Kinetická energie Sapsanu při maximální rychlosti je přes 1500 megajoulů. Pro úplné zastavení musí být všechno rozptýleno brzdovými zařízeními.
Byla to věc přímo tady na Habré. Vychází zde poměrně hodně přehledových článků s železniční tématikou, ale toto téma ještě nebylo podrobně zpracováno. Myslím, že by bylo docela zajímavé o tom napsat článek a možná i více než jeden. Prosím tedy za kočku těch, které zajímá, jak jsou navrženy brzdové systémy železniční dopravy a z jakých důvodů jsou takto navrženy.
1. Historie vzduchové brzdy
Úkolem řízení jakéhokoli vozidla je regulovat jeho rychlost. Železniční doprava není výjimkou, navíc její konstrukční vlastnosti vnášejí do tohoto procesu výrazné nuance. Vlak se skládá z velkého množství vzájemně propojených vagonů a výsledný systém má značnou délku a hmotnost při velmi slušné rychlosti.
Podle definice, brzdy jsou souborem zařízení určených k vytváření umělých, nastavitelných odporových sil používaných k řízenému snižování rychlosti vozidla.
Nejviditelnějším způsobem, jak vytvořit brzdnou sílu na povrchu, je použití tření. Od samého počátku až dodnes se používají třecí brzdy. Speciální zařízení - brzdové destičky, vyrobené z materiálu s vysokým koeficientem tření, jsou mechanicky přitlačovány k valivé ploše kola (nebo ke speciálním kotoučům namontovaným na ose dvojkolí). Mezi destičkami a kolem vzniká třecí síla, která vytváří brzdný moment.
Brzdná síla se nastavuje změnou síly přitlačení destiček ke kolu - brzdný tlak. Jedinou otázkou je, jaký pohon se používá k lisování destiček, a částečně historie brzd je historií vývoje tohoto pohonu.
První železniční brzdy byly mechanické a obsluhovaly je ručně, zvlášť na každém vagónu speciální lidé – brzdaři nebo průvodčí. Vodiči se nacházeli na tzv. brzdových plošinách, kterými byl každý vůz vybaven, a brzdili na signál strojvedoucího. Výměna návěstidel mezi strojvedoucím a průvodčími probíhala pomocí speciálního signálního lana nataženého podél celého vlaku, které aktivovalo speciální píšťalu.
Vintage dvounápravový nákladní vůz s brzdovým obložením. Viditelný knoflík ruční brzdy
Samotná mechanicky poháněná brzda má malý výkon. Velikost brzdného tlaku závisela na síle a obratnosti vodiče. Do chodu takového brzdového systému navíc zasahoval lidský faktor - vodiči ne vždy správně plnili své povinnosti. O vysoké účinnosti takovýchto brzd, stejně jako o zvýšení rychlosti jimi vybavených vlaků, nebylo třeba hovořit.
Další vývoj brzd si vyžádal za prvé zvýšení brzdného tlaku a za druhé možnost dálkového ovládání všech vozů z pracoviště řidiče.
Hydraulický pohon používaný v automobilových brzdách se rozšířil díky skutečnosti, že poskytuje vysoký tlak s kompaktními akčními členy. Při použití takového systému ve vlaku se však objeví jeho hlavní nevýhoda: potřeba speciální pracovní kapaliny - brzdové kapaliny, jejíž únik je nepřijatelný. Velká délka brzdových hydraulických vedení ve vlaku spolu s vysokými požadavky na jejich těsnost znemožňují a iracionální vytvoření hydraulické železniční brzdy.
Další věcí je pneumatický pohon. Použití vysokotlakého vzduchu umožňuje získat vysoké brzdové tlaky při přijatelných rozměrech servomotorů - brzdových válců. O pracovní kapalinu není nouze – vzduch je všude kolem nás, a i když dojde k úniku pracovní kapaliny z brzdové soustavy (a to jistě dochází), lze ji poměrně snadno doplnit.
