L'energia cinètica del Sapsan a velocitat màxima supera els 1500 megajoules. Per a una parada completa, tot s'ha de dissipar pels dispositius de frenada.
Hi havia una cosa aquí mateix a Habré. Aquí es publiquen molts articles de revisió sobre temes ferroviaris, però aquest tema encara no s'ha tractat amb detall. Crec que seria força interessant escriure un article sobre això, i potser més d'un. Per tant, demano pel gat dels que estan interessats en com estan dissenyats els sistemes de frenada del transport ferroviari, i per quins motius estan dissenyats així.
1. La història del fre d'aire
La tasca de controlar qualsevol vehicle inclou regular-ne la velocitat. El transport ferroviari no és una excepció; a més, les seves característiques de disseny introdueixen matisos significatius en aquest procés. El tren consta d'un gran nombre de vagons interconnectats, i el sistema resultant té una llargada i un pes importants a una velocitat molt decent.
Per definició, Els frens són un conjunt de dispositius dissenyats per crear forces de resistència artificials i ajustables que s'utilitzen per reduir de manera controlada la velocitat d'un vehicle.
La manera més òbvia, a la superfície, de crear força de frenada és utilitzar la fricció. Des dels inicis fins avui, s'han utilitzat frens de fricció de sabates. Dispositius especials: les pastilles de fre, fetes d'un material amb un alt coeficient de fricció, es pressionen mecànicament contra la superfície de rodament de la roda (o contra els discos especials muntats a l'eix del conjunt de rodes). Una força de fricció sorgeix entre les pastilles i la roda, creant un parell de frenada.
La força de frenada s'ajusta canviant la força de pressionar les pastilles contra la roda - pressió de fre. L'única pregunta és quina unitat s'utilitza per pressionar les pastilles i, en part, la història dels frens és la història del desenvolupament d'aquesta unitat.
Els primers frens del ferrocarril eren mecànics i eren accionats manualment, per separat a cada vagó per persones especials: frenadors o conductors. Els conductors estaven situats a les anomenades plataformes de fre amb les quals estava equipat cada vagó, i aplicaven els frens al senyal del conductor de la locomotora. L'intercanvi de senyals entre el conductor i els conductors es va dur a terme mitjançant una corda de senyal especial estirada al llarg de tot el tren, que activava un xiulet especial.
Vagó de mercaderies d'època de dos eixos amb pastilles de fre. Pom del fre de mà visible
El mateix fre d'accionament mecànic té poca potència. La quantitat de pressió de fre depenia de la força i destresa del conductor. A més, el factor humà va interferir amb el funcionament d'aquest sistema de frenada: els conductors no sempre van realitzar correctament les seves funcions. No calia parlar de l'alta eficiència d'aquests frens, ni de l'augment de la velocitat dels trens equipats amb ells.
El desenvolupament posterior dels frens va requerir, en primer lloc, un augment de la pressió dels frens i, en segon lloc, la possibilitat de controlar a distància tots els cotxes des del lloc de treball del conductor.
L'accionament hidràulic utilitzat en els frens d'automòbil s'ha generalitzat pel fet que proporciona alta pressió amb actuadors compactes. Tanmateix, quan s'utilitza aquest sistema en un tren, apareixerà el seu principal inconvenient: la necessitat d'un fluid de treball especial: el líquid de fre, la fuita del qual és inacceptable. La gran longitud de les línies hidràuliques de fre en un tren, juntament amb els alts requisits per a la seva estanquitat, fan que sigui impossible i irracional crear un fre hidràulic de ferrocarril.
Una altra cosa és l'accionament pneumàtic. L'ús d'aire a alta pressió permet obtenir altes pressions de fre amb dimensions acceptables dels actuadors - cilindres de fre. No hi ha escassetat de fluid de treball: l'aire ens envolta i, fins i tot si hi ha una fuita de fluid de treball del sistema de frens (i certament ho fa), es pot reposar amb relativa facilitat.
