Die kinetische Energie des „Sapsan“ bei maximaler Geschwindigkeit liegt über 1500 Megajoule. Um vollständig zum Stillstand zu kommen, muss diese gesamte Energie an den Bremsvorrichtungen abgeführt werden.
Es war einmal, Genau hier, auf Habré. Hier werden recht viele Übersichtsartikel zu Eisenbahnthemen veröffentlicht, jedoch wurde dieses Thema noch nicht ausführlich behandelt. Ich denke, es wäre sehr interessant, einen Artikel darüber zu schreiben, vielleicht sogar mehrere. Daher lade ich die Interessierten, die mehr über die Funktionsweise von Bremssystemen im Schienenverkehr erfahren möchten, zu weiterlesen ein.
1. Die Geschichte der pneumatischen Bremse
Die Aufgabe der Steuerung jedes Verkehrs umfasst die Regulierung der Geschwindigkeit seiner Bewegung. Der Schienenverkehr bildet da keine Ausnahme; darüber hinaus bringen seine konstruktiven Besonderheiten wesentliche Nuancen in diesen Prozess ein. Ein Zug besteht aus einer großen Anzahl miteinander verbundener Wagen, und das daraus resultierende System hat bei einer anständigen Geschwindigkeit eine erhebliche Länge und Masse.
Per Definition, sind Bremsen eine Gruppe von Geräten, die dazu bestimmt sind, künstliche, regulierbare Widerstandskräfte zu erzeugen, die zur kontrollierten Verringerung der Geschwindigkeit von Fahrzeugen verwendet werden.
Der offensichtlichste und naheliegendste Weg, Bremskraft zu erzeugen, ist die Nutzung der Reibung. Von Anfang an bis heute wird die Klobenreibung als Bremse eingesetzt. Spezielle Geräte – Bremsbeläge, hergestellt aus einem Material mit hohem Reibungskoeffizienten, werden mechanisch gegen die Lauffläche des Rades (oder gegen spezielle Scheiben, die an der Achse des Radsatzes angebracht sind) gedrückt. Zwischen den Belägen und dem Rad entsteht eine Reibungskraft, die ein Bremsmoment erzeugt.
Die Regulierung der Bremskraft erfolgt durch die Veränderung der Druckkraft der Beläge auf das Rad – die Bremskraft. Die Frage ist nur, welcher Antrieb verwendet wird, um die Beläge zu pressen, und die Geschichte der Bremsen ist zum Teil die Geschichte der Entwicklung dieses Antriebs.
Die ersten Eisenbahnbremsen waren mechanisch und wurden manuell von speziellen Personen – Bremsen oder Schaffner – an jedem Wagen betätigt. Die Schaffner befanden sich auf den sogenannten Bremsplattformen, die jeder Wagen hatte, und setzten die Bremsen auf Signal des Lokführers in Bewegung. Der Austausch von Signalen zwischen dem Lokführer und den Schaffnern erfolgte über ein spezielles Signalkabel, das entlang des gesamten Zuges gespannt war und eine spezielle Pfiff erzeugte.
Alter zweiachsiger Güterwagen mit Bremsplattform. Der Handbremshebel ist sichtbar.
Die mechanisch betriebene Bremse selbst besitzt eine geringe Druckkraft. Die Bremskraft hing von der Stärke und Geschicklichkeit des Schaffners ab. Außerdem war der menschliche Faktor bei einem solchen Bremssystem entscheidend – die Schaffner erfüllten ihre Pflichten nicht immer korrekt. Über die hohe Effektivität solcher Bremsen und die Erhöhung der Geschwindigkeit von mit ihnen ausgestatteten Zügen konnte man daher nicht sprechen.
Die Weiterentwicklung der Bremsen erforderte erstens eine Erhöhung des Bremsdrucks und zweitens die Möglichkeit, sie aus der Arbeitsstelle des Lokführers zu steuern.
