Die kinetische Energie des Sapsan beträgt bei Höchstgeschwindigkeit über 1500 Megajoule. Für einen vollständigen Stillstand muss dieser vollständig von den Bremseinrichtungen abgeführt werden.
Da war etwas genau hier auf Habré. Hier werden recht viele Übersichtsartikel zu Eisenbahnthemen veröffentlicht, dieses Thema wurde jedoch noch nicht ausführlich behandelt. Ich denke, es wäre sehr interessant, einen Artikel darüber zu schreiben, vielleicht sogar mehr als einen. Deshalb frage ich nach der Katze derjenigen, die sich dafür interessieren, wie die Bremssysteme des Schienenverkehrs konstruiert sind und aus welchen Gründen sie so konstruiert sind.
1. Die Geschichte der Druckluftbremse
Zur Steuerung eines Fahrzeugs gehört auch die Regulierung seiner Geschwindigkeit. Der Schienenverkehr stellt hier keine Ausnahme dar; darüber hinaus bringen seine Konstruktionsmerkmale erhebliche Nuancen in diesen Prozess ein. Der Zug besteht aus einer großen Anzahl miteinander verbundener Waggons, und das resultierende System weist eine beträchtliche Länge und ein beträchtliches Gewicht bei einer sehr ordentlichen Geschwindigkeit auf.
Per Definition Bremsen sind eine Reihe von Vorrichtungen zur Erzeugung künstlicher, einstellbarer Widerstandskräfte, mit denen die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs kontrollierbar verringert werden kann.
Die oberflächlich betrachtet offensichtlichste Möglichkeit, Bremskraft zu erzeugen, ist die Nutzung von Reibung. Von Anfang an bis heute werden Backenreibungsbremsen eingesetzt. Spezielle Vorrichtungen – Bremsbeläge aus einem Material mit hohem Reibungskoeffizienten werden mechanisch gegen die Lauffläche des Rades (oder gegen spezielle Scheiben, die auf der Achse des Radsatzes montiert sind) gedrückt. Zwischen den Belägen und dem Rad entsteht eine Reibungskraft, die ein Bremsmoment erzeugt.
Die Bremskraft wird durch Ändern der Anpresskraft der Bremsbeläge gegen das Rad eingestellt - Bremsdruck. Die Frage ist nur, mit welchem Antrieb die Beläge gepresst werden, und die Geschichte der Bremsen ist zum Teil auch die Entwicklungsgeschichte dieses Antriebs.
Die ersten Eisenbahnbremsen waren mechanisch und wurden von speziellen Personen – Bremsern oder Schaffnern – manuell und an jedem Waggon separat betätigt. Die Schaffner befanden sich auf den sogenannten Bremsplattformen, mit denen jeder Wagen ausgestattet war, und betätigten die Bremsen auf Zeichen des Lokführers. Der Signalaustausch zwischen Lokführer und Schaffner erfolgte über ein spezielles, über den gesamten Zug gespanntes Signalseil, das einen speziellen Pfiff auslöste.
Vintage zweiachsiger Güterwagen mit Bremsbelag. Handbremsknopf sichtbar
Die mechanisch angetriebene Bremse selbst hat wenig Leistung. Die Höhe des Bremsdrucks hing von der Stärke und Geschicklichkeit des Leiters ab. Darüber hinaus beeinträchtigte der menschliche Faktor die Funktion eines solchen Bremssystems – die Schaffner erfüllten ihre Aufgaben nicht immer korrekt. Über die hohe Effizienz solcher Bremsen sowie die Geschwindigkeitssteigerung der damit ausgestatteten Züge musste nicht gesprochen werden.
Die Weiterentwicklung der Bremsen erforderte zum einen eine Erhöhung des Bremsdrucks und zum anderen die Möglichkeit der Fernsteuerung aller Autos vom Fahrerarbeitsplatz aus.