El sistema de fre més senzill que utilitza energia d'aire comprimit és fre no automàtic d'acció directa
Esquema d'un fre no automàtic d'acció directa: 1 - compressor; 2 - dipòsit principal; 3 - línia de subministrament; 4 — grua del tren del conductor; 5 - línia de fre; 6 — cilindre de fre; 7 — molla d'alliberament; 8, 9 — transmissió de fre mecànic; 10 - pastilles de fre.
Per fer funcionar aquest fre, cal un subministrament d'aire comprimit, emmagatzemat a la locomotora en un dipòsit especial anomenat dipòsit principal (2). Es realitza la injecció d'aire al dipòsit principal i el manteniment d'una pressió constant compressor (1), impulsat per la central elèctrica de locomotores. L'aire comprimit es subministra als dispositius de control de frens mitjançant una canonada especial anomenada nutricional (NM) o pressió carretera (3).
Els frens dels vagons es controlen i se'ls subministra aire comprimit a través d'una llarga canonada que recorre tot el tren i s'anomena línia de fre (TM) (5). Quan es subministra aire comprimit a través del TM, s'omple cilindres de fre (TC) (6) connectat directament a la TM. L'aire comprimit pressiona el pistó, pressionant les pastilles de fre 10 contra les rodes, tant a la locomotora com als cotxes. Es produeix la frenada.
Per deixar de frenar, és a dir marxar frens, cal alliberar l'aire de la línia de fre a l'atmosfera, cosa que provocarà el retorn dels mecanismes de fre a la seva posició original a causa de la força de les molles d'alliberament instal·lades al TC.
Per frenar, cal connectar la línia de fre (TM) amb la línia d'alimentació (PM). Per vacances, connecteu la línia de fre a l'atmosfera. Aquestes funcions les realitza un dispositiu especial: grua del tren del conductor (4) - en frenar, connecta el PM i el PM, quan s'allibera, desconnecta aquestes canonades, alliberant simultàniament l'aire del PM a l'atmosfera.
En aquest sistema, hi ha una tercera posició intermèdia de la grua del conductor: tornar a sostre quan el PM i el TM estan separats, però no es produeix l'alliberament d'aire del TM a l'atmosfera, la grua del conductor l'aïlla completament. La pressió acumulada al TM i al TC es manté i el temps que es manté al nivell establert està determinat per la quantitat de fuites d'aire a través de diverses fuites, així com per la resistència tèrmica de les pastilles de fre, que s'escalfen durant la fricció contra els pneumàtics de les rodes. Col·locar-lo al sostre tant durant la frenada com durant l'alliberament permet ajustar la força de frenada per passos. Aquest tipus de fre proporciona tant frenada de pas com alliberament de pas.
Malgrat la senzillesa d'aquest sistema de fre, té un defecte fatal: quan el tren està desacoblat, la línia de fre es trenca, l'aire s'escapa d'ell i el tren queda sense frens. És per aquest motiu que aquest fre no es pot utilitzar en el transport ferroviari, el cost de la seva fallada és massa elevat. Fins i tot sense una ruptura del tren, si hi ha una gran fuita d'aire, l'eficiència del fre es reduirà.
En base a l'anterior, sorgeix l'exigència que la frenada del tren s'iniciï no per un augment, sinó per una disminució de la pressió en el TM. Però, llavors, com omplir els cilindres de fre? Això dóna lloc al segon requisit: cada unitat en moviment del tren ha d'emmagatzemar un subministrament d'aire comprimit, que s'ha de reposar ràpidament després de cada frenada.
El pensament de l'enginyeria a finals del segle XIX va arribar a conclusions similars, que van donar lloc a la creació del primer fre de ferrocarril automàtic per George Westinghouse el 1872.
Dispositiu de fre Westinghouse: 1 - compressor; 2 - dipòsit principal; 3 - línia de subministrament; 4 — grua del tren del conductor; 5 - línia de fre; 6 — distribuïdor d'aire (vàlvula triple) del sistema Westinghouse; 7 — cilindre de fre; 8 — dipòsit de recanvi; 9 - vàlvula de tancament.
