Kinetická energie „Sapsana“ při maximální rychlosti přesahuje 1500 megajoulů. Aby se zastavila, musí být veškerá tato energie rozptýlena na brzdných zařízeních.
Bylo to tak, přesně tady, na Habru. Zde je publikováno celkem hodně přehledových článků na železniční témata, nicméně toto téma dosud nebylo podrobně probráno. Myslím, že by bylo velmi zajímavé napsat o tom článek, a možná i více než jeden. Proto prosím ty, koho zajímá, jak fungují brzdové systémy železniční dopravy, a proč jsou konstruovány právě tak, aby se podívali pod článek.
1. Historie vzniku pneumatické brzdy
Úkolem ovládání jakéhokoli dopravního prostředku je regulace rychlosti jeho pohybu. Železniční doprava není výjimkou, ba naopak, její konstrukční vlastnosti přinášejí do tohoto procesu podstatné nuance. Vlak se skládá z velkého množství navzájem propojených vozů, a vzniklý systém má značnou délku a hmotnost při zcela slušné rychlosti pohybu.
Podle definice, brzdy jsou soubor zařízení určených k vytváření umělých, regulovatelných odporových sil, používaných pro řízené snižování rychlosti pohybu dopravního prostředku.
Nejzřejmější, na povrchu viditelný způsob, jak vytvářet brzdnou sílu – využití třecí síly. Od začátku a dodnes se používá čelní třecí brzda. Speciální zařízení – brzdové špalíky, vyrobené z materiálu s vysokým koeficientem tření, jsou mechanicky přitlačovány na běhoun kola (nebo na speciální disky umístěné na ose dvojkolí). Mezi špalíky a kolem vzniká třecí síla, která vytváří brzdný moment.
Regulace brzdné síly se provádí změnou síly přitlačení špalíků k kolu – brzdného přítlaku. Otázka je pouze v tom, jaký pohon se používá pro přitlačení špalíků, a história brzd je částečně historií vývoje tohoto pohonu.
První železniční brzdy byly mechanické a ovládaly se ručně, odděleně na každém voze zvláštními lidmi — brzdiči nebo konduktory. Konduktory byli na tzv. brzdových plošinách, kterými byl vybaven každý vůz, a aktivovali brzdy na signál strojvedoucího lokomotivy. Výměna signálů mezi strojvedoucím a konduktory probíhala pomocí speciální signální šňůry, natažené podél celé soupravy, která spouštěla speciální píšťalku.
Starobylý dvounápravový nákladní vůz s brzdovou plošinou. Je vidět rukojeť ruční brzdy.
Sama o sobě má brzda s mechanickým pohonem malou sílu. Množství brzdného tlaku záviselo na síle a zručnosti konduktora. Kromě toho do činnosti takového brzdového systému zasahoval lidský faktor — konduktory vždy neplnili své povinnosti správně. O vysoké účinnosti takových brzd, a také o zvyšování rychlosti pohybu vlaků, které je měly, se nedalo hovořit.
Další vývoj brzd vyžadoval, předně, zvýšení brzdného tlaku, a za druhé — zajištění možnosti dálkového ovládání na všech vozech z pracovního místa strojvedoucího.
Hydraulický pohon, používaný v automobilových brzdách, získal široké rozšíření díky tomu, že zajišťuje vysoký tlak při kompaktnosti ovládacích zařízení. Nicméně, při použití takového systému ve vlaku se projeví jeho hlavní nevýhoda: potřeba speciální pracovního média — brzdové kapaliny, jejíž únik je nepřípustný. Velká délka brzdových hydraulických vedení ve vlaku, spolu s vysokými požadavky na jejich těsnost, činí vytvoření hydraulických železničních brzd nemožným a neracionálním.
Jiná věc je pneumatický pohon. Použití vzduchu pod vysokým tlakem umožňuje dosáhnout vysokého brzdného tlaku při přijatelných rozměrech ovládacích zařízení — brzdových válců. Není nedostatek pracovního média — vzduch kolem nás, a i když dojde k úniku pracovního média z brzdového systému (což se nevyhnutelně stane), relativně snadno ho lze doplnit.
