Кинетичната енергия на «Сапсана» при максимална скорост е над 1500 мегаджоула. За пълно спиране, всичката тя трябва да бъде разсеяна по спирачните устройства.
Имаше случай, точно тук, на Хабра. Тук се публикуват доста много обзорни статии по железопътната тематика, обаче тази тема все още не е била разгледана подробно. Мисля, че би било доста интересно да напиша статия за това, а може и не една. Затова моля тези, на които им е интересно как са устроени спирачните системи на железопътния транспорт и по какви причини са устроени точно така, да продължат нататък.
1. История на появата на пневматичната спирачка
Задачата по управление на всякакъв транспорт включва регулиране на скоростта на неговото движение. Железопътният транспорт не прави изключение, а напротив, конструктивните му особености внасят съществени нюанси в този процес. Влакът се състои от много свързани помежду си модули, а получената система има значителна дължина и маса при доста 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 превозното средство.
Най-очевидният, който е на повърхността, начин за създаване на спирачно усилие е използването на сила на триене. От самото начало и до ден днешен се използва накладковият фрикционен спирачен механизъм. Специални устройства — спирачни накладки, изработени от материал с висок коефициент на триене, механично се притискат към повърхността на колелото (или към специални дискове, монтирани на оста на колелата). Между накладките и колелото възниква сила на триене, която създава спирачен момент.
Регулирането на спирачното усилие се извършва чрез изменение на силата на притискане на накладките към колелото — спирачно налягане. Въпросът е само какъв привод се използва за притискане на накладките, и историята на спирачките е отчасти история на развитието на този привод.
Първите железопътни спирачки били механични и се задействали ръчно, отделно на всеки вагон от специално назначени хора — спирачари или кондуктори. Кондукторите се намирали на така наречените спирачни платформи, с които бил оборудван всеки вагон, и задействали спирачките по сигнал на машиниста на локомотива. Обменът на сигнали между машиниста и кондукторите ставало с помощта на специален сигнален въже, протегнато по цялата дължина на влака, задействало специален свирка.
Старинен двуосен товарен вагон с спирачна платформа. Видно е ръчният лост на спирачката.
Самата спирачка с механично задвижване има малка мощност. Силата на спирачното натискане зависела от силата и сръчността на кондуктора. Освен това в работата на такава спирачна система се намесваше човешкият фактор — кондукторите не винаги изпълнявали задълженията си правилно. За високата ефективност на тези спирачки, както и за увеличението на скоростта на движение на влаковете, оборудвани с тях, не можеше да се говори.
По-нататъшното развитие на спирачките изисквало, първо, увеличаване на спирачното натискане, и второ — осигуряване на възможността за дистанционно управление на всички вагони от работното място на машиниста.
Хидравличното задвижване, използвано в автомобилните спирачки, получи широко приложение благодарение на предоставянето на високо натискане при компактност 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, чието изтичане е неприемливо. Голямата дължина на хидравличните спирачни линии в влака, заедно с високите изисквания за тяхната херметичност, прави създаването на хидравлична железопътна спирачка невъзможно и нерационално.
Също така, пневматичното задвижване е различна работа. Използването на въздух под високо налягане позволява получаване на високи спирачни натискания при приемливи размери на изпълнителните устройства — спирачни цилиндри. Няма недостиг на работно вещество — въздухът е около нас, и дори ако възникне изтичане на работното вещество от спирачната система (а то непременно възниква), то може относително лесно да бъде компенсирано.
Най-простата система на спирачките, използваща енергия от сгъстен въздух, е пряко действаща неавтоматична спирачка
Схема на пряко действащата неавтоматична спирачка: 1 — компресор; 2 — главен резервоар; 3 — захранваща магистрала; 4 — спирателният кран на машиниста; 5 — спирачна магистрала; 6 — спирачен цилиндър; 7 — отпускна пружина; 8, 9 — механична спирачна предавка; 10 — спирачна подложка.
За работата на такава спирачка е необходим запас от сгъстен въздух, съхраняван в локомотивa 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), захранван от енергийна установка на локомотивa. Доставката на сгъстен въздух към уредите за управление на спирачките се извършва през специален тръбопровод, наречен захранваща (ПМ) или напорна магистрала (3).
Управлението на спирачките на вагоните и подаването на сгъстен въздух към тях се извършва чрез дълъг тръбопровод, който преминава през целия влак и се нарича спирачна магистрала (ТМ) (5). При подаване на сгъстен въздух по ТМ той запълва спирачните цилиндри (ТЦ) (6), свързани директно с ТМ. Сгъстеният въздух натиска върху буталото, притискайки спирачните подложки 10 към колелата, както на локомотивa, така и на вагоните. Започва спиране.