La figura mostra l'estructura d'aquest fre (Figura a - funcionament del fre durant l'alliberament; b - funcionament del fre durant la frenada). L'element principal del fre Westigauze era distribuïdor d'aire de fre o, com de vegades es diu, vàlvula triple. Aquest distribuïdor d'aire (6) té un òrgan sensible -un pistó que actua sobre la diferència entre dues pressions- a la línia de fre (TM) i al dipòsit de reserva (R). Si la pressió al TM és menor que al TC, el pistó es mou cap a l'esquerra, obrint el camí per a l'aire del CM al TC. Si la pressió en el TM és més gran que la pressió en el SZ, el pistó es mou cap a la dreta, comunicant el TC amb l'atmosfera, i alhora comunicant el TM i el SZ, assegurant que aquest s'omple amb aire comprimit des de el TM.
Així, si la pressió al TM disminueix per qualsevol motiu, ja sigui per accions del conductor, per una fuita excessiva d'aire del TM o per una ruptura del tren, els frens funcionaran. És a dir, aquests frens tenen acció automàtica. Aquesta propietat del fre va permetre afegir una altra possibilitat de control dels frens del tren, que s'utilitza als trens de passatgers fins als nostres dies: una parada d'emergència del tren per part d'un passatger comunicant la línia de fre amb l'atmosfera mitjançant una vàlvula especial. fre d'emergència (9).
Per a aquells que estan familiaritzats amb aquesta característica del sistema de frenada del tren, és divertit veure pel·lícules on els lladres-vaquers desenganxen un vagó amb or d'un tren. Perquè això sigui possible, els cowboys han de tancar, abans de desacoblar-se, les vàlvules finals de la línia de fre que separen la línia de fre de les mànegues de connexió entre els cotxes. Però mai ho fan. D'altra banda, les vàlvules tancades han provocat més d'una vegada terribles desastres associats a la fallada dels frens, tant aquí (Kamensk el 1987, Eral-Simskaya el 2011) com a l'estranger.
A causa del fet que l'ompliment dels cilindres de fre es produeix a partir d'una font secundària d'aire comprimit (dipòsit de recanvi), sense la possibilitat de la seva reposició constant, aquest fre s'anomena actuar indirectament. La càrrega del fre amb aire comprimit només es produeix quan el fre s'allibera, la qual cosa fa que amb frenades freqüents seguidas d'alliberament, si no hi ha prou temps després del llançament, el fre no tindrà temps de carregar-se a la pressió requerida. Això pot provocar un esgotament complet del fre i la pèrdua de control dels frens del tren.
El fre pneumàtic també té un altre inconvenient relacionat amb el fet que la caiguda de pressió a la línia del fre, com qualsevol pertorbació, es propaga a l'aire a una velocitat alta, però encara finita, no més de 340 m/s. Per què no més? Perquè la velocitat del so és ideal. Però en el sistema pneumàtic del tren hi ha una sèrie d'obstacles que redueixen la velocitat de propagació de la caiguda de pressió associada a la resistència al flux d'aire. Per tant, llevat que es prenguin mesures especials, la taxa de reducció de pressió en el TM serà menor, com més lluny estigui el cotxe de la locomotora. En el cas del fre de Westinghouse, la velocitat de l'anomenada onada de frenada no supera els 180 - 200 m/s.
No obstant això, l'aparició del fre pneumàtic va permetre augmentar tant la potència dels frens com l'eficiència del seu control directament des del lloc de treball del conductor, fet que va servir d'impuls potent per al desenvolupament del transport ferroviari, augmentant la velocitat i el pes del trens, i com a resultat, un augment colossal de la facturació de mercaderies al ferrocarril, l'augment de la longitud de les línies ferroviàries a tot el món.
George Westinghouse no només va ser un inventor, sinó també un empresari emprenedor. Va patentar el seu invent el 1869, que li va permetre llançar la producció en massa d'equips de frens. Amb força rapidesa, el fre de Westinghouse es va generalitzar als EUA, Europa Occidental i l'Imperi Rus.
