Die kinetische Energie des «Sapsan» bei maximaler Geschwindigkeit beträgt über 1500 Megajoule. Um vollständig zum Stillstand zu kommen, muss diese gesamte Energie über die Bremssysteme abgebaut werden.
Das hat es gegeben, nämlich hier auf Habré. Hier werden zahlreiche Artikel über Eisenbahnen veröffentlicht, doch dieses spezielle Thema wurde bislang nicht ausführlich behandelt. Ich denke, es wäre interessant, darüber einen Artikel zu schreiben, vielleicht sogar mehrere. Daher lade ich alle ein, die sich dafür interessieren, wie die Bremssysteme im Schienenverkehr funktionieren und aus welchen Gründen sie so aufgebaut sind.
1. Geschichte des pneumatischen Bremssystems
Die Aufgabe der Steuerung eines jeden Verkehrs umfasst die Regelung seiner Geschwindigkeit. Der Schienenverkehr bildet dabei keine Ausnahme, vielmehr bringt seine Konstruktionsweise erhebliche Feinheiten in diesen Prozess ein. Ein Zug besteht aus einer Vielzahl von aneinandergekoppelten Wagen, wobei die entstehende Einheit eine beträchtliche Länge und Masse bei einer durchaus respektablen Geschwindigkeit aufweist.
Nach Definition, Bremsen sind ein System von Geräten, das dazu dient, künstliche, regulierbare Widerstandskräfte zu erzeugen, die zur kontrollierten Verringerung der Geschwindigkeit eines Fahrzeugs verwendet werden.
Die offensichtlichste und naheliegendste Methode zur Erzeugung von Bremskraft ist die Nutzung der Reibung. Von Anfang an bis heute kommen Trommel- und Scheibenbremsen zum Einsatz. Spezielle Elemente – Bremsbeläge, die aus einem Material mit hohem Reibungskoeffizienten bestehen, werden mechanisch gegen die Lauffläche des Rades (oder gegen spezielle auf der Achse der Radpaar installierte Scheiben) gedrückt. Zwischen den Belägen und dem Rad entsteht eine Reibungskraft, die ein Bremsmoment erzeugt.
Die Regulierung der Bremskraft erfolgt durch die Veränderung der Anpresskraft der Beläge gegen das Rad – Bremsdruck. Dabei stellt sich nur die Frage, welcher Antrieb verwendet wird, um die Beläge anzudrücken, und die Geschichte der Bremsen ist teilweise die Geschichte der Entwicklung dieses Antriebs.
Die ersten Eisenbahnbremsen waren mechanisch und wurden manuell betätigt, einzeln an jedem Wagen von speziell geschulten Personen – den Bremsenmeistern oder Zugführern. Die Zugführer befanden sich an sogenannten Bremsplattformen, die jeder Wagen hatte, und betätigten die Bremsen auf Signal des Lokführers. Der Austausch von Signalen zwischen dem Lokführer und den Zugführern erfolgte über ein spezielles Signalkabel, das entlang des gesamten Zuges verlief und ein besonderes Pfeifsignal aktivierte.
Alter zweiachsiger Güterwagen mit Bremsplattform. Der Handbremshebel ist sichtbar.
Eine mechanisch betriebene Bremse allein besitzt nur eine geringe Kraft. Die Bremskraft hing von der Stärke und Geschicklichkeit des Zugführers ab. Zudem war das menschliche Eingreifen ein Faktor in der Funktionsweise solcher Bremssysteme – Zugführer erfüllten oft nicht ihre Pflichten korrekt. Über die hohe Effizienz solcher Bremsen und die damit verbundene Erhöhung der Geschwindigkeit von Zügen, die mit ihnen ausgestattet waren, kann man daher nicht sprechen.
Die Weiterentwicklung der Bremsen erforderte erstens eine Erhöhung des Bremsdrucks und zweitens die Möglichkeit, sie von der Fahrerkabine aus über alle Wagen fernzusteuern.