Nejjednodušší brzdový systém využívající energii stlačeného vzduchu je přímočinná neautomatická brzda
Schéma přímočinné neautomatické brzdy: 1 - kompresor; 2 - hlavní nádrž; 3 - přívodní vedení; 4 — jeřáb pro strojvedoucí; 5 - brzdové vedení; 6 — brzdový válec; 7 — uvolňovací pružina; 8, 9 — mechanický brzdový převod; 10 - brzdová destička.
K ovládání takové brzdy je potřeba zásoba stlačeného vzduchu, uložená na lokomotivě ve speciální nádrži tzv. hlavní nádrž (2). Provádí se vstřikování vzduchu do hlavní nádrže a udržování konstantního tlaku v ní kompresor (1), poháněné lokomotivní elektrárnou. Stlačený vzduch je k ovládacím zařízením brzd přiváděn speciálním potrubím tzv nutriční (NM) nebo tlak dálnice (3).
Brzdy vozů jsou ovládány a stlačený vzduch je k nim přiváděn dlouhým potrubím procházejícím celým vlakem a tzv. brzdové vedení (TM) (5). Když je stlačený vzduch přiváděn přes TM, plní se brzdové válce (TC) (6) připojen přímo k TM. Stlačený vzduch tlačí na píst a tlačí brzdové destičky 10 proti kolům jak na lokomotivě, tak na vozech. Dochází k brzdění.
Přestat brzdit, tzn dovolené brzdy je nutné vypustit vzduch z brzdového vedení do atmosféry, což povede k návratu brzdových mechanismů do původní polohy vlivem síly vypínacích pružin instalovaných v TK.
Pro brzdění je nutné propojit brzdové potrubí (TM) s přívodním potrubím (PM). Na dovolenou připojte brzdové vedení k atmosféře. Tyto funkce provádí speciální zařízení - strojvedoucí vlakový jeřáb (4) - při brzdění spojuje PM a PM, při uvolnění tato potrubí rozpojuje a současně vypouští vzduch z PM do atmosféry.
V takovém systému existuje třetí, mezilehlá poloha jeřábu řidiče - střecha když jsou PM a TM odděleny, ale nedochází k uvolňování vzduchu z TM do atmosféry, jeřáb řidiče jej zcela izoluje. Tlak akumulovaný v TM a TC je udržován a doba jeho udržení na nastavené úrovni je dána velikostí úniku vzduchu různými netěsnostmi a také tepelným odporem brzdových destiček, které se zahřívají při tření o pneumatiky kol. Umístění do stropu jak při brzdění, tak při uvolňování umožňuje nastavit brzdnou sílu v krocích. Tento typ brzdy poskytuje jak krokové brzdění, tak krokové uvolnění.
I přes jednoduchost takového brzdového systému má fatální chybu – při odpojení vlaku praskne brzdové vedení, uniká z něj vzduch a vlak zůstane bez brzd. Právě z tohoto důvodu nelze takovou brzdu v železniční dopravě použít, náklady na její poruchu jsou příliš vysoké. I bez roztržení vlaku dojde při velkém úniku vzduchu ke snížení účinnosti brzd.
Na základě výše uvedeného vzniká požadavek, aby brzdění vlaku bylo iniciováno nikoli zvýšením, ale poklesem tlaku v TM. Ale jak potom naplnit brzdové válce? Z toho plyne druhý požadavek - každá pohybující se jednotka ve vlaku musí mít zásobu stlačeného vzduchu, kterou je nutné po každém brzdění rychle doplnit.
Inženýrské myšlení na konci 1872. století dospělo k podobným závěrům, které vyústily ve vytvoření první automatické železniční brzdy George Westinghouse v roce XNUMX.
Brzdové zařízení Westinghouse: 1 - kompresor; 2 - hlavní nádrž; 3 - přívodní vedení; 4 — jeřáb pro strojvedoucí; 5 - brzdové vedení; 6 — rozdělovač vzduchu (trojitý ventil) systému Westinghouse; 7 — brzdový válec; 8 — náhradní nádrž; 9 - uzavírací ventil.