За да се прекрати спирането, т.е. отпускането на спирачките, е необходимо да се освободи въздух от спирачната магистрала в атмосферата, което ще доведе до връщането на спирачните механизми в изходна позиция благодарение на усилието на отпускните пружини, поставени в ТЦ.
За спиране е необходимо да се свърже спирачната магистрала (ТМ) с захранващата (ПМ). За отпускане — да се свърже спирачната магистрала с атмосферата. Тези функции изпълнява специален уред — спирателният кран на машиниста (4) — при спиране той свързва ПМ и ТМ, а при отпускане — разединява тези тръбопроводи, едновременно освобождавайки въздух от ТМ в атмосферата.
В такава система съществува и трето, междинно положение на крана на машиниста — покритие когато ПМ и ТМ са разединени, но също така не се извършва изпускане на въздух от ТМ в атмосферата — кранът на машината напълно я изолира. Набраното в ТМ и ТЦ налягане се запазва и времето за поддържане на установеното ниво се определя от размера на въздушните течове през различни неприлепващи места, както и от термичната устойчивост на спирачните накладки, които се нагряват при триене с бандажите на колелата. Разполагането на превключвателя, както при спиране, така и при освобождаване, позволява регулиране на спирачното усилие на стъпки. Тази спирачка осигурява както стъпково спиране, така и стъпково освобождаване.
Въпреки цялата простота на такава спирачна система, тя има фатален недостатък — при разцепление на влака се появява разрив в спирачната магистрала, въздухът излиза от нея и влакът остава без спирачки. Именно по тази причина такава спирачка не може да се използва в железопътния транспорт, цената на отказа ѝ е твърде висока. Дори и без разрив на влака, при наличие на голямо изтичане на въздух, ефективността на спирачката ще бъде намалена.
Въз основа на казаното по-горе възниква изискването спирането на влака да бъде инициирано не от увеличаването, а от намаляването на налягането в ТМ. Но как тогава да напълним спирачните цилиндри? Това поставя второ изискване — на всяка подвижна единица в рейса трябва да се съхранява запас от компресиран въздух, който трябва да бъде оперативно попълван след всяко спиране.
Подобни заключения прави инженерната мисъл в края на XIX век, което се изразява в създаването от Джордж Уестингхауз през 1872 година на първата автоматична железопътна спирачка.
Устройството на спирачката на Уестингхауз: 1 — компресор; 2 — главен резервоар; 3 — питателна магистрала; 4 — спирателен кран на машината; 5 — спирачна магистрала; 6 — въздухоспределител (тройният клапан) на системата на Уестингхауз; 7 — спирачен цилиндър; 8 — резервен резервоар; 9 — стоп-кран.
На изображението е показано устройството на тази спирачка (снимка а — работа на спирачката при освобождаване; б — работа на спирачката при спиране). Главният елемент на спирачката на Уестингхауз е въздушният разпределител на спирачките или, както понякога го наричат, тройният клапан. Този въздухораспределител (6) има чувствителен орган — бутало, работещо на разликата на две налягания — в спирачната магистрала (ТМ) и резервния резервоар (ЗР). Ако налягането в ТМ стане по-малко от това в ЗР, буталото се премества наляво, отваряйки пътя за въздуха от ЗР в ТЦ. Ако налягането в ТМ стане по-голямо от налягането в ЗР — буталото се премества надясно, свързвайки ТЦ с атмосферата и едновременно свързвайки ТМ и ЗР, осигурявайки напълването на последния с компресиран въздух от ТМ.
Така че, при намаляване на налягането в ТМ по каквато и да е причина, било то действия на машиниста, прекомерна утечка на въздух от ТМ или разпад на влака — спирачките ще сработят. Тоест, такива спирачки притежават автоматизираност на действието. Това свойство на спирачката позволи да се добави още една възможност за управление на спирачките на влака, използвана и до днес в пътническите влакове — спешно спиране на влака от пътника, чрез свързване на спирачната магистрала с атмосферата чрез специален вентил — стоп-кран (9).
На онези, които познават тази особеност на спирачната система на влака, им е смешно да гледат филми, където крадци-каубои нахално откъсват от влака вагон с злато. За да стане такова нещо, каубоите трябва, преди да откъснат, да затворят крайния кран на спирачната магистрала, отделяйки спирачната магистрала от свързващите маркучи между вагоните. Но те никога не го правят. От друга страна, затворените крайни кранове неведнъж са били причина за ужасни катастрофи, свързани с отказ на спирачките, както у нас (Каменск през 1987 г., Ерал-Симска през 2011), така и в чужбина.