Antriebe mit hydraulischer Kraft, die in Automobilbremsen verwendet werden, haben sich aufgrund ihrer hohen Druckkraft bei kompakten Antriebsmechanismen weit verbreitet. Allerdings zeigt sich bei der Anwendung eines solchen Systems im Zug sein grundlegender Nachteil: Die Notwendigkeit eines speziellen Arbeitsmediums – Bremsflüssigkeit, deren Austritt unzulässig ist. Die große Länge der hydraulischen Bremsleitungen im Zug zusammen mit den hohen Anforderungen an ihre Dichtheit macht die Schaffung einer hydraulischen Eisenbahnbremse unmöglich und unrentabel.
Anders verhält es sich mit dem pneumatischen Antrieb. Der Einsatz von Druckluft ermöglicht hohe Bremsdrücke bei akzeptablen Abmessungen der Antriebsmechanismen – Bremszylinder. Es gibt keinen Mangel an Arbeitsmedium – Luft ist um uns herum, und selbst wenn ein Leck des Arbeitsmediums aus dem Bremssystem auftritt (was unweigerlich geschieht), kann man es relativ leicht auffüllen.
Das einfachste Bremssystem, das die Energie von komprimierter Luft nutzt, ist eine direkt wirkende nichtautomatische Bremse
Schema der direkt wirkenden nichtautomatischen Bremse: 1 — Kompressor; 2 — Hauptbehälter; 3 — Versorgungsleitung; 4 — Führerbremsventil; 5 — Bremsleitung; 6 — Bremszylinder; 7 — Entspannungfeder; 8, 9 — mechanische Bremsübertragung; 10 — Bremsklotz.
Für den Betrieb einer solchen Bremse ist ein Vorrat an komprimierter Luft erforderlich, der im Lokomotiv im speziellen Behälter, genannt Hauptbehälter (2), gespeichert wird. Der Luftdruck im Hauptbehälter sowie die Aufrechterhaltung eines konstanten Drucks erfolgt durch einen Kompressor (1), der von der Energieeinheit der Lokomotive angetrieben wird. Die Zufuhr von komprimierter Luft zu den Bremssteuergeräten erfolgt über ein spezielles Rohrleitungssystem, das Versorgungsleitung (PМ) oder Druckleitung (3) genannt wird.
Die Steuerung der Bremsen der Wagen und die Einspeisung von komprimierter Luft erfolgt über eine lange Rohrleitung, die durch den gesamten Zug verläuft und Bremsleitung (ТМ) (5) genannt wird. Wenn komprimierte Luft durch die ТМ zugeführt wird, füllt sie die Bremszylinder (ТЦ) (6), die direkt an die ТМ angeschlossen sind. Die komprimierte Luft drückt auf den Kolben und drückt die Bremsklötze 10 gegen die Räder, sowohl an der Lokomotive als auch an den Wagen. Es erfolgt eine Bremsung.
Um die Bremsung zu stoppen, das heißt die Bremse zu lösen, muss die Luft aus der Bremsleitung in die Atmosphäre abgelassen werden, was dazu führt, dass die Bremsmechanismen durch das Drehmoment der Entspannungfedern, die in den ТЦ eingebaut sind, in die Ausgangsposition zurückkehren.
Um zu bremsen, muss die Bremsleitung (ТМ) mit der Versorgungsleitung (PМ) verbunden werden. Zum Lösen — die Bremsleitung mit der Atmosphäre verbinden. Diese Funktionen übernimmt ein spezielles Gerät — das Führerbremsventil (4) — bei der Bremsung verbindet es PМ und ТМ, beim Lösen trennt es diese Rohrleitungen, während es gleichzeitig Luft aus der ТМ in die Atmosphäre abgibt.
In einem solchen System gibt es auch eine dritte, Zwischenstellung des Führerbremsventils — der Überdeckung Wenn PM und TM getrennt sind, aber auch keine Luft aus TM in die Atmosphäre entweicht, isoliert der Maschinenkran sie vollständig. Der in TM und TC aufgebaute Druck bleibt erhalten, und die Zeit, in der dieser Druck auf einem bestimmten Niveau gehalten wird, hängt von der Größe der Luftlecks durch verschiedene Undichtigkeiten sowie von der thermischen Beständigkeit der Bremsbeläge ab, die sich bei der Reibung an den Felgen der Räder erwärmen. Die Aufstellung in der Überbrückung sowohl beim Bremsen als auch beim Lösen ermöglicht eine stufenweise Regelung der Bremskraft. Eine solche Bremse ermöglicht sowohl stufenweises Bremsen als auch stufenweises Lösen.