Der in Automobilbremsen eingesetzte hydraulische Antrieb hat sich aufgrund der Tatsache, dass er mit kompakten Aktuatoren einen hohen Druck liefert, weit verbreitet. Beim Einsatz eines solchen Systems in einem Zug zeigt sich jedoch sein Hauptnachteil: die Notwendigkeit einer speziellen Arbeitsflüssigkeit – Bremsflüssigkeit, deren Leckage nicht akzeptabel ist. Die große Länge der Bremshydraulikleitungen in einem Zug sowie die hohen Anforderungen an deren Dichtheit machen es unmöglich und irrational, eine hydraulische Eisenbahnbremse zu bauen.
Eine andere Sache ist der pneumatische Antrieb. Die Verwendung von Hochdruckluft ermöglicht es, hohe Bremsdrücke bei akzeptablen Abmessungen der Aktuatoren – Bremszylinder – zu erreichen. Es besteht kein Mangel an Arbeitsflüssigkeit – die Luft ist überall um uns herum, und selbst wenn Arbeitsflüssigkeit aus dem Bremssystem austritt (und das ist ganz sicher der Fall), kann diese relativ einfach wieder aufgefüllt werden.
Das einfachste Bremssystem, das Druckluftenergie nutzt, ist Direkt wirkende nichtautomatische Bremse
Diagramm einer direkt wirkenden nichtautomatischen Bremse: 1 - Kompressor; 2 - Haupttank; 3 - Versorgungsleitung; 4 – Zugkran des Triebfahrzeugführers; 5 - Bremsleitung; 6 – Bremszylinder; 7 – Entriegelungsfeder; 8, 9 – mechanische Bremsübertragung; 10 - Bremsbelag.
Um eine solche Bremse zu betätigen, ist ein Vorrat an Druckluft erforderlich, der an der Lokomotive in einem speziellen Tank, dem sogenannten „Tank“, gespeichert wird Hauptreservoir (2). Es wird Luft in den Haupttank eingespritzt und der Druck darin konstant gehalten Kompressor (1), angetrieben durch die Lokomotive Kraftwerk. Die Druckluftversorgung der Bremssteuergeräte erfolgt über eine spezielle Rohrleitung namens Nährwert (NM) oder Druck Autobahn (3).
Die Bremsen der Wagen werden gesteuert und über eine lange Rohrleitung, die durch den gesamten Zug verläuft, mit Druckluft versorgt und aufgerufen Bremsleitung (TM) (5). Wenn Druckluft durch das TM zugeführt wird, füllt es sich Bremszylinder (TC) (6) direkt mit dem TM verbunden. Druckluft drückt auf den Kolben und drückt die Bremsbeläge 10 gegen die Räder, sowohl bei der Lokomotive als auch bei den Waggons. Es kommt zu einer Bremsung.
Das heißt, mit dem Bremsen aufzuhören Urlaub Bremsen ist es notwendig, Luft aus der Bremsleitung in die Atmosphäre abzulassen, was dazu führt, dass die Bremsmechanismen aufgrund der Kraft der im TC eingebauten Lösefedern in ihre ursprüngliche Position zurückkehren.
Zum Bremsen ist es notwendig, die Bremsleitung (TM) mit der Speiseleitung (PM) zu verbinden. Schließen Sie im Urlaub die Bremsleitung an die Atmosphäre an. Diese Funktionen werden von einem speziellen Gerät ausgeführt - Lokführerkran (4) - Beim Bremsen verbindet es PM und PM, beim Loslassen trennt es diese Rohrleitungen und gibt gleichzeitig Luft aus dem PM in die Atmosphäre ab.
In einem solchen System gibt es eine dritte Zwischenposition des Fahrerkrans – Neudach Wenn PM und TM getrennt sind, aber keine Luft aus dem TM in die Atmosphäre freigesetzt wird, isoliert der Fahrerkran diese vollständig. Der im TM und TC angesammelte Druck wird aufrechterhalten und die Zeit, in der er auf dem eingestellten Niveau gehalten wird, wird durch die Menge der Luftleckage durch verschiedene Lecks sowie durch den Wärmewiderstand der Bremsbeläge bestimmt, die sich bei der Reibung an ihnen erwärmen die Radreifen. Durch die Platzierung in der Decke sowohl beim Bremsen als auch beim Lösen lässt sich die Bremskraft stufenweise einstellen. Dieser Bremsentyp bietet sowohl Stufenbremsung als auch Stufenfreigabe.
