Veo que , a la audiencia le gustó la parte histórica de mi relato, por lo que no está de más continuar.
Los trenes de alta velocidad, como el TGV, ya no dependen del frenado neumático.
Hoy vamos a hablar sobre la modernidad, específicamente sobre los enfoques utilizados para crear sistemas de frenos en el material rodante en el siglo XXI, que dentro de un mes cumplirá su tercer decenio.
1. Clasificación de los frenos del material rodante
De acuerdo con el principio físico de generación de la fuerza de frenado, todos los frenos ferroviarios se pueden dividir en dos tipos principales: friccionales, que utilizan la fuerza de fricción, y dinámicos, que utilizan el sistema de tracción para crear el momento de frenado.
Los frenos friccionales incluyen frenos de zapata de todas las construcciones, incluidos los de disco, así como frenos magnéticos, que se emplean en el transporte ferroviario de alta velocidad, principalmente en Europa Occidental. En el ancho de vía de 1520 este tipo de freno se utilizó exclusivamente en el tren eléctrico ER200. En cuanto al 'Sapsan', RZD rechazó el uso del freno magnético en él, aunque el prototipo de este tren eléctrico, el alemán ICE3, está equipado con este tipo de freno.
Bogies del tren ICE3 con freno magnético
Bogie del tren 'Sapsan'
A los frenos dinámicos, más específicamente frenos electrodinámicos se les aplica a todos los frenos cuyo funcionamiento se basa en el cambio de los motores eléctricos de tracción a modo generador (freno regenerativo y freno resistivo), así como el frenado por contraflujo.
Con el freno de regeneración y el freno de resistencia, todo es relativamente claro: los motores se convierten de alguna manera en generadores, y en el caso de la regeneración, devuelven energía a la red de contacto, mientras que en el caso del freno de resistencia, la energía generada se quema en resistencias especiales. Ambos tipos de frenos se utilizan tanto en trenes con tracción locomotora como en unidades de trenes múltiples, donde el freno electrodinámico es el freno principal debido a la gran cantidad de motores de tracción distribuidos a lo largo del tren. La única desventaja del frenado electrodinámico (EDT) es la incapacidad de detenerse completamente. Cuando la eficacia del EDT disminuye, se activa automáticamente un freno de fricción neumático.
En cuanto al frenado por inversión de polaridad, permite detenerse por completo, ya que consiste en invertir el motor de tracción en movimiento. Sin embargo, este modo es en la mayoría de los casos de emergencia; su uso normal puede dañar el sistema de tracción. Si tomamos, por ejemplo, un motor de colector, al cambiar la polaridad del voltaje aplicado, la contra-EMF generada en el motor en funcionamiento no se resta del voltaje de alimentación, sino que se suma a él; las ruedas continúan girando en la misma dirección que en modo de tracción. Esto provoca un aumento descontrolado de la corriente, y lo mejor que puede suceder es que los dispositivos de protección eléctrica se activen.
Por esta razón, en locomotoras y trenes eléctricos se toman todas las medidas para evitar la inversión de los motores en movimiento. La palanca de inversión se bloquea mecánicamente cuando el controlador del conductor está en posiciones de marcha. En los "Sapsans" y "Lastochkas", girar el interruptor de inversión a una velocidad superior a 5 km/h provocará un frenado de emergencia inmediato.
Sin embargo, algunas locomotoras nacionales, como la locomotora eléctrica VL65, utilizan el frenado por inversión como un modo normal a bajas velocidades.
El frenado por inversión es un modo normal, proporcionado por el sistema de control, de frenado en la locomotora eléctrica VL65.
Cabe mencionar que, a pesar de la alta eficacia del frenado electrodinámico, cualquier tren, ¡subrayo siempre! — siempre está equipado con frenos neumáticos de acción automática, es decir, que se activan por la liberación de aire del sistema de frenos. Tanto en Rusia como en el resto del mundo, los antiguos y buenos frenos de fricción por zapatas están al resguardo de la seguridad del tráfico.
Según su función, los frenos de tipo friccional se dividen en
- Frenos de estacionamiento, manuales o automáticos
- Frenos de tren — neumáticos (PT) o electro-neumáticos (EPT), que se instalan en cada unidad de material rodante en el tren y se controlan de manera centralizada desde la cabina del maquinista.
