La energía cinética del «Sapsan» a máxima velocidad supera los 1500 megajoules. Para detenerse por completo, toda ella debe ser disipada en los dispositivos de frenado.
Ha sucedido que Precisamente aquí, en Habré. Se publican muchos artículos de revisión sobre temas ferroviarios, sin embargo, este tema aún no se ha abordado en detalle. Creo que sería bastante interesante escribir un artículo sobre esto, y quizás incluso más de uno. Por eso, invito a los interesados en cómo están diseñados los sistemas de frenos del transporte ferroviario y por qué están diseñados de esa manera a que continúen leyendo.
1. Historia del freno neumático
La tarea de controlar cualquier medio de transporte implica regular la velocidad de su movimiento. El transporte ferroviario no es una excepción, de hecho, sus características constructivas aportan matices significativos a este proceso. Un tren consta de una gran cantidad de vagones acoplados entre sí, y el sistema resultante tiene una longitud y masa considerables a velocidades de movimiento bastante elevadas.
Por definición, los frenos son un conjunto de dispositivos destinados a crear fuerzas de resistencia artificiales y reguladas, que se utilizan para reducir de forma controlada la velocidad del vehículo de transporte.
La forma más evidente y a la vista de crear fuerza de frenado es el uso de la fuerza de fricción. Desde el principio y hasta hoy se utiliza el freno de zapata friccional. Dispositivos especiales, como las zapatas de freno, fabricadas con material de alto coeficiente de fricción, se presionan mecánicamente contra la superficie de rodadura de la rueda (o contra discos especiales instalados en el eje de la pareja de ruedas). Entre las zapatas y la rueda se genera una fuerza de fricción que crea un momento de frenado.
La regulación de la fuerza de frenado se realiza mediante el cambio de la fuerza de presión de las zapatas contra la rueda — presión de frenado. La única pregunta es qué tipo de mecanismo se utiliza para presionar las zapatas, y la historia de los frenos, en parte, es la historia del desarrollo de este mecanismo.
Los primeros frenos de ferrocarril eran mecánicos y se activaban manualmente, individualmente en cada vagón por personas especiales: freneros o conductores. Los conductores se encontraban en las llamadas plataformas de freno, que estaban equipadas en cada vagón, y activaban los frenos a señal del maquinista de la locomotora. La comunicación entre el maquinista y los conductores se realizaba mediante una cuerda de señalización especial, que corría a lo largo de todo el tren y activaba un silbato especial.
Antiguo vagón de carga de dos ejes con plataforma de freno. Se observa la manivela del freno manual.
El freno mecánico por sí solo tiene poca potencia. La magnitud de la presión de frenado dependía de la fuerza y hábil del conductor. Además, el factor humano intervenía en el funcionamiento de este sistema de frenos: los conductores no siempre cumplían correctamente con sus funciones. No se podía hablar de la alta efectividad de estos frenos, ni de un aumento en la velocidad de los trenes equipados con ellos.
El desarrollo posterior de los frenos requería, por un lado, un aumento en la presión de frenado y, por otro lado, la posibilidad de control remoto de estos en todos los vagones desde el puesto de trabajo del maquinista.
El accionamiento hidráulico, aplicado en los frenos de automóviles, se ha vuelto muy común debido a que proporciona alta presión en un dispositivo ejecutor compacto. Sin embargo, al aplicar este sistema en un tren, se manifiesta su principal desventaja: la necesidad de un medio de trabajo especial: el líquido de frenos, cuya fuga es inaceptable. La gran longitud de las líneas hidráulicas de freno en el tren, junto con los altos requisitos de estanqueidad, hacen imposible y poco razonable la creación de un freno ferroviario hidráulico.
En cambio, el accionamiento neumático. El uso de aire a alta presión permite obtener altas presiones de frenado en dimensiones aceptables de los dispositivos ejecutores: los cilindros de freno. No hay escasez de medio de trabajo: el aire está a nuestro alrededor, y incluso si ocurre una fuga del medio de trabajo del sistema de frenos (lo cual inevitablemente sucede), se puede reponer relativamente fácil.