Trotz der Einfachheit eines solchen Bremssystems hat es einen fatalen Nachteil: Bei der Trennung des Zuges kommt es zu einem Bruch der Bremsleitung, die Luft entweicht und der Zug bleibt ohne Bremsen. Aus diesem Grund kann eine solche Bremse im Schienenverkehr nicht eingesetzt werden, da die Kosten eines Versagens zu hoch sind. Selbst ohne Zugtrennung wird die Bremswirkung bei einem großen Luftleck verringert.
Aus dem Vorangegangenen ergibt sich die Anforderung, dass das Bremsen des Zuges nicht durch einen Anstieg, sondern durch einen Druckabfall in TM initiiert werden muss. Aber wie kann man dann die Bremszylinder füllen? Dies führt zur zweiten Anforderung: In jeder beweglichen Einheit des Zuges muss ein Vorrat an komprimierter Luft gespeichert werden, der nach jeder Bremsung schnell aufgefüllt werden muss.
Ähnliche Erkenntnisse hatte die Ingenieurswissenschaft Ende des 19. Jahrhunderts, was zur Schaffung der ersten automatischen Bahn-Bremse durch George Westinghouse im Jahr 1872 führte.
Das Gerät der Westinghouse-Bremse: 1 — Kompressor; 2 — Hauptreservoir; 3 — Versorgungsstraß; 4 — Zugkran des Maschinenführers; 5 — Bremsleitung; 6 — Luftverteiler (Dreifach-Ventil) des Westinghouse-Systems; 7 — Bremszylinder; 8 — Reservebehälter; 9 — Notbremse.
Die Abbildung zeigt die Funktionsweise dieser Bremse (Abbildung a — Bremsen im Lösen; b — Bremsen im Bremsmodus). Das Hauptelement der Westinghouse-Bremse ist der Bremsluftverteiler oder, wie er manchmal auch genannt wird, das Dreifachventil. Dieser Luftverteiler (6) verfügt über ein empfindliches Element – einen Kolben, der auf dem Unterschied von zwei Drücken arbeitet – im Bremsschlauch (BS) und im Reservebehälter (RB). Wenn der Druck im BS geringer wird als im RB, verschiebt sich der Kolben nach links und öffnet den Weg für die Luft aus dem RB in die Bremszentrale (BZ). Wenn der Druck im BS höher ist als im RB, verschiebt sich der Kolben nach rechts, wodurch die BZ mit der Umgebung verbunden wird und gleichzeitig den BS und das RB miteinander verbindet, wodurch das RB mit Druckluft aus dem BS gefüllt wird.
Somit werden die Bremsen bei einem Druckabfall im BS aus irgendeinem Grund, sei es durch das Handeln des Lokführers, übermäßige Luftleckagen aus dem BS oder einen Zugbruch, betätigt. Das bedeutet, dass solche Bremsen automatisch arbeiten. Diese Eigenschaft der Bremsen hat es ermöglicht, eine weitere Möglichkeit zur Steuerung der Züge hinzuzufügen, die bis heute bei Personenwagen verwendet wird – die Notbremsung durch den Passagier, indem er die Bremse mit der Atmosphäre über ein spezielles Ventil verbindet – Notbremse (9).
. Für diejenigen, die mit diesem Merkmal des Bremssystems vertraut sind, ist es lächerlich, Filme zu sehen, in denen die Cowboys mit Leichtigkeit einen Waggon mit Gold vom Zug abkoppeln. Damit dies möglich ist, müssen die Cowboys vor der Abkoppelung die Endventile der Bremsleitung schließen, die die Bremsleitung von den Verbindungsschläuchen zwischen den Waggons trennen. Aber das tun sie nie. Andererseits haben geschlossene Endventile nicht selten als Ursache für schreckliche Katastrophen gedient, die mit Bremsversagen verbunden sind, sowohl bei uns (Kamenka 1987, Yeral-Simskaya 2011) als auch im Ausland.