Der hydraulische Antrieb, der in Autobremssystemen verwendet wird, hat sich aufgrund seiner hohen Druckfähigkeit bei gleichzeitig kompakten Aktuatorformaten weit verbreitet. Bei der Anwendung eines solchen Systems in einem Zug zeigt sich jedoch sein grundlegender Nachteil: Die Notwendigkeit eines speziellen Arbeitsmediums – Bremsflüssigkeit, deren Leckage unzulässig ist. Die große Länge der hydraulischen Bremsleitungen in einem Zug und die hohen Anforderungen an ihre Dichtheit machen die Entwicklung einer hydraulischen Eisenbahnbremse unmöglich und unrentabel.
Ein pneumatischer Antrieb funktioniert etwas anders. Der Einsatz von Hochdruckluft ermöglicht hohe Bremsdruckkraft bei akzeptablen Abmessungen der Aktuatoren – der Bremszylinder. Es mangelt nicht an Arbeitsmedium – die Luft um uns herum, und selbst wenn eine Leckage im Bremssystem auftritt (was unweigerlich passiert), lässt sie sich relativ leicht wieder auffüllen.
Das einfachste Bremssystem, das die Energie von Druckluft nutzt, ist eine direkt wirkende nicht-automatische Bremse.
Schema der direkt wirkenden nicht-automatischen Bremse: 1 – Kompressor; 2 – Hauptbehälter; 3 – Zuleitung; 4 – Handbremse des Fahrers; 5 – Bremsleitung; 6 – Bremszylinder; 7 – Entlüftungsfeder; 8, 9 – mechanische Bremsübertragung; 10 – Bremsbelag.
Für den Betrieb dieser Bremse ist ein Vorrat an Druckluft erforderlich, der im Lokomotiv in einem speziellen Behälter, genannt Hauptbehälter, (2). Das Verdichten von Luft in den Hauptbehälter und die Aufrechterhaltung eines konstanten Drucks erfolgt durch den Kompressor. (1), angetrieben von der Energieanlage der Lokomotive. Die Versorgung mit Druckluft zu den Bremssteuergeräten erfolgt über eine spezielle Rohrleitung, die als Versorgungsleitung (PМ) oder Druckleitung Hauptleitung (3).
Die Steuerung der Bremsen der Waggons und die Einspeisung von Druckluft in sie wird über ein langes Rohrsystem vorgenommen, das sich durch den gesamten Zug zieht und als Bremsleitung (TМ) (5). Bei der Einspeisung von Druckluft in die TМ wird sie in die Bremszylinder (TЦ) (6) geleitet, die direkt mit der TМ verbunden sind. Der Druckluft drückt auf den Kolben und presst die Bremsbeläge 10 an die Räder, sowohl an der Lokomotive als auch an den Waggons. Dies führt zur Bremsung.
Um die Bremsung zu beenden, das heißt, freizugeben die Bremsen, muss Luft aus der Bremsleitung in die Atmosphäre freigegeben werden, was das Zurückkehren der Bremsmechanismen in die Ausgangsposition durch die Wirkung von Rückholfedern im TЦ bewirkt.
Für das Bremsen ist es notwendig, die Bremsleitung (TМ) mit der Versorgungsleitung (PМ) zu verbinden. Für die Freigabe — die Bremsleitung mit der Atmosphäre zu verbinden. Diese Funktionen übernimmt ein spezielles Gerät — der Bremskran des Lokführers (4) — Bei der Verzögerung verbindet er die PM und TM, bei der Freigabe trennt er diese Rohrleitungen und lässt gleichzeitig Luft aus der TM in die Atmosphäre entweichen.
In einem solchen System gibt es auch die dritte, intermediäre Position des Lokführerventils — Überdruck wenn PM und TM getrennt sind, jedoch auch kein Luftauslass aus der TM in die Atmosphäre erfolgt — das Lokführerventil isoliert sie vollständig. Der in der TM und TC aufgebaute Druck bleibt bestehen, und die Dauer, während der dieser Druck auf einem festgelegten Niveau gehalten wird, hängt von der Menge der Luftverluste durch verschiedene Undichtigkeiten sowie von der thermischen Beständigkeit der Bremsbeläge ab, die sich durch Reibung an den Radreifen erhitzen. Das Einrichten der Überdruckstellung sowohl beim Bremsen als auch beim Freigeben ermöglicht die Regulierung der Bremskraft stufenweise. Diese Bremse sorgt sowohl für stufenweises Bremsen als auch für stufenweises Freigeben.