El sistema de frenos más simple que utiliza energía de aire comprimido es el freno directo no automático
Esquema del freno directo no automático: 1 — compresor; 2 — depósito principal; 3 — línea de alimentación; 4 — válvula del conductor; 5 — línea de freno; 6 — cilindro de freno; 7 — resorte de liberación; 8, 9 — transmisión mecánica del freno; 10 — zapata de freno.
Para que este freno funcione, se necesita un suministro de aire comprimido almacenado en la locomotora en un depósito especial llamado depósito principal (2). La compresión de aire en el depósito principal y el mantenimiento de una presión constante en él se realiza mediante un compresor (1), motorizado por la instalación energética de la locomotora. El suministro de aire comprimido a los dispositivos de control de frenos se realiza a través de una tubería especial llamada línea de alimentación (PM) o presión de la tubería (3).
El control de los frenos de los vagones y el suministro de aire comprimido en ellos se lleva a cabo a través de una larga tubería que recorre todo el tren y se llama línea de freno (TM) (5). Al suministrar aire comprimido por la TM, se llena los cilindros de freno (TC) (6) conectados directamente a la TM. El aire comprimido presiona el pistón, empujando las zapatas de freno 10 contra las ruedas, tanto de la locomotora como de los vagones. Esto produce la frenada.
Para detener la frenada, es decir, liberación de los frenos, es necesario liberar el aire de la línea de freno a la atmósfera, lo que devolverá los mecanismos de freno a su posición inicial gracias a la fuerza de los resortes de liberación instalados en el TC.
Para frenar, es necesario conectar la línea de freno (TM) con la línea de alimentación (PM). Para liberar, hay que conectar la línea de freno con la atmósfera. Estas funciones son realizadas por un dispositivo especial — válvula del conductor (4) — al frenar, conecta PM y TM, y al liberar, desconecta estas tuberías, liberando simultáneamente aire de TM a la atmósfera.
En este sistema, existe también una tercera posición intermedia de la válvula del conductor — cierre Cuando el PM y el TM están desconectados, pero no se produce la liberación de aire del TM a la atmósfera, la válvula del maquinista lo aísla por completo. La presión acumulada en el TM y el TC se mantiene, y el tiempo de mantenimiento a un nivel establecido se determina por la cantidad de fugas de aire a través de diferentes imperfecciones, así como por la resistencia térmica de las pastillas de freno, que se calientan por la fricción con los aros de las ruedas. La colocación en la cruz durante el frenado y liberación permite regular la fuerza de frenado en pasos. Este tipo de freno proporciona tanto un frenado escalonado como una liberación escalonada.
A pesar de la simplicidad de este sistema de frenos, tiene un defecto fatal: cuando se desacopla el tren, se rompe la línea de freno, el aire sale de ella y el tren queda sin frenos. Precisamente por esta razón, este tipo de freno no puede ser utilizado en el transporte ferroviario, el costo de su falla es demasiado alto. Incluso sin romper el tren, si hay una gran fuga de aire, la eficacia del freno se verá reducida.
A partir de lo anterior, surge la exigencia de que el frenado del tren se inicie no por un aumento, sino por una disminución de la presión en el TM. Pero, ¿cómo se pueden llenar entonces los cilindros de freno? Esto da lugar a un segundo requisito: en cada unidad móvil del tren debe haber un reserva de aire comprimido, que debe reponerse rápidamente después de cada frenado.
Conclusiones similares fueron alcanzadas por el pensamiento ingenieril a finales del siglo XIX, lo que se reflejó en la creación en 1872 por George Westinghouse del primer freno automático para ferrocarriles.
Componentes del freno Westinghouse: 1 — compresor; 2 — tanque principal; 3 — línea de alimentación; 4 — válvula del maquinista; 5 — línea de freno; 6 — distribuido de aire (válvula triple) del sistema Westinghouse; 7 — cilindro de freno; 8 — tanque de reserva; 9 — válvula de parada.