Obrázek ukazuje strukturu této brzdy (Obrázek a - činnost brzdy při uvolnění; b - činnost brzdy při brzdění). Hlavním prvkem brzdy Westigauze byla rozdělovač brzdového vzduchu nebo, jak se někdy říká, trojitý ventil. Tento rozvaděč vzduchu (6) má citlivý orgán - píst, který funguje na rozdíl mezi dvěma tlaky - v brzdovém potrubí (TM) a rezervním zásobníku (R). Pokud se tlak v TM sníží než v TC, píst se posune doleva a otevře cestu pro vzduch z CM do TC. Pokud se tlak v TM stane větším než tlak v SZ, píst se posune doprava, komunikuje TC s atmosférou a současně komunikuje TM a SZ, čímž se zajistí, že se plní stlačeným vzduchem z TM.
Pokud se tedy z jakéhokoli důvodu sníží tlak v TM, ať už jde o činnost strojvedoucího, nadměrný únik vzduchu z TM nebo prasknutí vlaku, brzdy budou fungovat. To znamená, že takové brzdy mají automatická akce. Tato vlastnost brzdy umožnila přidat další možnost ovládání vlakových brzd, která se u osobních vlaků používá dodnes - nouzové zastavení vlaku cestujícím prostřednictvím komunikace brzdového potrubí s atmosférou přes speciální ventil - Nouzová brzda (9).
Pro ty, kteří jsou obeznámeni s touto funkcí brzdového systému vlaku, je legrační sledovat filmy, kde zloději-kovbojové slavně odpojují vagón se zlatem z vlaku. Aby to bylo možné, musí kovbojové před odpojením uzavřít koncové ventily na brzdovém potrubí, které oddělují brzdové potrubí od spojovacích hadic mezi vozy. Ale nikdy to neudělají. Na druhé straně ventily s uzavřeným koncem nejednou způsobily hrozné katastrofy spojené se selháním brzd, a to jak u nás (Kamensk v roce 1987, Eral-Simskaya v roce 2011), tak v zahraničí.
Vzhledem k tomu, že k plnění brzdových válců dochází ze sekundárního zdroje stlačeného vzduchu (náhradní nádrž), bez možnosti jeho neustálého doplňování, je taková brzda tzv. nepřímo působící. K nabíjení brzdy stlačeným vzduchem dochází až při odbrzdění brzdy, což vede k tomu, že při častém brzdění s následným odbrzděním, není-li po odbrzdění dostatečný čas, se brzda nestihne nabít na požadovaný tlak. To může mít za následek úplné vyčerpání brzdy a ztrátu kontroly nad brzdami vlaku.
Pneumatická brzda má také další nevýhodu související s tím, že pokles tlaku v brzdovém potrubí se jako každá porucha šíří vzduchem vysokou, ale stále konečnou rychlostí - ne více než 340 m/s. Proč ne víc? Protože rychlost zvuku je ideální. Ale ve vlakovém pneumatickém systému existuje řada překážek, které snižují rychlost šíření poklesu tlaku spojeného s odporem proudění vzduchu. Pokud tedy nebudou přijata zvláštní opatření, bude rychlost snižování tlaku v TM tím nižší, čím dále je vůz od lokomotivy. V případě brzdy Westinghouse je rychlost tzv brzdná vlna nepřesahuje 180 - 200 m/s.
Nástup pneumatické brzdy však umožnil zvýšit jak výkon brzd, tak i účinnost jejich ovládání přímo z pracoviště strojvedoucího.To posloužilo jako silný impuls pro rozvoj železniční dopravy, zvýšení rychlosti a hmotnosti vozidel. vlaků a v důsledku toho kolosální nárůst obratu nákladní dopravy na železnici, nárůst délky železničních tratí po celém světě.
George Westinghouse byl nejen vynálezcem, ale také podnikavým obchodníkem. Svůj vynález si nechal patentovat již v roce 1869, což mu umožnilo zahájit sériovou výrobu brzdových zařízení. Poměrně rychle se brzda Westinghouse rozšířila v USA, západní Evropě a Ruské říši.