Поради факта, че напълването на спирачните цилиндри се извършва от вторичен източник на компресиран въздух (резервен резервоар), без възможност за постоянно попълване, такава спирачка се нарича непряко действаща. Зареждането на ЗР с компресиран въздух става само при отпускане на спирачките, което води до факта, че при чести спирания и последващи отпускания, при недостатъчно време за изчакване след отпускането, ЗР не успяват да се заредят до необходимо налягане. Това може да доведе до пълно изтощение на спирачките и загуба на управление на спирачките на влака.
Пневматичната спирачка има и друг недостатък, свързан с факта, че падането на налягането в спирачната магистрала, както и всяко смущение, се разпространява във въздушната среда 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 пневматичната система на влака съществуват редица пречки, които намаляват скоростта на разпространение на скока в падането на налягането, свързани с съпротивлението на движението на въздуха. Затова, ако не се предприемат специални мерки, скоростта на падането на налягането в ТМ ще бъде толкова по-ниска, колкото по-далеч от локомотива се намира вагонът. В случая със спирачката на Вестингауз скоростта на т. нар. спирачна вълна не надвишава 180 — 200 м/с.
Въпреки това, появата на пневматичната спирачка позволи да се увеличат както мощността на спирачките, така и оперативността на управлението им директно от работното място на машинista. Това стана основен тласък за развитието на железопътния транспорт, увеличаването на скоростта на движение и теглото на влаковете и, като следствие, колосално увеличаване на товарообмена по железниците и разширяване на железопътните линии по целия свят.
Джордж Вестингауз не само е изобретател, но и предприемач. Своето изобретение той патентова още през 1869 година, което му позволи да развие масово производство на спирачно оборудване. Спирачката на Вестингауз бързо получи широко разпространение в САЩ, Западна Европа и в Руската империя.
В Русия спирачката на Вестингауз безразделно цареше до Октомврийската революция, а и доста дълго време след нея. Фирмата "Вестингауз" построи в Санкт Петербург своя спирачен завод и успя да изключи конкурентите от руския пазар. Въпреки това, спирачката на Вестингауз имаше редица принципни недостатъци.
На първо място, тази спирачка осигуряваше само два режима на работа: спиране до пълното запълване на спирачните цилиндри, и освобождаване — изпразване на спирачните цилиндри. Създаването на междинна стойност на спирачното налягане с дългосрочно поддържане беше невъзможно, тоест в спирачката на Вестингауз липсваше режим на затваряне. Това не позволяваше реализирането на точно управление на скоростта на влака.
На второ място, спирачката на Вестингауза не работеше добре в дълги влакове, и ако в пътническия транспорт това можеше да се приеме до някаква степен, в товарния възникваха проблеми. Помните ли спирачната вълна? Така че, спирачката на Вестингауза не притежаваше средства за увеличаване на нейното ускорение, и в дълъг влак намаляването на налягането в TM на последния вагон можеше да започне твърде късно, с темпо, съществено по-ниско от това в главата на влака, което създаваше дива неравномерност в задействането на спирачните устройства по състава.
Трябва да се каже, че цялата дейност на фирмата „Вестингауз“, както в Русия по това време, така и по света, е наситена с капиталистическия дух на патентни войни и недобросъвестна конкуренция. Това осигури на толкова несъвършената система толкова дълъг живот, поне през този исторически период.
При всичко това трябва да признаем, че спирачката на Вестингауза положи основите на спирачната наука и принципът на нейното действие остана неизменен в съвременните спирачки на подвижния състав.
2. От спирачката на Вестингауза до спирачката на Матросова — формирането на местната спирачна наука.
Практически веднага след появата на спирачката на Вестингауза 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 развита мрежа от железници, играещи значителна роля в осигуряването на икономическото развитие и отбранителната способност на страната. Повишаването на ефективността на транспорта е свързано с увеличаване на скоростта на движението и масата на едновременно превозвания товар, а следователно остро се поставят въпросите на усъвършенстването на спирачните системи.
Съществен тласък в развитието на спирачната наука в РСФСР, а по-късно и в СССР, даде намаляването на влиянието на големия западен капитал, по-специално на фирмата „Вестингауз“, върху развитието на местната железопътна индустрия след октомври 1917 година.