La ilustración muestra la disposición de este freno (dibujo a — funcionamiento del freno durante la liberación; b — funcionamiento del freno durante el frenado). El elemento principal del freno Westinghouse es el distribuidor de aire de freno o, como a veces se le llama, válvula tripleEste distribuidor de aire (6) cuenta con un órgano sensible: un pistón que funciona con la diferencia de dos presiones: en la línea de freno (LF) y en el recipiente de reserva (RR). Si la presión en la LF es menor que en la RR, el pistón se desplaza hacia la izquierda, abriendo el camino para que el aire fluya desde la RR hacia la TC. Si la presión en la LF es mayor que en la RR, el pistón se desplaza hacia la derecha, conectando la TC con la atmósfera y, al mismo tiempo, conectando la LF y la RR, asegurando el llenado de esta última con aire comprimido de la LF.
Por lo tanto, al disminuir la presión en la LF por cualquier motivo, ya sea por acciones del conductor, una fuga excesiva de aire de la LF o un accidente de tren, los frenos se activarán. Es decir, estos frenos tienen automatividad. Esta característica del freno ha permitido añadir una nueva forma de controlar los frenos del tren, utilizada hasta el día de hoy en trenes de pasajeros: la parada de emergencia por parte de un pasajero, al comunicarse la línea de freno con la atmósfera a través de una válvula especial: el freno de emergencia. (9).
A quienes conocen esta característica del sistema de frenos del tren les resulta ridículo ver películas en las que los vaqueros ladrones desacoplan ágilmente un vagón de oro del tren. Para que esto fuera posible, los vaqueros tendrían que cerrar las válvulas terminales en la línea de freno, que desacoplan la línea de freno de las mangueras de conexión entre los vagones. Pero nunca lo hacen. Por otro lado, las válvulas terminales cerradas han sido la causa de terribles accidentes relacionados con fallos de freno, tanto aquí (Kamenks en 1987, Yeral-Simskaya en 2011) como en el extranjero.
Debido a que el llenado de los cilindros de freno se produce desde una fuente secundaria de aire comprimido (el recipiente de reserva), sin la posibilidad de un llenado continuo, este freno se llama no directo.La carga de la RR con aire comprimido ocurre solo al soltar el freno, lo que provoca que, al frenar con frecuencia y luego soltar, si no se espera el tiempo suficiente después de soltar, la RR no logre cargarse a la presión necesaria. Esto puede llevar al agotamiento total del freno y a la pérdida del control de los frenos del tren.
El freno neumático tiene otra desventaja relacionada con el hecho de que la caída de presión en la línea de freno, como cualquier perturbación, se propaga a través del aire a una velocidad alta, pero finita, no mayor de 340 m/s. ¿Por qué no más? Porque la velocidad del sonido es la opción ideal. Pero en el sistema neumático del tren hay una serie de obstáculos que reducen la velocidad a la que se propaga el salto de la caída de presión, relacionados con la resistencia al flujo de aire. Por lo tanto, a menos que se tomen medidas especiales, la velocidad de reducción de presión en el TM será menor cuanto más lejos esté el vagón de la locomotora. En el caso del freno Westinghouse, la velocidad de la llamada onda de freno no supera los 180-200 m/s.
Sin embargo, la aparición del freno neumático permitió aumentar tanto la potencia de los frenos como la rapidez de su control directamente desde el puesto de trabajo del maquinista. Esto sirvió como un poderoso impulso para el desarrollo del transporte ferroviario, el aumento de la velocidad de circulación y el peso de los trenes, y, como consecuencia, un aumento colosal del volumen de carga en los ferrocarriles y un crecimiento en la longitud de las líneas ferroviarias en todo el mundo.
George Westinghouse fue no solo un inventor, sino también un empresario emprendedor. Patentó su invención en 1869, lo que le permitió iniciar la producción en masa de equipos de freno. Rápidamente, el freno Westinghouse se difundió ampliamente en Estados Unidos, Europa Occidental y en el Imperio Ruso.