Trotz der Einfachheit eines solchen Systems hat die Bremse einen fatalen Nachteil: Wenn ein Zug getrennt wird, kommt es zu einem Bruch der Bremsleitung, die Luft entweicht, und der Zug hat keine Bremsen mehr. Aus diesem Grund kann eine solche Bremse nicht im Schienenverkehr eingesetzt werden, da die Konsequenzen eines Ausfalls zu hoch sind. Selbst ohne einen Bruch, bei einer größeren Luftleckage, würde die Bremswirkung ebenfalls verringert werden.
Aufgrund des Vorstehenden ergibt sich die Anforderung, dass das Bremsen des Zuges nicht durch einen Druckanstieg, sondern durch einen Druckabfall in der Bremsanlage initiiert werden sollte. Aber wie füllt man dann die Bremszylinder? Dies führt zu einer zweiten Anforderung: In jedem Wagen des Zuges muss eine Reserve an komprimierter Luft vorhanden sein, die nach jedem Bremsvorgang zeitnah aufgefüllt werden muss.
Ähnliche Erkenntnisse hatte die Ingenieurskunst des späten 19. Jahrhunderts, die in der Schaffung der ersten automatischen Eisenbahnbremse durch George Westinghouse im Jahr 1872 ihren Ausdruck fand.
Das Bremsgerät von Westinghouse: 1 — Kompressor; 2 — Hauptbehälter; 3 — Versorgungsleitung; 4 — Bremsstandventil des Fahrers; 5 — Bremsleitung; 6 — Luftverteiler (Dreifachventil) des Westinghouse-Systems; 7 — Bremszylinder; 8 — Reservebehälter; 9 — Notbremsventil.
Die Abbildung zeigt den Aufbau dieser Bremse (Abbildung a — Funktion der Bremse im Entspannungsmodus; b — Funktion der Bremse im Bremsmodus). Das Hauptelement der Westinghouse-Bremse ist der Bremsluftverteiler oder, wie er manchmal genannt wird, das Dreifachventil. Dieser Luftverteiler (6) hat ein sensitives Element — einen Kolben, der auf dem Druckunterschied von zwei Drücken basiert — in der Bremsleitung (BL) und dem Reservebehälter (RB). Wenn der Druck in der BL geringer ist als im RB, verschiebt sich der Kolben nach links und öffnet den Weg für die Luft vom RB zum Bremszylinder (BZ). Wenn der Druck in der BL größer als der Druck im RB ist, verschiebt sich der Kolben nach rechts, verbindet den BZ mit der Atmosphäre und gleichzeitig die BL und RB, sodass letzterer mit Druckluft aus der BL gefüllt wird.
Wenn der Druck in der Druckluftbremse aus irgendeinem Grund – sei es durch das Handeln des Lokführers, durch übermäßige Luftleckage oder durch einen Zugriss – sinkt, treten die Bremsen in Kraft. Das bedeutet, diese Bremsen verfügen über eine automatische Funktionsweise. Diese Eigenschaft der Bremsen hat es ermöglicht, eine weitere Möglichkeit zur Steuerung der Zugbremsen hinzuzufügen, die auch heute noch in Personenzügen verwendet wird – die Notbremsung durch den Fahrgast, indem die Bremsleitung über ein spezielles Ventil mit der Atmosphäre verbunden wird – Notbremsventil (9).
Diejenigen, die mit dieser Besonderheit des Bremssystems eines Zuges vertraut sind, finden es lustig, Filme zu sehen, in denen cowboyartige Diebe schamlos einen Wagen mit Gold vom Zug abkoppeln. Damit dies geschehen kann, müssten die Cowboys vor der Abkopplung die Endventile der Bremsleitung schließen, die die Bremsleitung von den Verbindungsschläuchen zwischen den Wagen trennt. Aber sie tun das niemals. Auf der anderen Seite haben geschlossene Endventile schon einmal die Ursache für schreckliche Katastrophen gewesen, die mit Bremsversagen verbunden waren, sowohl hierzulande (Kamenks 1987, Yeral-Simskaya 2011) als auch im Ausland.