Ф.П. Казанцев (вляво) и И.К. Матросов (вдясно) — създателите на местната железопътна спирачка
Първата стъпка, първото сериозно постижение на младата местна спирачна наука, бяха разработки на инженера Флорентия Пименовича Казанцева. През 1921 година Казанцев предложи система прямодействаща автоматична спирачка. Показаната схема описва всички основни идеи, въведени не само от Казанцев, и целта й е да обясни основните принципи на работа на усъвършенстваната автоматична спирачка
Прямодействаща автоматична спирачка: 1 — компресор; 2 — главен резервоар; 3 — захранваща магистрала; 4 — спирачен кран на машиниста; 5 — устройство за хранене на течове от спирачната магистрала; 6 — спирачна магистрала; 7 — свързващи спирачни маркучи; 8 — крайния кран; 9 — стоп кран; 10 — обратно клапан; 11 — запасен резервоар; 12 — въздухоразпределител; 13 — спирачен цилиндър; 14 — спирачен лостов механизъм.
Така, първата основна идея е, че управлението на налягането в ТМ се осъществява индиректно — чрез намаляване/увеличаване на налягането в специален резервоар, наречен уравнителен резервоар (УР). Той е показан на фигурата вдясно от крана на машиниста (4) и над устройството за хранене на течове от ТМ (5). Плътността на този резервоар е технически много по-лесна за осигуряване, отколкото плътността на спирачната магистрала — тръба с дължина, достигаща километри, преминаваща през целия влак. 相对 UР позволява поддържането на налягане в ТМ, използвайки налягането в УР като задаващо. Всъщност, буталото в устройството (5) при намаляване на налягането в ТМ, пада надолу, отваряйки клапан, който напълва ТМ от захранващата магистрала, поддържайки налягането в ТМ, равно на налягането в УР. Тази идея имаше още дълъг път на развитие, но сега налягането в ТМ не зависеше от наличието на външни течове от него (до известни граници). Устройството 5 премина в крана на машиниста и остава там, в модифициран вид, до днешния ден.
Друга важна идея, лежаща 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. По този начин се осигурява непрекъснато попълване на течовете от запасния резервоар и се гарантира неистощимостта на спирачката.
Третата важна идея, предложена от Казанцев, е конструкцията на въздушния разпределител, който работи не на разлика между 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 от налягането на спирачната магистрала, заедно с резервния резервоар. В режим на спиране РК се изключва от резервния резервоар и спирачната магистрала, запазвайки количеството на первоначалното зарядно налягане. Тази характеристика се използва широко в спирачките на подвижния състав както за осигуряване на стъпково отпускане, така и за управление на равномерното напълване на ТЦ по цялата дължина на влака в товарните състави, тъй като работната камера служи за еталон на первоначалното зарядно налягане. Въз основа на неговата величина може да се осигури както стъпков отпуск, така и да се организира по-ранно напълване на ТЦ в задните вагони. Подробно описание на тези неща оставям за други статии по темата, а засега ще кажа, че работата на Казанцев е послужила за стимул за развитието на научна школа в нашата страна, довела до разработването на оригинални системи за спиране на подвижния състав.
Другият съветски изобретател, който оказал кардинално влияние върху развитието на вътрешните спирачки на подвижния състав, е Иван Константинович Матросов. Неговите идеи принципиално не се различават от идеите на Казанцев, но последвалите по-късно експлоатационни изпитания на спирачните системи на Казанцев и Матросов (в комбинация с други спирачни системи) показаха значително предимство на втората система по отношение на експлоатационните характеристики, най-вече при използването им в товарни влакове. По този начин спирачката на Матросов с въздушен разпределител усл. № 320 стана основа за по-нататъшната разработка и проектиране на спирачното оборудване на железниците с ширина на колията 1520 милиметра. Съвременната автоматична спирачка, използвана в Русия и страните от ОНД, може справедливо да носи името на спирачката на Матросов, тъй като на начален етап от развитието си е усвоила идеи и конструкторски решения на Иван Константинович.
Вместо заключение
Какво заключение можем да направим? Работата по тази статия ме убеди, че темата заслужава цикъл от статии. В тази, пилотна статия, се докоснахме до историята на развитието на спирачките на подвижния състав. В следващите статии ще се впуснем в пикантни подробности, засягайки не само местните спирачки, но и разработки на наши колеги от Западна Европа, осветявайки устройството на спирачките от различни типове и видове управление на подвижния състав. Надявам се, че темата ще бъде интересна, и до нови срещи в Хабра!
Благодаря за вашето внимание!
Източник: habr.com