En Rusia, el freno Westinghouse predominó sin rival hasta la Revolución de Octubre, y durante un tiempo considerable después de ella. La empresa 'Westinghouse' construyó su fábrica de frenos en San Petersburgo y logró desalojar a los competidores del mercado ruso. Sin embargo, el freno Westinghouse presentaba varias desventajas fundamentales.
En primer lugar, este freno solo ofrecía dos modos de operación: frenado hasta el llenado completo de los cilindros de freno, y liberación — vaciado de los cilindros de freno. Era imposible crear un valor intermedio de presión de freno que se mantuviera durante un período prolongado, es decir, el freno Westinghouse no tenía un modo de sobrecarga. Esto no permitía un control preciso de la velocidad del tren.
En segundo lugar, el freno de Westinghouse funcionaba mal en trenes largos, y aunque esto podría tolerarse en el tráfico de pasajeros, generaba problemas en el de carga. ¿Recuerdas la onda de frenado? Así que el freno de Westinghouse no contaba con medios para aumentar su velocidad, y en un tren largo la disminución de presión en el freno desde el último vagón podría comenzar demasiado tarde y a un ritmo considerablemente más bajo que en la cabeza del tren, lo que creaba una salvaje desigualdad en la activación de los dispositivos de freno a lo largo del compuesto.
Cabe decir que toda la actividad de la empresa 'Westinghouse', tanto en Rusia en ese momento como en todo el mundo, estaba impregnada del tufo capitalista de guerras de patentes y competencia desleal. Esto fue lo que garantizó una vida tan prolongada a un sistema tan imperfecto, al menos en ese período histórico.
A pesar de todo esto, hay que reconocer que el freno de Westinghouse sentó las bases de la ciencia del frenado y su principio de funcionamiento se ha mantenido inalterado en los frenos modernos del material rodante.
2. Del freno de Westinghouse al freno de Matrosov: el desarrollo de la ciencia del frenado nacional.
Prácticamente inmediatamente después de la aparición del freno de Westinghouse y la toma de conciencia de sus deficiencias, surgieron intentos de perfeccionar este sistema o crear otro, fundamentalmente nuevo. Nuestro país no fue una excepción. A principios del siglo XX, Rusia contaba con una red ferroviaria desarrollada que desempeñaba un papel significativo en el desarrollo económico y la defensa del país. El aumento de la eficiencia del transporte está relacionado con el aumento de la velocidad de su movimiento y la masa de la carga que se transporta simultáneamente, lo que planteaba urgentemente cuestiones sobre la mejora de los sistemas de frenado.
Un impulso significativo para el desarrollo de la ciencia del frenado en la RSFSR y posteriormente en la URSS fue la disminución de la influencia del gran capital occidental, en particular de la empresa 'Westinghouse', en el desarrollo de la industria ferroviaria nacional tras octubre de 1917.
F.P. Kazantsev (izquierda) e I.K. Matrosov (derecha) — creadores del freno ferroviario nacional.
El primer éxito, el primer logro serio de la joven ciencia del frenado nacional, fueron los desarrollos del ingeniero Florenti Pimenovich Kazantsev. En 1921, Kazantsev propuso un sistema. freno automático de acción directa. El esquema a continuación describe todas las ideas clave introducidas no solo por Kazantsev, y su objetivo es explicar los principios básicos de funcionamiento del freno automático mejorado.
Freno automático de acción directa: 1 — compresor; 2 — tanque principal; 3 — conducto de alimentación; 4 — grifo del maquinista; 5 — dispositivo de alimentación de fugas de la línea de freno; 6 — línea de freno; 7 — mangueras de freno de unión; 8 — grifo de cierre; 9 — grifo de parada; 10 — válvula de retorno; 11 — tanque auxiliar; 12 — distribuidor de aire; 13 — cilindro de freno; 14 — transmisión de palanca de freno.