A Rússia, el fre de Westinghouse va regnar fins a la Revolució d'Octubre, i durant molt de temps després d'ella. L'empresa Westinghouse va construir la seva pròpia planta de frens a Sant Petersburg i també va eliminar amb habilitat els competidors del mercat rus. Tanmateix, el fre de Westinghouse tenia una sèrie d'inconvenients fonamentals.
En primer lloc, aquest fre només proporcionava dos modes de funcionament: frenada fins que els cilindres de fre estiguin completament plens, i vacances — buidatge dels cilindres de fre. Era impossible crear una quantitat intermèdia de pressió de fre amb el seu manteniment a llarg termini, és a dir, el fre Westinghouse no tenia un mode solapament. Això no permetia un control precís de la velocitat del tren.
En segon lloc, el fre de Westinghouse no va funcionar bé en trens llargs i, tot i que això es podia tolerar d'alguna manera en el trànsit de passatgers, van sorgir problemes en el trànsit de mercaderies. Recordeu l'onada de frenada? Per tant, el fre de Westinghouse no tenia els mitjans per augmentar la seva velocitat i, en un tren llarg, la disminució de la pressió del líquid de fre de l'últim vagó podria començar massa tard i a un ritme significativament inferior al capdavant del tren, que va crear un funcionament desigual salvatge dels dispositius de fre a través del tren.
Cal dir que totes les activitats de l'empresa Westinghouse, tant a Rússia en aquell moment com a tot el món, estan completament saturades amb l'aroma capitalista de guerres de patents i competència deslleial. Això és el que va assegurar una vida tan llarga a un sistema tan imperfecte, almenys durant aquell període històric.
Amb tot això, cal reconèixer que el fre Westinghouse va establir les bases de la ciència del frenat i el principi del seu funcionament s'ha mantingut sense canvis en els frens de material rodant moderns.
2. Del fre Westinghouse al fre Matrosov: la formació de la ciència de frenada domèstica.
Gairebé immediatament després de l'aparició del fre de Westinghouse i de la constatació de les seves deficiències, es van intentar millorar aquest sistema o crear-ne un altre fonamentalment nou. El nostre país no va ser una excepció. A principis del segle XX, Rússia tenia una xarxa de ferrocarrils desenvolupada, que va tenir un paper important per garantir el desenvolupament econòmic i la capacitat de defensa del país. L'augment de l'eficiència del transport està associat a un augment de la velocitat del seu moviment i de la massa de càrrega transportada simultàniament, la qual cosa significa que s'han plantejat amb urgència els problemes de millora dels sistemes de frenada.
Un impuls significatiu per al desenvolupament de la ciència del frenat a la RSFSR i més tard a l'URSS va ser la disminució de la influència del gran capital occidental, en particular la companyia Westinghouse, en el desenvolupament de la indústria ferroviària nacional després d'octubre de 1917.
F.P. Kazantsev (esquerra) i I.K. Mariners (dreta) - creadors del fre ferroviari nacional
El primer signe, el primer èxit seriós de la ciència de frenada domèstica jove, va ser el desenvolupament de l'enginyer Florenty Pimenovich Kazantsev. El 1921, Kazantsev va proposar un sistema fre automàtic d'acció directa. El diagrama següent descriu totes les idees principals introduïdes no només per Kazantsev, i el seu propòsit és explicar els principis bàsics de funcionament del fre automàtic millorat.
Fre automàtic d'acció directa: 1 - compressor; 2 - dipòsit principal; 3 - línia de subministrament; 4 — grua del tren del conductor; 5 — dispositiu de subministrament de fuites de la línia de fre; 6 — línia de fre; 7 — connectar mànegues de fre; 8 - vàlvula final; 9 - vàlvula de tancament; 10 - vàlvula de retenció; 11 — dipòsit de recanvi; 12 — distribuïdor d'aire; 13 — cilindre de fre; 14 — Transmissió de palanca de fre.