Da die Füllung der Bremszylinder von einer sekundären Luftquelle (Ersatzbehälter) erfolgt, ohne die Möglichkeit einer ständigen Auffüllung, wird eine solche Bremse als nicht direkt wirkendbezeichnet. Das Laden des Zylinders mit Druckluft erfolgt nur beim Lösen der Bremse, was dazu führen kann, dass bei häufigem Bremsen und anschließendem Lösen, bei unzureichender Wartezeit nach dem Lösen, der Zylinder nicht genug Zeit hat, um auf den erforderlichen Druck aufgeladen zu werden. Dies kann zu einer vollständigen Erschöpfung der Bremse und zum Verlust der Steuerung über die Bremsen des Zuges führen.
Die pneumatische Bremse hat einen weiteren Nachteil, der sich daraus ergibt, dass ein Druckabfall in der Bremsleitung, wie jede Störung, sich in der Luft mit einer hohen, aber dennoch begrenzten Geschwindigkeit ausbreitet—nicht mehr als 340 m/s. Warum nicht mehr? Weil die Schallgeschwindigkeit das ideale Maß ist. In pneumatischen Systemen von Zügen gibt es jedoch verschiedene Hindernisse, die die Geschwindigkeit des Druckabfalls verringern, bedingt durch den Widerstand der Luftströmung. Daher gilt, dass je weiter ein Waggon vom Lokomotiv entfernt ist, desto langsamer wird der Druckabfall in der Bremsleitung sein, sofern keine speziellen Maßnahmen ergriffen werden. Im Fall der Westinghouse-Bremse überschreitet die Geschwindigkeit der sogenannten Bremswelle nicht 180 – 200 m/s.
Dennoch ermöglichte das Erscheinen der pneumatischen Bremse sowohl eine Verbesserung der Bremskraft als auch eine schnellere Steuerung direkt vom Arbeitsplatz des Lokführers. Dies war ein entscheidender Schub für die Entwicklung des Schienenverkehrs, erhöhte die Fahrgeschwindigkeit und das Gewicht der Züge und führte somit zu einem enormen Anstieg des Güterumschlags auf den Eisenbahnen sowie zu einem Wachstum der Streckenlängen weltweit.
George Westinghouse war nicht nur Erfinder, sondern auch ein unternehmerischer Geist. Er patentierte seine Erfindung bereits im Jahr 1869, was ihm ermöglichte, die Massenproduktion von Bremssystemen einzuleiten. Schnell wurde die Westinghouse-Bremse in den USA, Westeuropa und im Russischen Kaiserreich weit verbreitet.
In Russland dominierte die Westinghouse-Bremse bis zur Oktoberrevolution und noch lange danach. Die Firma „Westinghouse“ errichtete in Petersburg ihr eigenes Bremsenwerk und setzte sich geschickt gegen Wettbewerber auf dem russischen Markt durch. Allerdings hatte die Westinghouse-Bremse auch eine Reihe von grundsätzlichen Nachteilen.
Zunächst bot diese Bremse nur zwei Betriebsmodi an: Bremse bis die Bremszylinder vollständig gefüllt waren, und Freigabe — Entleerung der Bremszylinder. Es war unmöglich, einen Zwischenwert des Bremsdrucks mit einer dauerhaften Aufrechterhaltung zu erzeugen, das heißt, die Westinghouse-Bremse hatte keinen Modus der Überlappung. Dies verhinderte eine präzise Geschwindigkeitskontrolle des Zuges.
Zweitens funktionierte die Westinghouse-Bremse bei langen Zügen schlecht, und während man damit im Personenverkehr irgendwie leben konnte, traten im Güterverkehr Probleme auf. Erinnern Sie sich an die Bremswelle? Nun, die Westinghouse-Bremse verfügte nicht über Mittel zur Erhöhung ihrer Geschwindigkeit, und in einem langen Zug konnte der Druckabfall im letzten Wagen zu spät beginnen und mit einer deutlich niedrigeren Geschwindigkeit als an der Zugspitze erfolgen, was eine äußerst ungleichmäßige Betätigung der Bremsgeräte im ganzen Zug erzeugte.