V Rusku vládla brzda Westinghouse až do říjnové revoluce a ještě dlouho po ní. Společnost Westinghouse vybudovala vlastní závod na výrobu brzd v Petrohradě a také obratně vytlačila konkurenty z ruského trhu. Brzda Westinghouse však měla řadu zásadních nevýhod.
Za prvé, tato brzda poskytovala pouze dva provozní režimy: brzdění dokud nejsou brzdové válce zcela naplněny, a dovolená — vyprázdnění brzdových válců. Při jeho dlouhodobé údržbě nebylo možné vytvořit střední hodnotu brzdného tlaku, to znamená, že brzda Westinghouse neměla režim střecha. To neumožňovalo přesné řízení rychlosti vlaku.
Za druhé brzda Westinghouse nefungovala dobře na dlouhých vlacích, a zatímco v osobní dopravě se to dalo nějak tolerovat, v nákladní dopravě nastaly problémy. Pamatujete na brzdnou vlnu? Brzda Westinghouse tedy neměla prostředky ke zvýšení své rychlosti a v dlouhém vlaku mohl pokles tlaku v brzdové kapalině na posledním vagónu začít příliš pozdě a rychlostí výrazně nižší než v čele vlaku. vlaku, což způsobilo divoký nerovnoměrný chod brzdových zařízení napříč vlakem.
Nutno říci, že veškeré aktivity firmy Westinghouse jak v tehdejším Rusku, tak po celém světě jsou důkladně prosyceny kapitalistickým pachem patentových válek a nekalé soutěže. To zajistilo tak nedokonalému systému tak dlouhou životnost, alespoň v tomto historickém období.
Při tom všem je třeba uznat, že brzda Westinghouse položila základy vědy o brzdění a princip jejího fungování zůstal v moderních brzdách kolejových vozidel nezměněn.
2. Od brzdy Westinghouse k brzdě Matrosov - vytvoření domácí brzdové vědy.
Téměř okamžitě po objevení se brzdy Westinghouse a zjištění jejích nedostatků se objevily pokusy tento systém vylepšit, případně vytvořit jiný, zásadně nový. Naše země nebyla výjimkou. Na počátku XNUMX. století mělo Rusko rozvinutou síť železnic, která sehrála významnou roli při zajišťování ekonomického rozvoje a obranyschopnosti země. Zvyšování efektivity dopravy je spojeno se zvýšením rychlosti jejího pohybu a hmotnosti současně přepravovaného nákladu, což znamená, že jsou naléhavě nastoleny otázky zlepšení brzdových systémů.
Významným impulsem pro rozvoj vědy o brzdění v RSFSR a později SSSR bylo snížení vlivu velkého západního kapitálu, zejména společnosti Westinghouse, na rozvoj domácího železničního průmyslu po říjnu 1917.
F.P. Kazantsev (vlevo) a I.K. Námořníci (vpravo) - tvůrci domácí železniční brzdy
První známkou, prvním vážným úspěchem mladé domácí vědy o brzdění, byl vývoj inženýra Florentyho Pimenoviče Kazantseva. V roce 1921 navrhl Kazantsev systém přímočinná automatická brzda. Níže uvedený diagram popisuje všechny hlavní myšlenky, které představil nejen Kazantsev, a jeho účelem je vysvětlit základní principy fungování vylepšené automatické brzdy
Přímočinná automatická brzda: 1 - kompresor; 2 - hlavní nádrž; 3 - přívodní vedení; 4 — jeřáb pro strojvedoucí; 5 — zařízení pro přívod netěsnosti brzdového potrubí; 6 — brzdové vedení; 7 — připojení brzdových hadic; 8 - koncový ventil; 9 - uzavírací ventil; 10 - zpětný ventil; 11 — náhradní nádrž; 12 — rozdělovač vzduchu; 13 — brzdový válec; 14 — převod brzdové páky.