Da die Füllung der Bremszylinder von einer sekundären Quelle mit Druckluft (Reservebehälter) erfolgt, ohne die Möglichkeit einer stetigen Auffüllung, wird diese Bremse als nicht direkt wirkend. Das Füllen des RB mit Druckluft erfolgt nur beim Lösen der Bremsen, was dazu führt, dass bei häufigem Bremsen und anschließendem Lösen, bei unzureichender Wartezeit nach dem Lösen, das RB nicht rechtzeitig auf den erforderlichen Druck geladen werden kann. Dies kann zu einem vollständigen Ausfall der Bremsen und zum Verlust der Kontrolle über die Bremsen des Zuges führen.
Die pneumatische Bremse hat einen weiteren Nachteil, der damit zusammenhängt, dass der Druckabfall in der Bremsleitung, wie jede Störung, in der Luft mit einer hohen, aber dennoch endlichen Geschwindigkeit – nicht mehr als 340 m/s – verbreitet wird. Warum nicht mehr? Weil die Schallgeschwindigkeit die ideale Variante ist. In pneumatischen Systemen von Zügen gibt es jedoch verschiedene Hindernisse, die die Geschwindigkeit der Druckabfallwelle verringern, die mit dem Luftwiderstand zusammenhängen. Daher wird die Geschwindigkeit des Druckabfalls in der TM umso geringer sein, je weiter der Wagen vom Lokomotiv entfernt ist. Im Fall der Westinghouse-Bremse beträgt die so genannte Bremswelle nicht mehr als 180 — 200 m/s.
Dennoch hat die Einführung der pneumatischen Bremse sowohl die Bremskraft als auch die Betriebsgeschwindigkeit der Steuerung direkt vom Arbeitsplatz des Lokführers aus erhöht. Dies war ein entscheidender Anstoß für die Entwicklung des Schienenverkehrs, zur Erhöhung der Fahrgeschwindigkeit und des Gewichts der Züge und folglich zu einem enormen Anstieg des Güterumschlags auf der Eisenbahn sowie zum Ausbau des Schienennetzes weltweit.
George Westinghouse war nicht nur ein Erfinder, sondern auch ein unternehmerischer Geschäftsmann. Sein Patent meldete er bereits im Jahr 1869 an, was ihm ermöglichte, die Massenproduktion von Bremsanlagen einzuleiten. Relativ schnell fand die Westinghouse-Bremse in den USA, Westeuropa und im Russischen Kaiserreich weit verbreitete Anwendung.
In Russland dominierte die Westinghouse-Bremse bis zur Oktoberrevolution und auch ziemlich lange danach. Die Firma „Westinghouse“ errichtete in St. Petersburg ihr Bremswerk und konnte so geschickt die Konkurrenz auf dem russischen Markt verdrängen. Allerdings hatte die Westinghouse-Bremse eine Reihe grundlegender Mängel.
Erstens stellte diese Bremse nur zwei Arbeitsmodi zur Verfügung: Bremsen bis zur vollständigen Füllung der Bremszylinder und Freigabe – Entleerung der Bremszylinder. Es war unmöglich, einen Zwischenwert des Bremsdrucks mit dessen langfristiger Aufrechterhaltung zu schaffen, das heißt, die Westinghouse-Bremse hatte keinen Modus für die Drosselung.Dies verhinderte eine präzise Steuerung der Zuggeschwindigkeit.
Zweitens funktionierte die Westinghouse-Bremse bei langen Zügen schlecht. Während man dies im Personenzugverkehr irgendwie tolerieren konnte, traten im Güterverkehr Probleme auf. Erinnern Sie sich an die Bremswelle? Nun, die Westinghouse-Bremse hatte nicht die Mittel, ihre Geschwindigkeit zu erhöhen, und bei einem langen Zug könnte der Druckabfall im Bremszylinder am letzten Wagen zu spät einsetzen und mit einem wesentlich niedrigeren Tempo als an der Spitze des Zuges erfolgen, was zu einer wilden Uneinheitlichkeit beim Ansprechen der Bremsanlage im ganzen Zug führte.