Nejjednodušší typ brzdového systému, který využívá energii stlačeného vzduchu, je přímý neautomatický brzdový systém
Schéma přímého neautomatického brzdového systému: 1 — kompresor; 2 — hlavní zásobník; 3 — přívodní potrubí; 4 — ovládací ventil strojvedoucího; 5 — brzdová trubka; 6 — brzdový válec; 7 — uvolňovací pružina; 8, 9 — mechanický brzdový převod; 10 — brzdová kolo.
Pro funkci takové brzdy je nezbytné mít zásobu stlačeného vzduchu, která je uchovávána lokomotivou ve speciálním zásobníku nazývaném hlavní zásobník (2). Plnění vzduchu do hlavního zásobníku a udržování konstantního tlaku v něm provádí kompresor (1), který je poháněn energetickým zdrojem lokomotivy. Dodávku stlačeného vzduchu k ovládacím zařízením brzd zajišťuje speciální potrubí nazývané přívodní (PM) nebo tlaková trubka (3).
Ovládání brzd vagonů a dodávka do nich stlačeného vzduchu se provádí prostřednictvím dlouhého potrubí, které prochází celým vlakem a nazývá se brzdová trubka (TM) (5). Při dodávce stlačeného vzduchu přes TM naplňuje brzdové válce (BZ) (6), které jsou přímo připojeny k TM. Stlačený vzduch tlačí na píst, čímž přitlačuje brzdové destičky 10 k kolům, jak na lokomotivě, tak na vagonu. Dochází k brzdění.
Pro zastavení brzdění, což znamená uvolnění brzd, je nutné vypustit vzduch z brzdové trubky do atmosféry, což způsobí návrat brzdových mechanismů do výchozí polohy díky síle uvolňovacích pružin umístěných v BZ.
Pro brzdění je nutné spojit brzdovou trubku (TM) s přívodní (PM). Pro uvolnění — spojit brzdovou trubku s atmosférou. Tyto funkce zajišťuje speciální zařízení — ovládací ventil strojvedoucího (4) — při brzdění spojuje PM a TM, při uvolnění tyto potrubí odděluje a zároveň vypouští vzduch z TM do atmosféry.
V takovém systému existuje i třetí, mezistupňová pozice ventilu strojvedoucího — uzávěr Když jsou PM a TM odděleny, ale nekoná se vypouštění vzduchu z TM do atmosféry, kohout strojvůdce ji zcela izoluje. Tlak v TM a TC se udržuje a doba jeho udržení na stanovené úrovni je určována množstvím vzduchových úniků skrze různé netěsnosti, a také tepelnou odolností brzdových obložení, která se zahřívají třením o ráfky kol. Uložení v přeplnění při brzdění i uvolnění umožňuje regulovat brzdnou sílu v krocích. Taková brzda zajišťuje jak krokové brzdění, tak i krokové uvolnění.
Přes veškerou jednoduchost takového brzdového systému má fatální nevýhodu – při rozpojení vlaku dojde k přerušení brzdové soustavy, vzduch z ní uniká a vlak zůstává bez brzd. Právě z tohoto důvodu nemůže být taková brzda použita v železniční dopravě, cena jejího selhání je příliš vysoká. I bez přerušení vlaku, při velké únikové vzduchové ztrátě, bude účinnost brzdy snížena.
Na základě výše uvedeného vzniká požadavek, aby brzdění vlaku bylo iniciováno nikoli vzrůstajícím, ale snižujícím se tlakem v TM. Jak tedy naplnit brzdové válce? To přináší druhý požadavek – na každé vlakové jednotce musí být uložena rezerva stlačeného vzduchu, kterou je nutné operativně doplňovat po každém brzdění.
K podobným závěrům dospěla inženýrská myšlenka konce 19. století, což se projevilo v vytvoření prvního automatického železničního brzdového systému Georgem Westinghausem v roce 1872.
Zařízení Westinghausovy brzdy: 1 – kompresor; 2 – hlavní nádrž; 3 – přívodní trubka; 4 – strojvůdčí brzdový kohout; 5 – brzdová trubka; 6 – vzduchový distributor (trojitý ventil) Westinghausova systému; 7 – brzdový válec; 8 – záložní nádrž; 9 – nouzový kohout.