Es muss gesagt werden, dass die gesamte Tätigkeit der Firma „Westinghouse“ sowohl in Russland als auch weltweit von den kapitalistischen Machenschaften der Patentkriege und unlauterem Wettbewerb durchdrungen war. Dies sicherte einem so unvollkommenen System ein so langes Bestehen, zumindest in dieser historischen Periode.
Dennoch muss anerkannt werden – die Bremse von Westinghouse legte die Grundlagen für die Bremstechnologie, und das Prinzip ihrer Funktionsweise ist in modernen Bremsen von Schienenfahrzeugen unverändert geblieben.
2. Von der Bremse von Westinghouse zur Bremse von Matrosow – die Entwicklung der heimischen Bremswissenschaft.
Fast sofort nach dem Auftreten der Westinghouse-Bremse und dem Erkennen ihrer Mängel begannen die Versuche, dieses System zu verbessern oder eine ganz neue, prinzipiell andere zu schaffen. Unser Land bildete dabei keine Ausnahme. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts verfügte Russland über ein gut ausgebautes Netzwerk von Eisenbahnen, das eine bedeutende Rolle für die wirtschaftliche Entwicklung und die Verteidigungsfähigkeit des Landes spielte. Die Effizienz des Transports hängt von der Erhöhung der Geschwindigkeit und der Masse der gleichzeitig transportierten Lasten ab, was die Fragen zur Verbesserung der Bremssysteme dringend aufwarf.
Ein wesentlicher Impuls für die Entwicklung der Bremswissenschaft in der RSFSR und später in der UdSSR war die Abnahme des Einflusses großer westlicher Kapitalien, insbesondere der Firma „Westinghouse“, auf die Entwicklung der heimischen Eisenbahnindustrie nach Oktober 1917.
F.P. Kazantsev (links) und I.K. Matrosov (rechts) – die Schöpfer der heimischen Eisenbahnbremse
Der erste Schritt, der erste ernsthafte Erfolg der jungen heimischen Bremswissenschaft, waren die Entwicklungen des Ingenieurs Florentij 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 eingebracht wurden, und sein Ziel ist es, die wesentlichen Funktionsprinzipien der verbesserten automatischen Bremse zu erklären.
Direkt wirkende automatische Bremse: 1 — Kompressor; 2 — Hauptbehälter; 3 — Versorgungsleitung; 4 — Bremsventil des Fahrers; 5 — Gerät zur Versorgung des Bremsleitungslecks; 6 — Bremsleitung; 7 — Verbindungsschläuche der Bremsleitung; 8 — Endventil; 9 — Stopventil; 10 — Rückschlagventil; 11 — Ersatzbehälter; 12 — Luftverteiler; 13 — Bremszylinder; 14 — Bremshebelübersetzung.
Die erste grundlegende Idee besteht darin, dass der Druck in der TM indirekt gesteuert wird – durch Senkung/Erhöhung des Drucks in einem speziellen Behälter, der als Gleichgewichtstank (UR). Es ist in der Abbildung rechts vom Lokführersperrventil (4) und oberhalb des Versorgungsglieder mit Leckagen aus der TM (5) dargestellt. Die Dichte dieses Tanks lässt sich technisch deutlich einfacher gewährleisten als die Dichte der Bremsleitung — einem Rohr, das Längen in der Größenordnung von Kilometern erreicht und den gesamten Zug durchzieht. Die relative Stabilität des Drucks im UR ermöglicht es, den Druck in der TM aufrechtzuerhalten, indem der Druck im UR als Vorgabe verwendet wird. Tatsächlich sinkt der Kolben im Gerät (5) bei Druckabfall in der TM nach unten und öffnet das Ventil, das die TM aus der Druckleitung speist, und dadurch wird der Druck in der TM auf dem Niveau des Drucks im UR gehalten. Dieser Idee stand noch ein langer Entwicklungsweg bevor, aber nun hing der Druck in der TM nicht mehr von externen Leckagen ab (bis zu bestimmten Grenzen). Das Gerät 5 wurde in den Lokführersperrventil integriert und bleibt bis heute in modifizierter Form darin.
