Den kinetiske energi af „Sapsan“ ved maksimal hastighed er over 1500 megajoule. For at stoppe helt skal al denne energi spredes i bremsesystemerne.
Det skete, netop her på Habré. Der offentliggøres ganske mange oversigtsartikler om jernbaneemner, men dette emne er endnu ikke blevet dækket grundigt. Jeg tror, det ville være ret interessant at skrive en artikel om dette, og måske ikke kun én. Derfor beder jeg de, der er interesseret i, hvordan bremsesystemerne for jerntransport er opbygget, og af hvilke grunde de er konstrueret på denne måde, om at tage med.
1. Historien om pneumatiske bremser
Opgaven med at styre ethvert transportmiddel indebærer regulering af hastigheden på dets bevægelse. Jernbanetransport er ingen undtagelse; tværtimod indeholder dets konstruktionselementer betydelige nuancer i denne proces. Et tog består af mange sammenkoblede enheder, og det resulterende system har en betydelig længde og vægt ved en ganske anstændig hastighed.
Definitionen af, bremser er et kompleks af enheder, der er designet til at skabe kunstige, regulerede modstandskraft, der bruges til kontrolleret nedsættelse af hastigheden på transportmidlet.
Den mest åbenlyse og overfladiske metode til at skabe bremsekræft er brugen af friktion. Fra begyndelsen og til i dag anvendes der skivebremser. Specielle enheder – bremseklodser, lavet af materiale med en høj friktionskoefficient, presses mekanisk mod overfladen af hjulbanen (eller mod specialskiver, der er installeret på akslen af hjulparret). Der opstår en friktionskraft mellem klodserne og hjulet, hvilket skaber et bremsmoment.
Reguleringen af bremsekræften udføres ved at ændre trykket af klodserne mod hjulet – bremsetryk. Spørgsmålet er kun, hvilken type aktor der bruges til at presse klodserne, og historien om bremser er delvist historien om udviklingen af denne aktor.
De første jernbanebremser var mekaniske og blev betjent manuelt, separat på hver vogn af specielle personer — bremsefolk eller konduktører. Konduktørerne befandt sig på de såkaldte bremseplatforme, som hver vogn var udstyret med, og betjente bremserne efter signal fra lokomotivføreren. Kommunikationen mellem lokomotivføreren og konduktørerne skete ved hjælp af et specielt signalreb, der var strakt langs hele toget, hvilket aktiverede et specielt fløjt.
En gammeldags toakslet godsvogn med bremseplatform. Håndtaget til den manuelle bremse er synligt.
Selve bremsen med mekanisk aktivering har en lav effekt. Bremsetrykket afhænger af styrken og dygtigheden hos konduktøren. Desuden kunne det menneskelige faktor påvirke en sådan bremsesystems funktion — konduktørerne fulgte ikke altid korrekt deres opgaver. Man kunne derfor ikke tale om den høje effektivitet af sådanne bremser, eller om en stigning i hastigheden på de tog, der var udstyret med dem.
Den videre udvikling af bremserne krævede for det første en forøgelse af bremsetrykket, og for det andet – muligheden for fjernbetjening af dem fra lokomotivførerens arbejdsplads på alle vogne.
Det hydrauliske drev, der anvendes i bilbremser, har fået stor udbredelse, fordi det giver højt tryk med kompakte aktiveringsanordninger. Men når et sådant system anvendes i et tog, viser det sin primære ulempe: behovet for et specielt arbejdsmiddel — bremsevæske, hvis lækage er uacceptabel. Den store længde af de hydrauliske bremseledninger i et tog, sammen med de høje krav til deres tæthed, gør det umuligt og irrationelt at skabe en hydraulisk jernbanebremse.
Pneumatisk drev er en anden sag. Brug af højtryksluft giver mulighed for at opnå høje bremsetryk med acceptable dimensioner på aktiveringsanordningerne — bremsecylindrene. Der er ikke mangel på arbejdsmidlet — luften omkring os, og selv hvis der opstår lækage af arbejdsmidlet fra bremseanlægget (og det vil helt bestemt ske), kan det relativt nemt genopfyldes.