Trotz der Einfachheit eines solchen Bremssystems weist es einen fatalen Fehler auf: Wenn der Zug abgekoppelt wird, reißt die Bremsleitung, Luft entweicht aus ihr und der Zug bleibt ohne Bremsen. Aus diesem Grund kann eine solche Bremse im Schienenverkehr nicht eingesetzt werden, die Kosten ihres Ausfalls sind zu hoch. Selbst ohne einen Zugbruch wird die Bremswirkung bei einem großen Luftleck verringert.
Daraus ergibt sich die Anforderung, dass die Zugbremsung nicht durch einen Anstieg, sondern durch einen Druckabfall im TM eingeleitet wird. Aber wie füllt man dann die Bremszylinder? Daraus ergibt sich die zweite Anforderung: Jede bewegliche Einheit im Zug muss einen Vorrat an Druckluft speichern, der nach jeder Bremsung umgehend wieder aufgefüllt werden muss.
Das technische Denken am Ende des 1872. Jahrhunderts kam zu ähnlichen Schlussfolgerungen, was XNUMX zur Entwicklung der ersten automatischen Eisenbahnbremse durch George Westinghouse führte.
Westinghouse-Bremsgerät: 1 - Kompressor; 2 - Haupttank; 3 - Versorgungsleitung; 4 – Zugkran des Triebfahrzeugführers; 5 - Bremsleitung; 6 – Luftverteiler (Dreifachventil) des Westinghouse-Systems; 7 – Bremszylinder; 8 – Ersatztank; 9 - Absperrventil.
Die Abbildung zeigt den Aufbau dieser Bremse (Abbildung a – Betätigung der Bremse beim Lösen; b – Betätigung der Bremse beim Bremsen). Das Hauptelement der Westigauze-Bremse war Bremsluftverteiler oder, wie es manchmal genannt wird, Dreifachventil. Dieser Luftverteiler (6) verfügt über ein empfindliches Organ – einen Kolben, der auf der Differenz zwischen zwei Drücken arbeitet – in der Bremsleitung (TM) und im Reservebehälter (R). Wenn der Druck im TM geringer wird als im TC, bewegt sich der Kolben nach links und öffnet den Weg für Luft vom CM zum TC. Wenn der Druck im TM größer wird als der Druck im SZ, bewegt sich der Kolben nach rechts, verbindet den TC mit der Atmosphäre und verbindet gleichzeitig den TM und den SZ, wodurch sichergestellt wird, dass letzterer mit Druckluft gefüllt wird das TM.
Wenn also der Druck im TM aus irgendeinem Grund sinkt, sei es durch die Handlungen des Fahrers, übermäßige Luftleckage aus dem TM oder einen Zugbruch, funktionieren die Bremsen. Das heißt, solche Bremsen haben automatische Aktion. Diese Eigenschaft der Bremse ermöglichte es, eine weitere Möglichkeit zur Steuerung der Zugbremsen hinzuzufügen, die bis heute in Personenzügen zum Einsatz kommt – ein Notstopp des Zuges durch einen Fahrgast durch Kommunikation der Bremsleitung mit der Atmosphäre über ein spezielles Ventil – Notbremse (9).
Für diejenigen, die mit dieser Funktion des Bremssystems des Zuges vertraut sind, ist es lustig, sich Filme anzusehen, in denen Diebe-Cowboys bekanntermaßen einen Waggon mit Gold aus einem Zug aushakten. Damit dies möglich ist, müssen die Cowboys vor dem Abkuppeln die Endventile an der Bremsleitung schließen, die die Bremsleitung von den Verbindungsschläuchen zwischen den Wagen trennen. Aber das tun sie nie. Andererseits haben Ventile mit geschlossenem Ende mehr als einmal zu schrecklichen Katastrophen im Zusammenhang mit Bremsversagen geführt, sowohl hier (Kamensk im Jahr 1987, Eral-Simskaya im Jahr 2011) als auch im Ausland.