Eine weitere wichtige Idee, die der Konstruktion dieses Bremsentyps zugrunde liegt, ist die Versorgung des ZR durch das TM über das Rückschlagventil 10. Wenn der Druck im TM den Druck im ZR übersteigt, öffnet sich dieses Ventil und füllt den ZR aus dem TM. Dadurch erfolgt eine kontinuierliche Nachfüllung von Leckagen aus dem Notbehälter, was die Unerschöpflichkeit der Bremse sicherstellt.
Die dritte wichtige Idee, die von Kazantsev vorgeschlagen wurde, betrifft die Konstruktion des Luftverteilers, der nicht nur mit zwei, sondern mit drei Druckunterschieden arbeitet – dem Druck in der Bremsleitung, dem Druck im Bremssylinder und dem Druck in einer speziellen Arbeitskammer (WK). Diese wird beim Loslassen mit Druck aus der Bremsleitung versorgt, zusammen mit einem Notvorrat. Im Bremsmodus wird die WK von dem Notvorrat und der Bremsleitung getrennt, wobei der ursprüngliche Lade- oder Anfangsdruck erhalten bleibt. Diese Eigenschaft wird bei Bremsen von Fahrzeugen sowohl zur Gewährleistung eines stufenweisen Loslassens als auch zur Steuerung der gleichmäßigen Befüllung des Bremssystems entlang des Zuges in Güterzügen genutzt, da die Arbeitskammer als Maßstab für den ursprünglichen Lade- oder Anfangsdruck dient. Ausgehend von dessen Wert kann sowohl ein stufenweises Loslassen als auch eine frühere Befüllung der Bremssysteme in den letzten Wagen realisiert werden. Eine detaillierte Beschreibung dieser Aspekte überlasse ich anderen Artikeln zu diesem Thema. Ich möchte nur sagen, dass Kazantsevs Arbeiten einen Anreiz für die Entwicklung einer wissenschaftlichen Schule in unserem Land gegeben haben, die zur Entwicklung origineller Bremssysteme für Wagen geführt hat.
Ein weiterer sowjetischer Erfinder, der einen entscheidenden Einfluss auf die Entwicklung der inländischen Bremsen für Schienenfahrzeuge hatte, war Ivan Konstantinovič Matrosov. Seine Ideen unterschieden sich grundlegend nicht von denen Kazancevs, jedoch zeigten die später durchgeführten Betriebserprobungen der Bremsanlagen von Kazancev und Matrosov (neben anderen Bremsystemen) eine deutliche Überlegenheit des zweiten Systems hinsichtlich der Betriebseigenschaften, insbesondere bei Güterzügen. So wurde die Matrosov-Bremse mit dem Luftverteiler der Kennnummer 320 zur Grundlage für die weitere Entwicklung und Konstruktion der Bremsausrüstung der Eisenbahnen mit einer Spurweite von 1520 Millimetern. Die moderne automatische Bremse, die in Russland und den GUS-Staaten verwendet wird, trägt zu Recht den Namen Matrosov-Bremse, da sie in der Anfangsphase ihrer Entwicklung die Ideen und technischen Lösungen von Ivan Konstantinovič aufgenommen hat.
Abschließend
Und welches Fazit zieht man daraus? Die Arbeit an diesem Artikel hat mich überzeugt, dass das Thema eine Serie von Artikeln verdient. In diesem Pilotartikel haben wir die Geschichte der Entwicklung von Bremsen für Schienenfahrzeuge angesprochen. In den nächsten Artikeln werden wir in pikante Details eintauchen, nicht nur die heimische Bremse behandeln, sondern auch die Entwicklungen unserer Kollegen aus Westeuropa beleuchten und die Konstruktion von Bremsen verschiedener Typen und deren Einsatzbereiche thematisieren. Ich hoffe, das Thema wird interessant sein, und bis bald auf Habr!
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Quelle: habr.com