Na obrázku je znázorněno zařízení této brzdy (obrázek a – činnost brzdy při uvolnění; b – činnost brzdy při brzdění). Hlavním prvkem Westinghausovy brzdy se stal brzdový vzduchový distributor nebo jak mu občas říkají, trojitý ventil. Tento rozvodník vzduchu (6) má citlivý orgán — píst, který pracuje na rozdílu dvou tlaků — v brzdové soustavě (TM) a v rezervním zásobníku (ZR). Pokud tlak v TM klesne pod tlak v ZR, píst se posune vlevo, čímž otevře cestu vzduchu z ZR do TC. Pokud tlak v TM překročí tlak v ZR — píst se posune vpravo, čímž spojí TC s atmosférou a zároveň spojí TM a ZR, což zajistí naplnění posledně jmenovaného stlačeným vzduchem z TM.
Takže při poklesu tlaku v TM z jakéhokoliv důvodu, ať už je to zásah strojvedoucího, nadměrný únik vzduchu z TM nebo rozpojení vlaku — brzdy zaberou. To znamená, že takové brzdy mají automatiku. Tento vlastnost brzd umožnila přidat další možnost řízení brzd vlaku, která se používá na osobních vlacích až dodnes — nouzové zastavení vlaku pasažérem, prostřednictvím spojení brzdové soustavy s atmosférou přes speciální ventil — nouzový ventil (9).
. Ti, kdo znají tuto vlastnost brzdového systému vlaku, se smějí, když vidí filmy, kde zloději kovbojové lehce odpojují vagón se zlatem od vlaku. Aby něco takového bylo možné uskutečnit, kovbojové musí před odpojením uzavřít koncové ventily na brzdové soustavě, které oddělují brzdovou soustavu od spojovacích hadic mezi vagóny. Ale to nikdy nedělají. Na druhou stranu, uzavřené koncové ventily již několikrát způsobily strašlivé katastrofy spojené s poruchou brzd, ať už u nás (Kamenk v roce 1987, Jeeral-Simskij v roce 2011) nebo v zahraničí.
Protože naplnění brzdových válců probíhá z sekundárního zdroje stlačeného vzduchu (rezervního zásobníku), bez možnosti jeho stálého doplňování, tyto brzdy se nazývají nepřímé. Nabíjení ZR stlačeným vzduchem probíhá pouze při uvolnění brzdy, což vede k tomu, že při častých brzděních s následným uvolněním, pokud není dodržen dostatečný čas po uvolnění, ZR nestihne nabýt potřebného tlaku. To může vést k úplnému vyčerpání brzd a ztrátě kontroly nad brzdami vlaku.
Pneumatická brzda má i další nedostatek, který souvisí s tím, že pokles tlaku v brzdovém vedení, stejně jako jakékoli narušení, se v vzdušném prostředí šíří s velkou, ale přesto konečnou rychlostí — ne více než 340 m/s. Proč ne více? Protože rychlost zvuku je ideální varianta. Ale v pneumatikovém systému vlaku existuje řada překážek, které snižují rychlost šíření skoku poklesu tlaku spojeného s odporem pohybu vzduchu. Proto, pokud se nepřijmou zvláštní opatření, rychlost poklesu tlaku v TM bude tím nižší, čím dále od lokomotivy se nachází vůz. V případě brzdy Westinghousa rychlost takzvané brzdové vlny přesahuje 180 – 200 m/s.
Nicméně, zavedení pneumatické brzdy přispělo k zvýšení jak výkonu brzd, tak i operativnosti jejich ovládání přímo z pracovního místa strojvedoucího. To byl významný impuls pro rozvoj železniční dopravy, zvýšení rychlosti a hmotnosti vlaků a následně obrovský nárůst přepravního objemu na železnici, růst délky železničních tratí po celém světě.
George Westinghouse byl nejen vynálezcem, ale i podnikavým obchodníkem. Své vynálezy patentoval již v roce 1869, což mu umožnilo rozvinout masovou výrobu brzdového vybavení. Poměrně rychle brzdový systém Westinghousa získal široké rozšíření v USA, západní Evropě a v Ruské říši.