Det enkleste bremse system, der bruger trykluft, er en direkte virkende ikke-automatisk bremse
Diagram over direkte virkende ikke-automatisk bremse: 1 – kompressor; 2 – hovedtanken; 3 – fødevandledning; 4 – førerens bremsekran; 5 – bremseledning; 6 – bremsecylinder; 7 – frigivelsesspiral; 8, 9 – mekanisk bremseoverførsel; 10 – bremseklods.
For at denne bremse skal fungere, er der brug for en reserve af trykluft, der opbevares på lokomotivet i en speciel tank, kaldt hovedtanken (2). Trykningen af luften i hovedtanken og opretholdelse af konstant tryk udføres af kompressoren (1), der drives af den energianlæg, der findes på lokomotivet. Leveringen af trykluft til bremsebetjeningsapparatet sker gennem et specielt rørsystem, kaldet forsyningsledningen (PM) eller trykledning (3).
Betjeningen af bremserne på vognene og forsyningen af trykluft til dem udføres ved hjælp af et langt rørsystem, der løber gennem hele toget, og kaldes bremseledningen (TM) (5). Når trykluft tilføres til TM, fylder den bremsecylindrene (TC) (6), der er direkte tilsluttet TM. Trykluften presser på stemplet, hvilket trykker bremseklodserne 10 mod hjulene, både på lokomotivet og på vognene, hvilket resulterer i bremsning.
For at stoppe bremsningen, dvs. frigivelse af bremserne, er det nødvendigt at frigive luft fra bremseledningen til atmosfæren, hvilket vil føre til, at bremsemekanismen returneres til sin oprindelige position ved hjælp af kraften fra frigivelsesspiralerne, der er installeret i TC.
For at bremse er det nødvendigt at forbinde bremseledningen (TM) med forsyningsledningen (PM). For frigivelse – at forbinde bremseledningen med atmosfæren. Disse funktioner udfører et specielt apparat – førerens bremsekran (4) – ved bremsning forbinder han PM og TM; ved frigivelse adskiller han disse rørledninger, samtidig med at han frigiver luft fra TM til atmosfæren.
I et sådant system findes der også en tredje, mellem-position for førerens ventil – lukkemekanisme Når PM og TM er adskilt, men udslip af luft fra TM til atmosfæren ikke finder sted, isolerer maskinistens ventil den fuldstændigt. Det tryk, der er opbygget i TM og TC, bevares, og tiden for at opretholde dette niveau bestemmes af graden af luftlækager gennem forskellige utætheder, samt den termiske stabilitet af bremseklodserne, der opvarmes ved friktion med hjulringene. Anordningen i oversvømningen både ved bremsning og ved løsne gør det muligt at regulere bremseeffekten trinvis. En sådan bremse muliggør både trinvise bremsninger og trinvist løsne.
På trods af enkelheden i et sådant bremse-system har det en fatalt ulempe - ved adskillelse af toget sker der et brud på bremseledningen, luften siver ud, og toget står uden bremser. Netop af denne grund kan en sådan bremse ikke anvendes på jernbanetransport; omkostningerne ved dens svigt er alt for høje. Selv uden brud på toget, vil effektiviteten af bremsen være nedsat ved en betydelig lækage af luft.
Baseret på ovenstående krav opstår der et behov for, at bremse af toget initieres ikke ved en stigning, men ved et fald i trykket i TM. Men hvordan skal man så fylde bremsecylindrene? Dette medfører et andet krav: der skal opbevares en reserve af komprimeret luft på hver enkelt enhed i toget, som skal genopfyldes hurtigt efter hver bremsning.
Lignende konklusioner blev nået af ingeniørerne i slutningen af det 19. århundrede, som resulterede i skabelsen af den første automatiske jernbanebremse af George Westinghouse i 1872.
Westinghouse-bremseapparatet: 1 - kompressor; 2 - hovedbeholder; 3 - forsyningsledning; 4 - togmaskinistens ventil; 5 - bremseledning; 6 - luftfordeler (triple ventil) i Westinghouse-systemet; 7 - bremsecylinder; 8 - reservebeholder; 9 - stopventil.