Aufgrund der Tatsache, dass die Befüllung der Bremszylinder aus einer sekundären Druckluftquelle (Ersatztank) erfolgt, ohne dass die Möglichkeit einer ständigen Nachfüllung besteht, wird eine solche Bremse genannt indirekt wirkend. Die Beaufschlagung der Bremse mit Druckluft erfolgt nur beim Lösen der Bremse, was dazu führt, dass bei häufigem Bremsen mit anschließendem Lösen, wenn nach dem Lösen nicht genügend Zeit bleibt, die Bremse keine Zeit hat, sich auf den erforderlichen Druck aufzuladen. Dies kann zur völligen Erschöpfung der Bremse und zum Verlust der Kontrolle über die Bremsen des Zuges führen.
Die pneumatische Bremse hat noch einen weiteren Nachteil, der darin besteht, dass sich der Druckabfall in der Bremsleitung wie jede andere Störung mit einer hohen, aber immer noch begrenzten Geschwindigkeit in der Luft ausbreitet – nicht mehr als 340 m/s. Warum nicht mehr? Denn die Schallgeschwindigkeit ist ideal. Im pneumatischen System des Zuges gibt es jedoch eine Reihe von Hindernissen, die die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Druckabfalls verringern, der mit dem Widerstand gegen den Luftstrom verbunden ist. Sofern keine besonderen Maßnahmen ergriffen werden, ist daher die Geschwindigkeit des Druckabbaus im TM umso geringer, je weiter der Wagen von der Lokomotive entfernt ist. Bei der Westinghouse-Bremse ist die Geschwindigkeit der sogenannten Bremswelle 180 - 200 m/s nicht überschreitet.
Das Aufkommen der pneumatischen Bremse ermöglichte jedoch eine Steigerung sowohl der Bremsleistung als auch der Effizienz ihrer Steuerung direkt vom Fahrerarbeitsplatz aus, was einen starken Impuls für die Entwicklung des Schienenverkehrs darstellte und dessen Geschwindigkeit und Gewicht erhöhte Züge und infolgedessen ein enormer Anstieg des Güterumschlags auf der Schiene, die Verlängerung der Eisenbahnstrecken auf der ganzen Welt.
George Westinghouse war nicht nur ein Erfinder, sondern auch ein unternehmungslustiger Geschäftsmann. Bereits 1869 ließ er seine Erfindung patentieren und konnte so mit der Massenproduktion von Bremsgeräten beginnen. Ziemlich schnell verbreitete sich die Westinghouse-Bremse in den USA, Westeuropa und im Russischen Reich.
In Russland herrschte bis zur Oktoberrevolution und noch lange danach die Westinghouse-Bremse. Das Unternehmen Westinghouse baute in St. Petersburg ein eigenes Bremsenwerk und verdrängte gleichzeitig gekonnt Konkurrenten vom russischen Markt. Allerdings hatte die Westinghouse-Bremse eine Reihe grundsätzlicher Nachteile.
Erstens verfügte diese Bremse nur über zwei Betriebsarten: bremsen bis die Bremszylinder vollständig gefüllt sind und Urlaub — Entleeren der Bremszylinder. Es war unmöglich, durch die Langzeitwartung einen mittleren Bremsdruck zu erzeugen, das heißt, die Westinghouse-Bremse hatte keinen Modus Neudach. Eine genaue Steuerung der Zuggeschwindigkeit war dadurch nicht möglich.
Zweitens funktionierte die Westinghouse-Bremse in langen Zügen nicht gut, und während dies im Personenverkehr einigermaßen toleriert werden konnte, traten im Güterverkehr Probleme auf. Erinnern Sie sich an die Bremswelle? Daher verfügte die Westinghouse-Bremse nicht über die Möglichkeit, ihre Geschwindigkeit zu erhöhen, und in einem langen Zug konnte der Druckabfall in der Bremsflüssigkeit im letzten Wagen zu spät einsetzen, und zwar deutlich langsamer als am Kopfende Zug, was zu einem ungleichmäßigen Betrieb der Bremsvorrichtungen im gesamten Zug führte.