- Frenos de locomotora — frenos neumáticos de acción directa, diseñados para frenar la locomotora, sin frenar el conjunto. Se controlan por separado de los frenos de tren.
2. Freno de estacionamiento
El freno manual con accionamiento mecánico no ha desaparecido del material rodante, se instala tanto en locomotoras como en vagones — simplemente ha cambiado de especialidad, convirtiéndose en un freno de estacionamiento que evita el movimiento espontáneo del material rodante en caso de que se libere aire de su sistema neumático. La rueda roja, similar a un timón de barco, es la palanca del freno manual, una de las variantes de su ejecución.
Timón del freno de estacionamiento manual en la cabina del locomotor VЛ60пк
Freno manual en el vestíbulo de un vagón de pasajeros
Freno manual en un moderno vagón de carga
El freno manual, mediante un accionamiento mecánico, presiona a las ruedas las mismas zapatas que se utilizan en el frenado convencional.
En el material rodante moderno, particularmente en los trenes eléctricos ЭВС1/ЭВС2 «Сапсан», ЭС1 «Ласточка», así como en el locomotor ЭП20, el freno de estacionamiento es automático y la presión de las zapatas sobre el disco de freno se realiza por acumuladores de energía de resorte.. Parte de los mecanismos de fricción que presionan las pastillas contra los discos de freno están equipados con potentes resortes, tan potentes que la liberación se realiza mediante un actuador neumático con una presión de 0,5 MPa. El actuador neumático, en este caso, contrarresta los resortes que presionan las pastillas. El control de este freno de estacionamiento se realiza mediante botones en el panel del maquinista.
Botones de control del freno de resorte de estacionamiento (FRE) en el tren eléctrico ES1 «Lástochka»
Por su diseño, este freno es similar al que se utiliza en camiones pesados. Pero como freno principal en los trenes, este sistema es completamente inapropiado, y explicaré el porqué después de hablar sobre el funcionamiento de los frenos neumáticos de los trenes.
3. Frenos neumáticos de tipo de carga
Cada vagón de carga está equipado con el siguiente conjunto de equipos de freno
Equipo de freno del vagón de carga: 1 — manguera de conexión de freno; 2 — válvula final; 3 — válvula de parada; 5 — filtro de polvo; 6, 7, 9 — módulos del distribuidor de aire n.º 483; 8 — válvula de aislamiento; VR — distribuidor de aire; TM — línea de freno; ZR — reserva de aire; TC — cilindro de freno; AR — control automático de carga
Línea de freno (TM) — es un tubo de 1,25» que va a lo largo de todo el vagón, en los extremos está equipado con válvulas finales, para desconectar la línea de freno al desacoplar el vagón antes de separar las mangueras de conexión flexibles. En la línea de freno, en condiciones normales, se mantiene lo que se llama presión de carga de 0,50 — 0,54 MPa, por lo que desconectar las mangueras sin cerrar las válvulas finales es una tarea arriesgada, que puede literalmente costarte la cabeza.
El aire de reserva, que se suministra directamente a los cilindros de freno, se almacena en el depósito de reserva (ZR), cuyo volumen en la mayoría de los casos es de 78 litros. La presión en el tanque de reserva es exactamente igual a la presión en la línea de freno. Pero no, no es 0,50 — 0,54 MPa. La cuestión es que tal presión estará en la línea de freno en la locomotora. Y cuanto más lejos de la locomotora, menor será la presión en la línea de freno, porque inevitablemente hay fugas de aire. Así que la presión en la línea de freno del último vagón del tren será un poco menor que la de carga.
Cilindro de freno, y en la mayoría de los vagones es uno, al llenarlo desde el tanque de reserva, presiona todas las zapatas disponibles en el vagón contra las ruedas a través de la transmisión de palanca de freno. El volumen del cilindro de freno es de aproximadamente 8 litros, por lo que en un frenado completo la presión no supera 0,4 MPa. La presión en el tanque de reserva disminuye a la misma cifra.
El principal "protagonista" en este sistema es el distribuidor de aire. Este dispositivo reacciona a los cambios de presión en la línea de freno, realizando una u otra operación dependiendo de la dirección y la velocidad de cambio de esta presión.