Per tant, la primera idea principal és que la pressió a la TM es controla indirectament, mitjançant una disminució/augment de la pressió en un dipòsit especial anomenat tanc de sobretensió (UR). Es mostra a la figura a la dreta de l'aixeta del conductor (4) i a la part superior del dispositiu d'alimentació per a les fuites del TM (5). La densitat d'aquest embassament és tècnicament molt més fàcil d'assegurar que la densitat de la línia de fre: una canonada que arriba a diversos quilòmetres de longitud i recorre tot el tren. La relativa estabilitat de la pressió a la UR permet mantenir la pressió a la TM, utilitzant la pressió a la UR com a referència. De fet, el pistó del dispositiu (5) quan la pressió en el TM disminueix, obre la vàlvula que omple el TM des de la línia d'alimentació, mantenint així una pressió en el TM igual a la pressió en el UR. Aquesta idea encara tenia un llarg camí per recórrer, però ara la pressió al TM no depenia de la presència de fuites externes (fins a certs límits). El dispositiu 5 va migrar a la grua de l'operador i hi roman, de forma modificada, fins avui.
Una altra idea important subjacent al disseny d'aquest tipus de fre és l'alimentació del líquid de fre a través de la vàlvula de retenció 10. Quan la pressió de la vàlvula de fre supera la pressió de la vàlvula de fre, aquesta vàlvula s'obre, omplint la vàlvula des del fre. fluid. D'aquesta manera, les fuites es reomplen contínuament des del dipòsit de reserva i el fre no s'esgota.
La tercera idea important proposada per Kazantsev és el disseny d'un distribuïdor d'aire que funciona amb la diferència de no dues pressions, sinó tres: pressió a la línia de fre, pressió al cilindre de fre i pressió en una cambra de treball especial (WC), que, durant l'alliberament, s'alimenta per la pressió de la línia de fre, juntament amb un dipòsit de recanvi. En el mode de frenada, la pressió de càrrega es desconnecta del dipòsit de reserva i de la línia de fre, mantenint el valor de la pressió de càrrega inicial. Aquesta propietat s'utilitza àmpliament en els frens de material rodant tant per proporcionar un alliberament gradual com per controlar la uniformitat d'ompliment del TC al llarg del tren en trens de mercaderies, ja que la cambra de treball serveix com a estàndard per a la pressió de càrrega inicial. Segons el seu valor, és possible proporcionar un alliberament gradual i organitzar l'ompliment anterior del centre comercial als cotxes de cua. Deixaré una descripció detallada d'aquestes coses per a altres articles sobre aquest tema, però de moment només diré que el treball de Kazantsev va servir d'incentiu per al desenvolupament d'una escola científica al nostre país, que va portar al desenvolupament de l'original. sistemes de frens de material rodant.
Un altre inventor soviètic que va influir radicalment en el desenvolupament dels frens de material rodant nacional va ser Ivan Konstantinovich Matrosov. Les seves idees no eren fonamentalment diferents de les de Kazantsev, però, les proves operatives posteriors dels sistemes de frens Kazantsev i Matrosov (juntament amb altres sistemes de frens) van mostrar la superioritat significativa del segon sistema pel que fa a les característiques de rendiment quan s'utilitzava principalment en trens de mercaderies. Per tant, el fre Matrosov amb un distribuïdor d'aire està condicionat. El número 320 es va convertir en la base per al desenvolupament i el disseny posteriors d'equips de frenada per a ferrocarrils d'ample de 1520 mm. Un fre automàtic modern utilitzat a Rússia i als països de la CEI pot portar amb raó el nom de fre de Matrosov, ja que va absorbir, en l'etapa inicial del seu desenvolupament, les idees i solucions de disseny d'Ivan Konstantinovich.
En lloc d'una conclusió
Quina és la conclusió? Treballar en aquest article em va convèncer que el tema és digne d'una sèrie d'articles. En aquest article pilot, hem parlat de la història del desenvolupament dels frens de material rodant. A continuació entrarem en detalls sucosos, tocant no només el fre domèstic, sinó també els desenvolupaments dels companys d'Europa occidental, destacant el disseny de frens de diversos tipus i tipus de servei de material rodant. Així doncs, espero que el tema sigui interessant i ens veiem de nou al hub!
Gràcies per la vostra atenció!
Font: www.habr.com