Es muss gesagt werden, dass alle Aktivitäten der Firma „Westinghouse“, sowohl in Russland zu jener Zeit als auch weltweit, von einem kapitalistischen Hauch von Patentschlachten und unlauterem Wettbewerb durchdrungen waren. Dies sicherte einem so unvollkommenen System ein so langes Leben, zumindest in dieser historischen Epoche.
Trotz allem muss man anerkennen – die Westinghouse-Bremse legte die Grundlagen der Bremswissenschaft, und ihr Wirkungsprinzip ist in modernen Bremsen des rollenden Materials unverändert geblieben.
2. Von der Westinghouse-Bremse zur Matrosow-Bremse – die Entwicklung der einheimischen Bremswissenschaft.
Fast unmittelbar nach dem Erscheinen der Westinghouse-Bremse und dem Bewusstsein über ihre Mängel entstanden Versuche zur Verbesserung dieses Systems oder zur Schaffung eines völlig neuen. Unser Land stellte dabei keine Ausnahme dar. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts verfügte Russland über ein ausgebautes Netzwerk von Eisenbahnen, das eine bedeutende Rolle bei der Sicherstellung der wirtschaftlichen Entwicklung und der Verteidigungsfähigkeit des Landes spielte. Die Effizienz des Verkehrs hängt von der Erhöhung der Geschwindigkeit seiner Bewegung und der Masse der gleichzeitig transportierten Fracht ab, was die Fragen zur Verbesserung der Bremssysteme drängend aufwarf.
Ein wesentlicher Anstoß zur Entwicklung der Bremswissenschaft in der RSFSR und später in der UdSSR war der Rückgang des Einflusses großer westlicher Kapitalien, insbesondere der Firma „Westinghouse“, auf die Entwicklung der heimischen Eisenbahnbranche nach Oktober 1917.
F.P. Kazantsev (links) und I.K. Matrosov (rechts) – die Schöpfer der einheimischen Eisenbahnbremse
Der erste Vorbote, der erste ernsthafte Erfolg der jungen einheimischen Bremswissenschaft, waren die Entwicklungen des Ingenieurs Florenti Pimenovich Kazantsev. Im Jahr 1921 schlug Kazantsev ein System vor. direkt wirkende automatische Bremse. Das folgende Schema beschreibt alle grundlegenden Ideen, die nicht nur von Kazantsev eingeführt wurden, und soll die Hauptprinzipien der Funktionsweise der verbesserten automatischen Bremse erklären
Direkt wirkende automatische Bremse: 1 — Kompressor; 2 — Hauptbehälter; 3 — Versorgungsleitung; 4 — Bremsventil des Lokführers; 5 — Steuergerät für Leckagen der Bremsleitung; 6 — Bremsleitung; 7 — Verbindungsschläuche; 8 — Endventil; 9 — Stoppventil; 10 — Rückschlagventil; 11 — Reservebehälter; 12 — Druckverteiler; 13 — Bremszylinder; 14 — Bremshebelmechanismus.
Die erste grundlegende Idee ist, dass der Druck in der Bremsleitung indirekt gesteuert wird — durch Senkung/Erhöhung des Drucks in einem speziellen Behälter, der als Ausgleichsbehälter (AB) bezeichnet wird. Er ist auf der Abbildung rechts vom Lokführerventil (4) und oberhalb des Geräts zur Versorgung von Leckagen aus der Bremsleitung (5) dargestellt. Die Dichtheit dieses Behälters ist technisch viel leichter zu gewährleisten als die Dichtheit der Bremsleitung — einem Rohr von mehreren Kilometern Länge, das durch den gesamten Zug verläuft. Die relative Stabilität des Drucks im AB ermöglicht es, den Druck in der Bremsleitung aufrechtzuerhalten, indem der Druck im AB als Vorgabe verwendet wird. Tatsächlich senkt sich der Kolben im Gerät (5), wenn der Druck in der Bremsleitung sinkt, öffnet das Ventil und befüllt die Bremsleitung aus der Versorgungsleitung, wodurch der Druck in der Bremsleitung auf dem Niveau des Drucks im AB bleibt. Diese Idee hatte noch einen langen Entwicklungsweg vor sich, aber jetzt hing der Druck in der Bremsleitung nicht mehr von externen Leckagen ab (bis zu bestimmten Grenzen). Das Gerät 5 wurde im Lokführerventil integriert und bleibt in modifizierter Form bis heute darin.