Al disminuir la presión en la línea de freno, se produce el frenado. Pero no con cualquier disminución de presión: la reducción de presión debe ocurrir a un ritmo determinado, llamado ritmo de frenado de servicio. Este ritmo es proporcionado por la válvula del maquinista en la cabina de la locomotora y varía de 0,01 a 0,04 MPa por segundo. Si la reducción de presión es más lenta, no se produce el frenado. Esto se hace para que los frenos no se activen por fugas normativas en la línea de freno, y tampoco se activen al eliminar la sobrepresión, de lo que hablaremos más adelante.
Al activarse el distribuidor de aire para el frenado, realiza una descarga adicional de la línea de freno a un ritmo de servicio de 0,05 MPa. Esto se hace para garantizar una reducción estable de la presión a lo largo de todo el tren. Si no se realiza una descarga adicional, los últimos vagones de un tren largo pueden no detenerse en absoluto. Esta descarga adicional de la línea de freno es realizada por cargas de trabajo dejarán de funcionar! distribuidores de aire modernos, incluidos los de pasajeros.
Al activarse el freno, el distribuidor de aire desconecta el tanque auxiliar de la línea de frenos y lo conecta al cilindro de freno. Se llena el cilindro de freno. Este proceso dura exactamente tanto tiempo como dure la caída de presión en la línea de frenos. Cuando se detiene la disminución de presión en la línea de frenos, se detiene también el llenado del cilindro de freno. Entra en modo sobrecarga. La presión acumulada en el cilindro de freno depende de dos factores:
- la profundidad de la descarga de la línea de frenos, es decir, la magnitud de la caída de presión en ella en relación al modo de carga
- de funcionamiento del distribuidor de aire.
El distribuidor de aire para carga tiene tres modos de operación: cargado (C), medio (M) y vacío (V). Estas modalidades se diferencian por la presión máxima que se acumula en los cilindros de freno. El cambio entre modos se realiza manualmente girando una palanca de modo especial.
En resumen, la relación de la presión en el cilindro de freno con la profundidad de la descarga de la línea de frenos en el distribuidor de aire 483 en diferentes modos es la siguiente:
Una desventaja del uso del interruptor de modo es que el trabajador del taller de vagones debe caminar a lo largo de toda la composición, meterse debajo de cada vagón y cambiar el interruptor de modo a la posición correcta. Según rumores provenientes de la operación, esto no siempre se realiza. Un llenado excesivo de los cilindros de freno en un vagón vacío puede causar deslizamientos, disminución de la eficacia del frenado y daño a los pares de ruedas. Para salir de tal situación, en los vagones de carga se incluye entre el distribuidor de aire y el cilindro de freno un llamado modo automático (MA), que, determinando mecánicamente la masa del vagón, regula suavemente la presión máxima en el cilindro de freno. Si el vagón está equipado con modo automático, el interruptor de modo en el distribuidor de aire se establece en la posición 'cargado'.
La desaceleración generalmente se realiza de manera escalonada. El nivel mínimo de descarga de la línea de frenos para el VR483 será de 0,06 a 0,08 MPa. Al mismo tiempo, se establece una presión de 0,1 MPa en los cilindros de freno. El maquinista coloca la válvula en la posición de cierre, donde se mantiene la presión establecida en la línea de frenos después de la aplicación. Si la efectividad del freno de un solo nivel no es suficiente, se realiza el siguiente nivel. En este caso, el distribuidor de aire no se preocupa por la velocidad de descarga, ya que al disminuir la presión, los cilindros de freno se llenan proporcionalmente a la disminución de la presión.
La liberación completa de los frenos (vacuación total de los cilindros de freno en todo el tren) se realiza aumentando la presión en la línea de frenos por encima de la carga. En los trenes de carga, se requiere un aumento significativo de presión en la línea de frenos sobre el nivel de carga, para que la onda de presión elevada llegue a los últimos vagones. La liberación completa de los frenos en un tren de carga es un proceso prolongado que puede tardar hasta un minuto.
El VR483 tiene dos modos de liberación: plano y montañoso. En modo plano, al aumentar la presión en la línea de frenos, se produce una liberación completa y continua. En modo montañoso, es posible una liberación escalonada de los frenos, que no implica la evacuación completa de los cilindros de freno. Este modo se aplica al moverse por un perfil complicado con grandes pendientes.
El distribuidor de aire 483 es un dispositivo muy interesante. Un análisis detallado de su diseño y funcionamiento es tema de un artículo extenso separado. Aquí, solo hemos revisado los principios generales de funcionamiento del freno de carga.