Takže první hlavní myšlenkou je, že tlak v TM je řízen nepřímo – prostřednictvím poklesu/zvýšení tlaku ve speciálním zásobníku tzv. vyrovnávací nádrž (UR). Je znázorněno na obrázku vpravo od kohoutku řidiče (4) a nahoře na napájecím zařízení pro úniky z TM (5). Hustotu tohoto rezervoáru je technicky mnohem snazší zajistit než hustotu brzdového potrubí - několik kilometrů dlouhého potrubí procházejícího celým vlakem. Relativní stabilita tlaku v UR umožňuje udržovat tlak v TM s použitím tlaku v UR jako referenčního. Když se tlak v TM sníží, píst v zařízení (5) otevře ventil, který plní TM z přívodního potrubí, čímž udržuje tlak v TM rovný tlaku v UR. Tento nápad měl ještě dlouhou cestu ve vývoji, ale nyní tlak v TM nezávisel na přítomnosti vnějších úniků z něj (do určitých limitů). Zařízení 5 migrovalo na jeřáb operátora a zde v pozměněné podobě zůstává dodnes.
Další důležitou myšlenkou, která je základem konstrukce tohoto typu brzdy, je napájení z brzdové kapaliny přes zpětný ventil 10. Když tlak v brzdovém ventilu překročí tlak v brzdovém ventilu, tento ventil se otevře a naplní ventil z brzdy tekutina. Netěsnosti jsou tak průběžně doplňovány z rezervní nádržky a nedochází tak brzda.
Třetí důležitou myšlenkou, kterou navrhl Kazantsev, je návrh rozdělovače vzduchu, který pracuje na rozdílu ne dvou tlaků, ale tří - tlaku v brzdovém potrubí, tlaku v brzdovém válci a tlaku ve speciální pracovní komoře (WC), který je při odbrzdění napájen tlakem z brzdového potrubí spolu s náhradní nádrží. V režimu brzdění je plnicí tlak odpojen od rezervního zásobníku a brzdového potrubí, přičemž je zachována hodnota počátečního plnicího tlaku. Tato vlastnost je široce používána v brzdách kolejových vozidel jak pro zajištění postupného uvolňování, tak pro řízení rovnoměrnosti plnění TC podél vlaku v nákladních vlacích, protože pracovní komora slouží jako standard pro počáteční plnicí tlak. Na základě jeho hodnoty je možné zajistit postupné uvolňování a organizovat dřívější plnění obchodních center v ocasních vozech. Podrobný popis těchto věcí si nechám na další články na toto téma, ale zatím jen řeknu, že Kazantsevovo dílo posloužilo jako podnět pro rozvoj vědecké školy u nás, což vedlo k rozvoji původních brzdové systémy kolejových vozidel.
Dalším sovětským vynálezcem, který radikálně ovlivnil vývoj domácích brzd pro kolejová vozidla, byl Ivan Konstantinovič Matrosov. Jeho představy se zásadně nelišily od představ Kazantseva, nicméně následné provozní testy brzdových systémů Kazantsev a Matrosov (spolu s dalšími brzdovými systémy) ukázaly významnou převahu druhého systému z hlediska výkonnostních charakteristik při použití především na nákladních vlacích. Matrosovova brzda s rozdělovačem vzduchu je tedy podmíněná. č. 320 se stal základem pro další vývoj a konstrukci brzdového zařízení pro železnice o rozchodu 1520 mm. Moderní automatická brzda používaná v Rusku a zemích SNS může právem nést jméno Matrosovova brzda, protože v počáteční fázi svého vývoje absorbovala nápady a konstrukční řešení Ivana Konstantinoviče.
Místo závěru
jaký je závěr? Práce na tomto článku mě přesvědčila, že téma je hodné série článků. V tomto pilotním článku jsme se dotkli historie vývoje brzd kolejových vozidel. Dále půjdeme do šťavnatých detailů, které se dotknou nejen domácí brzdy, ale také vývoje kolegů ze západní Evropy, s důrazem na konstrukci brzd různých typů a typů provozu kolejových vozidel. Doufám tedy, že téma bude zajímavé a že se zase uvidíme na hubu!
Děkuji za pozornost!
Zdroj: www.habr.com