Así, la primera idea clave es que el control de presión en la línea de freno se realiza indirectamente, a través de la disminución/aumento de presión en un tanque especial llamado tanque compensador (TC). Se muestra a la derecha del grifo del maquinista (4) y arriba del dispositivo de alimentación de fugas de la línea de freno (5). La densidad de este tanque es técnicamente mucho más fácil de mantener que la densidad de la línea de freno — tubos que se extienden a lo largo de kilómetros y atraviesan todo el tren. La relativa estabilidad de la presión en el TC permite mantener la presión en la línea de freno, utilizando la presión en el TC como referencia. De hecho, el émbolo en el dispositivo (5) desciende cuando la presión en la línea de freno disminuye, abriendo una válvula que llena la línea de freno desde el conducto de alimentación, manteniendo así la presión en la línea de freno igual a la presión en el TC. Esta idea aún tenía un largo camino por recorrer, pero ya no dependía de la existencia de fugas externas (dentro de límites conocidos). El dispositivo 5 fue trasladado al grifo del maquinista y permanece en él, en forma modificada, hasta el día de hoy.
Otra idea importante que subyace en el diseño de este tipo de freno es la alimentación del receptor de presión (RP) desde la línea de freno a través de la válvula de retención 10. Cuando la presión en la línea de freno excede la presión en el RP, esta válvula se abre, llenando el RP desde la línea de freno. Así, se produce un reabastecimiento continuo de fugas desde el tanque auxiliar y se garantiza la inagotabilidad del freno.
La tercera idea importante propuesta por Kazantsev es la construcción del distribuidor de aire, que funciona con la diferencia de no dos presiones, sino tres: la presión en la línea de freno, la presión en el cilindro de freno y la presión en una cámara de trabajo especial (RK), que cuando se libera se alimenta de la presión de la línea de freno, junto con un tanque de reserva. En modo de frenado, la RK se desconecta del tanque de reserva y de la línea de freno, manteniendo la magnitud de la presión de carga inicial. Esta propiedad se utiliza ampliamente en los frenos de los vehículos tanto para asegurar la liberación escalonada como para gestionar la uniformidad del llenado del TC a lo largo del tren en trenes de carga, ya que la cámara de trabajo sirve como referencia de la presión de carga inicial. Partiendo de su magnitud, se puede asegurar tanto la liberación escalonada como organizar un llenado más temprano del TC en los vagones de cola. Dejaré una descripción detallada de estas cosas para otros artículos sobre el tema, por ahora solo diré que el trabajo de Kazantsev ha servido como un estímulo para el desarrollo en nuestro país de una escuela científica que llevó al desarrollo de sistemas de frenos originales para vehículos ferroviarios.
Otro inventor soviético que influyó drásticamente en el desarrollo de los frenos de vehículos nacionales fue Ivan Konstantinovich Matrosov. Sus ideas no diferían fundamentalmente de las de Kazantsev, sin embargo, las pruebas operativas posteriores de los sistemas de frenos de Kazantsev y Matrosov (junto con otros sistemas de frenos) mostraron una notable superioridad del segundo sistema en términos de características operativas, especialmente en trenes de carga. Así, el freno de Matrosov con el distribuidor de aire n.º 320 se convirtió en la base para el desarrollo y diseño posterior del equipo de freno para ferrocarriles de vía de 1520 milímetros. El freno automático moderno, utilizado en Rusia y en los países de la CEI, puede llevar con justicia el nombre del freno de Matrosov, ya que absorbedió, en su etapa inicial de desarrollo, las ideas y soluciones de diseño de Ivan Konstantinovich.
En conclusión
¿Y cuál es la conclusión? El trabajo en este artículo me convenció de que el tema merece una serie de artículos. En este artículo piloto, tocamos la historia del desarrollo de los frenos en el material rodante. En los próximos, profundizaremos en detalles picantes, abordando no solo los frenos nacionales, sino también los desarrollos de colegas de Europa Occidental, iluminando la estructura de diferentes tipos de frenos y su uso en el material rodante. Espero que el tema sea interesante y ¡hasta la próxima en Habr!
¡Gracias por su atención!
Fuente: habr.com