Illustrationen viser hvordan denne bremse fungerer (figur a - bremsefunktion ved løsne; b - bremsefunktion ved bremsning). Hovedkomponenten i Westinghouse-bremsen er luftfordeleren til bremsen eller, som den også nogle gange kaldes, triple ventilDenne luftfordeler (6) har en følsom komponent – en stempel, der fungerer på forskellen mellem to tryk – i bremsesystemet (TM) og reservebeholderen (ZR). Hvis trykket i TM bliver lavere end i ZR, flytter stemplet sig til venstre og åbner for luftens passage fra ZR til TC. Hvis trykket i TM bliver højere end trykket i ZR, flytter stemplet sig til højre og forbinder TC med atmosfæren, samtidig med at TM og ZR forbindes og sikrer, at det sidste fyldes med trykluft fra TM.
Dermed, når trykket i TM falder af en hvilken som helst årsag, hvad enten det er handlinger fra lokomotivføreren, overdreven luftlækage fra TM eller en togrejse – bremserne aktiveres. Det vil sige, at sådanne bremser har automatisk funktion. Denne egenskab ved bremsen har tilladt tilføjelse af endnu en mulighed for styring af togbremsen, der stadig anvendes på passagertog – nødstop af et tog af en passager ved at forbinde bremsesystemet til atmosfæren gennem et specielt ventil – nødbremse (9).
For dem der kender denne funktion ved togbremsesystemet, er det sjovt at se film, hvor tyve-cowboys snildt afkobler en vogn med guld fra toget. For at dette kan lade sig gøre, skal cowboys før afkoblingen lukke endekranerne på bremsesystemet, som adskiller bremsesystemet fra forbindelsesslangerne mellem vognene. Men det gør de aldrig. På den anden side har lukkede endekraner ofte været årsagen til frygtelige ulykker, der har været forbundet med bremsesvigt, både her (Kamenks i 1987, Yeral-Simskaya i 2011) og i udlandet.
Da fyldningen af bremsecylindrene sker fra en sekundær kilde af trykluft (reservebeholderen), uden mulighed for konstant genopfyldning, kaldes denne bremse indirekte. Opfyldning af ZR med trykluft sker kun ved frigivelse af bremserne, hvilket fører til, at ved hyppige bremsninger med efterfølgende frigivelse, hvis der ikke er tilstrækkelig tid til at vente efter frigivelsen, når ZR ikke har tid til at opfyldes til det nødvendige tryk. Dette kan føre til fuldstændig udtømning af bremsen og tab af kontrol over togbremsene.
Pneumatisk brems har en anden ulempe, der relaterer sig til, at trykfaldet i bremsesystemet, ligesom enhver forstyrrelse, i luften spreder sig med en stor, men stadig begrænset hastighed — højst 340 m/s. Hvorfor ikke mere? Fordi lysets hastighed er den ideelle situation. Men i togets pneumatiske system er der en række hindringer, der reducerer hastigheden af trykfaldets hastighedsudbredelse, relateret til luftens modstand. Derfor, hvis der ikke træffes særlige foranstaltninger, vil hastigheden for trykfaldet i TM være lavere, jo længere væk fra lokomotivet vognen er. I tilfælde af Westinghouse-bremsen er hastigheden af den såkaldte bremswave ikke højere end 180 — 200 m/s.
Alligevel gjorde opfindelsen af den pneumatiske brems det muligt at øge både bremsekapaciteten og hastigheden af betjening direkte fra maskinistens arbejdsplads. Dette gav et kraftigt boost til udviklingen af jernbanetransport, øgningen af hastigheden og vægten af tog og som følge heraf en kolossal stigning i godstransporten på jernbanen samt en vækst i længden af jernbanelinjerne verden over.
George Westinghouse var ikke blot opfinder, men også en driftig forretningsmand. Han patenterede sin opfindelse allerede i 1869, hvilket gjorde det muligt at starte masseproduktion af bremsudstyr. Ret hurtigt blev Westinghouse-bremsen udbredt i USA, Vesteuropa og det Russiske Imperium.
