тръба, достигаща няколко километра дължина и минаваща през целия влак. Относителната стабилност на налягането в UR позволява да се поддържа налягането в TM, като се използва налягането в UR като еталонно. Наистина, буталото в устройството (5), когато налягането в TM намалее, отваря клапана, който пълни TM от захранващата линия, като по този начин поддържа налягане в TM, равно на налягането в UR. Тази идея все още имаше дълъг път на развитие, но сега налягането в ТМ не зависи от наличието на външни течове от него (до определени граници). Устройство 5 мигрира към крана на оператора и остава там, в модифициран вид, до днес.
Друга важна идея, залегнала в дизайна на този тип спирачка, е захранването от спирачната течност през възвратния клапан 10. Когато налягането в спирачния клапан надвиши налягането в спирачния клапан, този клапан се отваря, запълвайки клапана от спирачката течност. По този начин течовете непрекъснато се попълват от резервния резервоар и спирачката не изтича.
Третата важна идея, предложена от Казанцев, е дизайнът на въздухоразпределител, който работи с разликата не от две налягания, а от три - налягане в спирачната линия, налягане в спирачния цилиндър и налягане в специална работна камера (WC), който по време на освобождаване се захранва от налягането от спирачната линия, заедно с резервен резервоар. В режим на спиране налягането на зареждане се изключва от резервоара и спирачната линия, като се поддържа стойността на първоначалното налягане на зареждане. Това свойство се използва широко в спирачките на подвижния състав както за осигуряване на стъпаловидно освобождаване, така и за контролиране на равномерността на пълнене на TC по протежение на влака в товарни влакове, тъй като работната камера служи като стандарт за първоначалното налягане на зареждане. Въз основа на неговата стойност е възможно да се осигури поетапно освобождаване и да се организира по-ранно запълване на търговския център в задните вагони. Ще оставя подробно описание на тези неща за други статии по тази тема, но засега ще кажа само, че работата на Казанцев послужи като стимул за развитието на научна школа у нас, което доведе до развитието на оригинални спирачни системи на подвижния състав.
Друг съветски изобретател, който радикално повлия върху развитието на вътрешните спирачки на подвижния състав, беше Иван Константинович Матросов. Неговите идеи не се различаваха фундаментално от идеите на Казанцев, но последващите експлоатационни тестове на спирачните системи на Казанцев и Матросов (заедно с други спирачни системи) показаха значителното превъзходство на втората система по отношение на експлоатационните характеристики, когато се използва предимно в товарни влакове. По този начин спирачката Матросов с въздушен разпределител е условна. № 320 стана основа за по-нататъшното развитие и проектиране на спирачно оборудване за железопътни линии с междурелсие 1520 mm. Модерна автоматична спирачка, използвана в Русия и страните от ОНД, може с право да носи името на спирачката на Матросов, тъй като в началния етап на своето развитие тя абсорбира идеите и дизайнерските решения на Иван Константинович.
Вместо заключение
Какъв е изводът? Работата по тази статия ме убеди, че темата е достойна за поредица от статии. В тази пилотна статия се докоснахме до историята на развитието на спирачките на подвижния състав. По-нататък ще навлезем в сочни подробности, като се докосваме не само до вътрешната спирачка, но и до разработките на колеги от Западна Европа, подчертавайки дизайна на спирачките от различни видове и видове обслужване на подвижния състав. Така че, надявам се темата да е интересна и до нови срещи в хъба!
Благодаря за вниманието!
Източник: www.habr.com