V Rusku brzdový systém Westinghousa bezvýhradně vládl až do Říjnové revoluce a docela dlouho po ní. Firma „Westinghouse“ postavila v Petrohradě svůj brzdový závod a také obratně vytlačila konkurenci z ruského trhu. Avšak brzdový systém Westinghousa měl řadu zásadních nedostatků.
Za prvé, tato brzda poskytovala pouze dva režimy provozu: brzdění až do úplného naplnění brzdových válců, a uvolnění — vyprázdnění brzdových válců. Vytvoření mezilehlého množství brzdného tlaku s jeho dlouhodobým udržováním bylo nemožné, tedy v brzdě Westinghousa chyběl režim uzavření. To neumožnilo realizovat přesné řízení rychlosti vlaku.
Za druhé, brzda Westinghouse špatně fungovala u dlouhých vlaků, a i když se s tím v osobní dopravě dalo nějak vypořádat, u nákladní dopravy se objevovaly problémy. Pamatujete na brzdovou vlnu? Tak, brzda Westinghouse neměla prostředky ke zvýšení její rychlosti, a u dlouhého vlaku mohlo snížení tlaku v TM na posledním voze začít příliš pozdě a navíc tempem výrazně nižším než v čele vlaku, což vytvářelo obrovskou nerovnoměrnost funkcí brzdových zařízení v soupravě.
Je třeba říci, že veškerá činnost společnosti „Westinghouse“, jak v Rusku té doby, tak po celém světě, byla prosycena kapitalistickým duchem patentových válek a nekalé konkurence. To zajistilo tak nedokonalému systému tak dlouhý život, alespoň v tomto historickém období.
Přesto je třeba uznat, že brzda Westinghouse položila základy brzdové vědy a princip jejího jednání zůstal beze změny v moderních brzdách kolejových vozidel.
2. Od brzdy Westinghouse k brzdě Matrosova — vývoj domácí brzdové vědy.
Téměř okamžitě po vzniku brzdy Westinghouse a uvědomění si jejích nedostatků začaly pokusy o vylepšení tohoto systému, nebo vytvoření jiného, zásadně nového. Naše země nebyla výjimkou. Na začátku 20. století měla Rusko rozvinutou železniční síť, která hrála významnou roli v zajištění ekonomického rozvoje a obranyschopnosti země. Zvýšení efektivity dopravy souviselo se zvyšováním rychlosti jejího pohybu a hmotnosti jednorázově přepravovaného nákladu, a tedy se ostře zvedaly otázky vylepšení brzdových systémů.
Podstatným impulsem pro rozvoj brzdové vědy v RSFSR a později SSSR bylo snížení vlivu velkého západního kapitálu, zejména firmy „Westinghouse“, na rozvoj domácího železničního odvětví po říjnu 1917.
F.P. Kazancev (vlevo) a I.K. Matrosov (vpravo) — tvůrci domácího železničního brzdy
Prvním poznatkem, prvním vážným úspěchem mladé domácí brzdové vědy, byly vývoje inženýra Florentije Pimenoviče Kazanceva. V roce 1921 Kazancev navrhl systém přímého automatického brzdění. Následující schéma popisuje všechny hlavní myšlenky, které přinesl nejen Kazancev, a jejím úkolem je vysvětlit základní principy fungování vylepšené automatické brzdy
Přímá automatická brzda: 1 — kompresor; 2 — hlavní nádrž; 3 — napájecí potrubí; 4 — brzdový ventil strojvedoucího; 5 — zařízení pro napájení úniku brzdového potrubí; 6 — brzdové potrubí; 7 — spojovací brzdové hadice; 8 — koncový ventil; 9 — zastavovací ventil; 10 — zpětný ventil; 11 — záložní nádrž; 12 — rozdělovací zařízení; 13 — brzdový válec; 14 — brzdová páka.