I Rusland herskede Westinghouse-bremsen uindskrænket indtil den Oktoberrevolution, og ganske længe efter. Firmaet "Westinghouse" byggede sin bremsfabrik i St. Petersborg og formåede dygtigt at udskifte konkurrencen fra det russiske marked. Dog havde Westinghouse-bremsen en række principielle ulemper.
For det første tilbød denne brems kun to arbejdsformer: bremsning indtil bremsestyrene var helt fyldt, og frigivelse — tømning af bremsestyrene. At skabe en mellemting af bremsetrykket med en langvarig vedligeholdelse var umuligt, så der var ikke nogen tilstand af overskud. Dette gjorde det umuligt at realisere præcisionsstyring af togfarten.
For det andet fungerede Westinghouse-bremsen dårligt i lange tog. Selvom dette kunne tolereres i persontransport, opstod der problemer i godstransporten. Kan du huske bremsesværd? Westinghouse-bremsen havde ikke midler til at øge hastigheden for denne sværd, og i et langt tog kunne trykfaldet i TMs sidste vogn begynde alt for sent og med en hastighed, der var betydeligt lavere end i fronten af toget, hvilket skabte en vild uregelmæssighed i bremsens funktion hen over hele togene.
Det skal siges, at hele virksomheden 'Westinghouse', både i Rusland på denne tid og i resten af verden, var gennemsyret af en kapitalistisk lugt af patentkrige og uretfærdig konkurrence. Dette sikrede, at et så ufuldendt system fik så lang en levetid, i hvert fald i den historiske periode.
På trods af alt dette må man indrømme, at Westinghouse-bremsen lagde grundlaget for bremsefagvidenskaben, og princippet for dens funktion er forblevet uændret i moderne bremser til rullende materiel.
2. Fra Westinghouse-bremsen til Matrosov-bremsen — udviklingen af den hjemlige bremsefagvidenskab.
Næsten straks efter Westinghouse-bremsens fremkomst og bevidstheden om dens mangler opstod der forsøg på at forbedre dette system eller skabe et helt nyt, principielt forskelligt system. Vores land var ingen undtagelse. Ved begyndelsen af det 20. århundrede havde Rusland et udviklet jernbanenet, der spillede en betydelig rolle i støtte til landets økonomiske udvikling og forsvarsevne. Forbedringen af transporteffektiviteten er forbundet med en stigning i hastigheden af bevægelsen og mængden af last, der kan transporteres på én gang, hvilket rejste akutte spørgsmål om forbedringen af bremsesystemer.
Et betydeligt skub til udviklingen af bremsefagvidenskaben i RSFSR og senere USSR kom fra faldet af den store vestlige kapital, især firmaet 'Westinghouse',s indflydelse på udviklingen af den hjemlige jernbaneindustri efter oktober 1917.
F.P. Kazantsev (til venstre) og I.K. Matrosov (til højre) — skaberne af den hjemlige jernbanebremse.
Den første spæde start, den første seriøse præstation fra den unge hjemlige bremsefagvidenskab, blev ingeniøren Florenti Pimenovich Kazantsevs udviklinger. I 1921 foreslog Kazantsev et system. direkte automatisk bremse. Skemaet nedenfor beskriver alle de grundlæggende ideer, der ikke kun er indført af Kazantsev, og dets opgave er at forklare de grundlæggende principper for, hvordan den avancerede automatiske bremse fungerer
Direkte automatisk bremse: 1 — kompressor; 2 — hovedbeholder; 3 — fødevandsledning; 4 — lokomotivførerens ventil; 5 — enhed til påfyldning af lækager i bremseledningen; 6 — bremseledning; 7 — forbindende bremse slanger; 8 — slutventil; 9 — stopventil; 10 — tilbagestrømshane; 11 — reservebeholder; 12 — luftfordeler; 13 — bremsecylinder; 14 — bremsearm.