Es muss gesagt werden, dass alle Aktivitäten der Firma Westinghouse, sowohl im damaligen Russland als auch auf der ganzen Welt, durch und durch vom kapitalistischen Geruch von Patentkriegen und unlauterem Wettbewerb durchtränkt waren. Dies sicherte einem so unvollkommenen System zumindest in dieser historischen Periode ein so langes Leben.
Bei alledem sollte anerkannt werden, dass die Westinghouse-Bremse den Grundstein für die Bremswissenschaft legte und das Funktionsprinzip bei modernen Bremsen für Schienenfahrzeuge unverändert geblieben ist.
2. Von der Westinghouse-Bremse zur Matrosov-Bremse – die Entstehung der heimischen Bremswissenschaft.
Fast unmittelbar nach dem Erscheinen der Westinghouse-Bremse und der Erkenntnis ihrer Mängel gab es Versuche, dieses System zu verbessern oder ein anderes, grundlegend neues System zu schaffen. Unser Land war keine Ausnahme. Zu Beginn des XNUMX. Jahrhunderts verfügte Russland über ein ausgebautes Eisenbahnnetz, das maßgeblich zur wirtschaftlichen Entwicklung und Verteidigungsfähigkeit des Landes beitrug. Die Steigerung der Transporteffizienz ist mit einer Erhöhung der Bewegungsgeschwindigkeit und der Masse der gleichzeitig transportierten Ladung verbunden, was bedeutet, dass Fragen zur Verbesserung der Bremssysteme dringend aufgeworfen werden.
Ein wesentlicher Impuls für die Entwicklung der Bremswissenschaft in der RSFSR und später in der UdSSR war der Rückgang des Einflusses des großen westlichen Kapitals, insbesondere der Westinghouse Company, auf die Entwicklung der heimischen Eisenbahnindustrie nach Oktober 1917.
F.P. Kazantsev (links) und I.K. Matrosen (rechts) – Erfinder der heimischen Eisenbahnbremse
Das erste Zeichen, die erste ernsthafte Errungenschaft der jungen einheimischen Bremswissenschaft, war die Entwicklung des Ingenieurs Florenty Pimenovich Kazantsev. Im Jahr 1921 schlug Kazantsev ein System vor Direkt wirkende automatische Bremse. Das folgende Diagramm beschreibt alle Hauptideen, die nicht nur von Kazantsev eingeführt wurden, und dient dazu, die Grundprinzipien der Funktionsweise der verbesserten automatischen Bremse zu erläutern
Direkt wirkende automatische Bremse: 1 - Kompressor; 2 - Haupttank; 3 - Versorgungsleitung; 4 – Zugkran des Triebfahrzeugführers; 5 – Vorrichtung zur Leckageversorgung der Bremsleitung; 6 – Bremsleitung; 7 – Anschluss der Bremsschläuche; 8 - Endventil; 9 - Absperrventil; 10 - Rückschlagventil; 11 – Ersatztank; 12 – Luftverteiler; 13 – Bremszylinder; 14 – Bremshebelübertragung.
Die erste Grundidee besteht also darin, dass der Druck im TM indirekt gesteuert wird – durch eine Verringerung/Erhöhung des Drucks in einem speziellen Reservoir namens „ Ausgleichsbehälter (UR). Es ist in der Abbildung rechts neben dem Fahrerhahn (4) und oben auf dem Stromversorgungsgerät für Lecks aus dem TM (5) dargestellt. Die Dichte dieses Reservoirs ist technisch viel einfacher sicherzustellen als die Dichte der Bremsleitung – einer mehrere Kilometer langen Leitung, die durch den gesamten Zug verläuft. Die relative Stabilität des Drucks im UR ermöglicht es, den Druck im TM aufrechtzuerhalten, wobei der Druck im UR als Referenzwert verwendet wird. Tatsächlich öffnet der Kolben im Gerät (5), wenn der Druck im TM abnimmt, das Ventil, das das TM über die Versorgungsleitung füllt, wodurch ein Druck im TM aufrechterhalten wird, der dem Druck im UR entspricht. Diese Idee hatte noch einen langen Entwicklungsweg vor sich, aber jetzt hing der Druck im TM nicht mehr vom Vorhandensein externer Lecks ab (bis zu bestimmten Grenzen). Gerät 5 wanderte zum Kran des Betreibers und verbleibt dort, in modifizierter Form, bis heute.