První hlavní myšlenkou je, že řízení tlaku v TP se provádí nepřímo — prostřednictvím snižování/zvyšování tlaku ve speciální nádrži, zvané vyrovnávací nádrž (VN). Je znázorněna na obrázku vpravo od ventilu strojvedoucího (4) a nahoře od zařízení pro napájení úniků z TP (5). Hustotu této nádrže je technicky mnohem snazší zajistit než hustotu brzdového potrubí — trubky o délce dosahující kilometrů napříč celým vlakem. Relativní stabilita tlaku ve VN umožňuje udržovat tlak v TP, využívající tlak ve VN jako řídící. Oprávněně, píst v zařízení (5), při snižování tlaku v TP, klesá dolů a otevírá ventil, který naplňuje TP z napájecího potrubí, čímž udržuje tlak v TP rovnající se tlaku ve VN. Tato myšlenka měla ještě dlouhou cestu vývoje, ale nyní tlak v TP nezávisel na přítomnosti vnějších úniků z něj (do známých mezí). Zařízení 5 se přesunulo do ventilu strojvedoucího a zůstává v něm v modifikované podobě až dodnes.
Další důležitou myšlenkou, která tvoří základ konstrukce tohoto typu brzdy, je napájení ZR z TP přes zpětný ventil 10. Při překročení tlaku v TP nad tlakem ve ZR se tento ventil otevírá a naplňuje ZR z TP. Takto dochází k nepřetržitému doplňování úniků ze záložní nádrže a zajišťuje se nevyčerpatelnost brzdy.
Třetí důležitou myšlenkou, kterou navrhl Kazančev, je konstrukce vzduchového rozdělovacího zařízení, které funguje na základě rozdílu nikoli dvou tlaků, ale tří — tlaku v brzdové soustavě, tlaku v brzdovém válci a tlaku ve speciální pracovní komoře (RK), která se při uvolnění napájí tlakem z brzdové soustavy, spolu s rezervním zásobníkem. V režimu brzdění se RK odděluje od rezervního zásobníku a brzdové soustavy, přičemž si uchovává velikost původního nabíjecího tlaku. Tato vlastnost se široce využívá v brzdách kolejových vozidel, jak pro zajištění stupňovitého uvolnění, tak i pro řízení rovnoměrného plnění TČ podél vlaku u nákladních souprav, neboť pracovní komora slouží jako etalon původního nabíjecího tlaku. Na základě jeho velikosti lze zajistit jak stupňovité uvolnění, tak i uspořádat dřívější plnění TČ v zadní části vagónů. Podrobnější popis těchto věcí nechám pro další články na toto téma, zatím mohu pouze říci, že práce Kazančeva posloužila jako podnět k rozvoji vědecké školy v naší zemi, která vedla k vypracování originálních brzdových systémů kolejových vozidel.
Dalším sovětským vynálezcem, který měl zásadní vliv na vývoj domácích brzd kolejových vozidel, byl Ivan Konstantinovič Matrosov. Jeho myšlenky se zásadně nelišily od myšlenek Kazančeva, nicméně následné provozní zkoušky brzdových systémů Kazančeva a Matrosova (spolu s dalšími brzdovými systémy) ukázaly významné přednosti druhého systému z hlediska provozních charakteristik, zejména při použití na nákladních vlacích. Tím se brzdový systém Matrosova s distribučním zařízením č. 320 stal základem pro další rozvoj a projektování brzdového vybavení železnic o rozchodu 1520 milimetrů. Moderní automatická brzda používaná v Rusku a zemích SNS si s právem může nosit jméno Matrosovy brzdy, neboť na začátku své existence absorbovala myšlenky a konstrukční řešení Ivana Konstantinoviče.
Na závěr
Jaké je tedy závěrečné hodnocení? Práce na tomto článku mě přesvědčila, že téma si zaslouží cyklus článků. V tomto pilotním článku jsme se dotkli historie vývoje brzd kolejových vozidel. V následujících se ponoříme do pikantních detailů, kdy se zaměříme nejen na domácí brzdy, ale i na vývoj našich kolegů ze Západní Evropy, osvětlíme konstrukci brzd různých typů a jejich služební využití. Tak doufám, že téma bude zajímavé, a těším se na nové setkání na Habru!
Děkuji za vaši pozornost!
Zdroj: habr.com