Så den første grundlæggende idé er, at trykstyringen i bremseledningen udføres indirekte — ved at sænke/øge trykket i en speciel beholder, kaldet udligningsbeholderen (UB). Den er vist på tegningen til højre for lokomotivførerens ventil (4) og ovenfor enheden til påfyldning af lækager fra bremseledningen (5). At sikre tæthed i denne beholder er teknisk meget lettere end at sikre tæthed i bremseledningen — rør der strækker sig kilometerlangt gennem hele toget. Den relative stabilitet af trykket i UB gør det muligt at opretholde trykket i bremseledningen ved at bruge trykket i UB som reference. Faktisk sænkes stemplet i enheden (5) ved fald i trykket i bremseledningen og åbner ventilen, der fylder bremseledningen fra fødevandsledningen, hvilket derved opretholder et tryk i bremseledningen, der er lig med trykket i UB. Denne idé måtte stadig udvikle sig over lang tid, men nu afhængte trykket i bremseledningen ikke af tilstedeværelsen af eksterne lækager (op til kendte grænser). Enhed 5 blev flyttet til lokomotivførerens ventil og forbliver i den, i en modificeret form, den dag i dag.
En anden vigtig idé, der ligger til grund for konstruktionen af denne type bremse, er forsyningen af reservebeholderen fra bremseledningen gennem tilbagestrømshane 10. Når trykket i bremseledningen overstiger trykket i reservebeholderen, åbnes denne ventil og fylder reservebeholderen fra bremseledningen. På denne måde sker der kontinuerlig fyldning af lækagerne fra reservebeholderen, og bremsen opretholdes uden udtømning.
Den tredje vigtige idé, som Kazantsev foreslog, er konstruktionen af luftfordeleren, der arbejder på forskellen mellem ikke to, men tre tryk - trykket i bremseledningen, trykket i bremsecylinderen, og trykket i et specielt arbejdskammer (RK), som ved frigivelse forsynes med tryk fra bremseledningen sammen med en reservebeholder. I bremsemodus adskilles RK fra reservebeholderen og bremseledningen, og bevarer størrelsen af det oprindelige ladetryk. Denne egenskab anvendes ofte i bremser til rullende materiel, både for at sikre trinvis frigivelse og for at kontrollere ensartetheden af fyldningen af TC langs toget i godstog, da arbejdskammeret fungerer som en reference for det oprindelige ladetryk. Baseret på dets størrelse kan man både sikre trinvis frigivelse og organisere en tidligere fyldning af TC i de bagerste vogne. En detaljeret beskrivelse af disse ting vil jeg efterlade til andre artikler om emnet, men jeg vil blot sige, at Kazantsevs arbejde har været en inspiration for udviklingen af en forskningsskole i vores land, som har ført til udviklingen af originale bremsesystemer til rullende materiel.
En anden sovjetisk opfinder, der har haft en grundlæggende indflydelse på udviklingen af indenlandske bremser til rullende materiel, er Ivan Konstantinovich Matrosov. Hans idéer adskilte sig ikke principielt fra Kazantsevs idéer, men de efterfølgende driftsprøver af Kazantsevs og Matrosovs bremsesystemer (sammen med andre bremsesystemer) viste en betydelig overlegenhed ved det andet system med hensyn til driftskarakteristika, især når det blev anvendt på godstog. Dermed blev Matrosovs bremse med luftfordeler nr. 320 grundlaget for den videre udvikling og design af bremsudstyr til jernbaner med en sporvidde på 1520 millimeter. Den moderne automatiske bremse, der anvendes i Rusland og i de tidligere sovjetiske lande, kan med rette bære navnet Matrosovs bremse, da den i sin tidlige udviklingsfase inkorporerede idéer og designløsninger fra Ivan Konstantinovich.
Afslutning
Hvad er konklusionen? Arbejdet med denne artikel har overbevist mig om, at emnet fortjener en serie af artikler. I denne pilotartikel har vi berørt historien om udviklingen af bremser til rullende materiel. I de kommende artikler vil vi dykke ned i interessante detaljer, hvor vi vil tage fat på ikke kun de hjemlige bremser, men også udviklinger fra vores kolleger i Vesteuropa, og belyse konstruktionen af bremser af forskellige typer og til forskellige tjenesteydelser til rullende materiel. Jeg håber, at emnet vil være interessant, og vi ses igen på Habr!
Tak for din opmærksomhed!
Kilde: habr.com