Eine weitere wichtige Idee, die der Konstruktion dieses Bremsentyps zugrunde liegt, ist die Versorgung des Reservebehälters (ZB) aus der Bremsleitung durch das Rückschlagventil 10. Wenn der Druck in der Bremsleitung den Druck im ZB übersteigt, öffnet sich dieses Ventil und befüllt den ZB aus der Bremsleitung. Dadurch erfolgt eine kontinuierliche Nachfüllung der Leckagen aus dem Reservebehälter, und die Unerschöpflichkeit der Bremse wird gewährleistet.
Die dritte wichtige Idee, die von Kazantsev vorgeschlagen wurde, ist die Konstruktion eines Luftverteilers, der auf der Differenz von nicht zwei, sondern drei Drücken arbeitet – dem Druck in der Bremsleitung, dem Druck im Bremszylinder und dem Druck in einer speziellen Arbeitskammer (WK), die beim Lösen mit Druck aus der Bremsleitung gespeist wird, zusammen mit einem Reservetank. Im Bremsmodus wird die WK von dem Reservetank und der Bremsleitung getrennt, sodass der Wert des ursprünglichen Ladedrucks erhalten bleibt. Diese Eigenschaft wird in den Bremsen des Fahrzeugs ausgiebig genutzt, sowohl um eine stufenweise Lösung zu gewährleisten als auch um die Gleichmäßigkeit der Füllung des BC entlang des Zuges in Güterzügen zu steuern, da die Arbeitskammer als Referenz für den ursprünglichen Ladedruck dient. Anhand seines Wertes kann sowohl eine stufenweise Lösung als auch eine frühere Füllung des BC in den letzten Wagen realisiert werden. Eine detaillierte Beschreibung dieser Dinge überlasse ich anderen Artikeln zu diesem Thema, aber ich kann sagen, dass die Arbeiten von Kazantsev einen Anstoß für die Entwicklung einer wissenschaftlichen Schule in unserem Land gaben, die zur Entwicklung origineller Bremssysteme für Fahrzeuge führte.
Ein weiterer sowjetischer Erfinder, der einen entscheidenden Einfluss auf die Entwicklung inländischer Bremsen für Fahrzeuge hatte, war Ivan Konstantinovich Matrosov. Seine Ideen unterschieden sich grundsätzlich nicht von den Ideen Kazantsevs, jedoch zeigten die später durchgeführten Betriebserprobungen der Bremsanlagen von Kazantsev und Matrosov (neben anderen Bremssystemen) eine wesentliche Überlegenheit des zweiten Systems hinsichtlich der Betriebseigenschaften, insbesondere bei der Verwendung in Güterzügen. Somit wurde die Bremse von Matrosov mit Luftverteiler, Muster Nr. 320, zur Grundlage für die weitere Entwicklung und Planung der Bremseinrichtungen der Eisenbahnen mit einer Spurweite von 1520 Millimetern. Die moderne automatische Bremse, die in Russland und den GUS-Staaten verwendet wird, kann mit Recht den Namen der Bremse von Matrosov tragen, da sie in der Anfangsphase ihrer Entwicklung die Ideen und Konstruktionslösungen von Ivan Konstantinovich aufgenommen hat.
Zum Abschluss
Was ist das Fazit? Die Arbeit an diesem Artikel hat mich überzeugt, dass das Thema einen Zyklus von Artikeln wert ist. In diesem einführenden Artikel haben wir die Geschichte der Entwicklung der Bremsen bei Schienenfahrzeugen behandelt. In den kommenden Artikeln werden wir ins Detail gehen und nicht nur die einheimischen Bremsen, sondern auch die Entwicklungen unserer Kollegen aus Westeuropa beleuchten, wobei wir die Konstruktion von Bremsen verschiedener Typen und Einsatzarten bei Schienenfahrzeugen erörtern. Ich hoffe, das Thema wird interessant sein, und bis zum nächsten Mal auf Habr!
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Quelle: habr.com