Ein weiterer wichtiger Gedanke bei der Konstruktion dieses Bremsentyps ist die Stromversorgung aus der Bremsflüssigkeit über das Rückschlagventil 10. Wenn der Druck im Bremsventil den Druck im Bremsventil übersteigt, öffnet sich dieses Ventil und füllt das Ventil aus der Bremse Flüssigkeit. Dadurch werden Leckagen kontinuierlich aus dem Reservebehälter aufgefüllt und die Bremse läuft nicht aus.
Die dritte wichtige Idee von Kazantsev ist die Konstruktion eines Luftverteilers, der nicht auf der Differenz zweier, sondern dreier Drücke basiert – Druck in der Bremsleitung, Druck im Bremszylinder und Druck in einer speziellen Arbeitskammer (WC). der beim Lösen durch Druck aus der Bremsleitung gespeist wird, zusammen mit einem Ersatztank. Im Bremsbetrieb wird der Ladedruck vom Reservebehälter und der Bremsleitung getrennt und der Wert des anfänglichen Ladedrucks bleibt erhalten. Diese Eigenschaft wird in Schienenfahrzeugbremsen häufig genutzt, um sowohl eine schrittweise Freigabe zu ermöglichen als auch die gleichmäßige Befüllung des TC entlang des Zuges in Güterzügen zu steuern, da die Arbeitskammer als Standard für den anfänglichen Ladedruck dient. Basierend auf seinem Wert ist es möglich, eine schrittweise Freigabe vorzusehen und eine frühere Befüllung der Einkaufszentren in den Schlusswagen zu organisieren. Ich werde eine detaillierte Beschreibung dieser Dinge für andere Artikel zu diesem Thema überlassen, aber vorerst möchte ich nur sagen, dass Kazantsevs Arbeit als Anreiz für die Entwicklung einer wissenschaftlichen Schule in unserem Land diente, was zur Entwicklung des Originals führte Bremssysteme für Schienenfahrzeuge.
Ein weiterer sowjetischer Erfinder, der die Entwicklung inländischer Schienenfahrzeugbremsen radikal beeinflusste, war Iwan Konstantinowitsch Matrosow. Seine Ideen unterschieden sich nicht grundlegend von den Ideen von Kazantsev, jedoch zeigten spätere Betriebstests der Kazantsev- und Matrosov-Bremssysteme (zusammen mit anderen Bremssystemen) die deutliche Überlegenheit des zweiten Systems hinsichtlich der Leistungsmerkmale, wenn es hauptsächlich in Güterzügen eingesetzt wird. Somit ist die Matrosov-Bremse mit einem Luftverteiler bedingt. Nr. 320 wurde zur Grundlage für die Weiterentwicklung und Konstruktion von Bremsanlagen für Eisenbahnen der Spurweite 1520 mm. Eine moderne automatische Bremse, die in Russland und den GUS-Staaten verwendet wird, kann zu Recht den Namen Matrosovs Bremse tragen, da sie in der Anfangsphase ihrer Entwicklung die Ideen und Designlösungen von Ivan Konstantinovich aufnahm.
Statt einer Schlussfolgerung
Was ist die Schlussfolgerung? Die Arbeit an diesem Artikel hat mich davon überzeugt, dass das Thema einer Artikelserie würdig ist. In diesem Pilotartikel haben wir die Geschichte der Entwicklung von Schienenfahrzeugbremsen angesprochen. Im Folgenden gehen wir auf saftige Details ein und gehen nicht nur auf die heimische Bremse ein, sondern auch auf die Entwicklungen unserer Kollegen aus Westeuropa, wobei wir die Konstruktion von Bremsen verschiedener Typen und Arten des Schienenfahrzeugbetriebs hervorheben. Ich hoffe also, dass das Thema interessant ist und wir sehen uns wieder im Hub!
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Source: habr.com