3. Frenos neumáticos de tipo pasajero
Equipo de frenos del vagón de pasajeros: 1 — manguera de conexión; 2 — válvula de extremo; 3, 5 — cajas de conexión de la línea de freno electropneumático; 4 — válvula de parada; 6 — tubo con cableado del freno electropneumático; 7 — suspensión aislada de la manguera de conexión; 8 — colector de polvo; 9 — derivación al distribuidor de aire; 10 — válvula de separación; 11 — cámara de trabajo del distribuidor de aire eléctrico; TM — línea de freno; VR — distribuidor de aire; EVR — distribuidor de aire eléctrico; TC — cilindro de freno; ZR — tanque de reserva.
A simple vista se aprecia una mayor cantidad de equipo, comenzando por el hecho de que hay tres válvulas de parada (una en cada vestíbulo y una en el compartimento del conductor), y terminando en que los vagones de pasajeros nacionales están equipados tanto con frenos neumáticos como con freno electropneumático (FEP).
El lector atento notará de inmediato la principal desventaja del control neumático de los frenos: la velocidad máxima de propagación de la onda de freno, que está limitada a la velocidad del sonido. Sin embargo, en la práctica, esta velocidad es inferior y es de 280 m/s en el frenado de servicio y de 300 m/s en el frenado de emergencia. Además, esta velocidad depende en gran medida de la temperatura del aire y, por ejemplo, en invierno, es menor. Por lo tanto, un compañero constante de los frenos neumáticos es la irregularidad en su operación a lo largo del tren.
La irregularidad en la operación da lugar a dos cosas: la aparición de reacciones longitudinales significativas en el tren, así como un aumento en la distancia de frenado. Lo primero no es tan característico de los trenes de pasajeros, aunque las tazas de té y otras bebidas saltando sobre la mesa en el compartimento no alegrarán a nadie. El aumento de la distancia de frenado es un problema serio, especialmente en el movimiento de pasajeros.
Además, el distribuidor de aire de pasajeros nacional, tanto el antiguo modelo nº 292 como el nuevo modelo nº 242 (de los cuales, por cierto, hay cada vez más en la flota de vagones de pasajeros), ambos dispositivos son herederos directos de la famosa válvula triple de Westinghouse y funcionan con la diferencia de dos presiones: en la línea de freno y en el tanque de reserva. La diferencia con la válvula triple es que tienen un modo de cierre, es decir, la posibilidad de frenar de manera escalonada; cuentan con una descarga adicional de la línea de freno al frenar; y tienen en su diseño un acelerador para el frenado de emergencia. Estos distribuidores de aire no permiten un liberación escalonada: proporcionan una liberación completa tan pronto como la presión en la línea de freno supera la presión en el tanque de reserva, que se establece allí después del frenado. La liberación escalonada es muy útil para los frenados de ajuste para una parada precisa en la plataforma de embarque.
Ambos problemas —la desigualdad en la activación de los frenos y la falta de liberación escalonada— en la vía de 1520 mm se resuelven instalando un distribuidor de aire con control eléctrico en los vagones — distribuidor de aire eléctrico (EAD), modelo nº 305.
El EPT nacional —freno electro-pneumático— es de acción directa, no automática. En trenes de pasajeros con tracción locomotora, el EPT opera según un esquema de dos hilos.
Esquema estructural del EPT de dos hilos: 1 — controlador de gestión en la válvula del maquinista; 2 — batería; 3 — convertidor de alimentación estático; 4 — panel de luces de control; 5 — bloque de control; 6 — conexión de terminales; 7 — cabezales de conexión en las mangueras; 8 — suspensión aislada; 9 — válvula semiconductora; 10 — válvula electromagnética de liberación; 11 — válvula electromagnética de freno.
A lo largo de todo el tren se extienden dos cables: nº 1 y nº 2 en la imagen. En el vagón de cola, estos cables están conectados eléctricamente entre sí y por el bucle resultante se envía corriente alterna a una frecuencia de 625 Hz. Esto se hace para controlar la integridad de la línea de control del EPT. Si el cable se rompe, el circuito de corriente alterna se interrumpe y el maquinista recibe una señal en forma de la extinción de la lámpara de control "O" (liberación) en la cabina.
La gestión se lleva a cabo con corriente continua de diferente polaridad. En este caso, el riel actúa como conductor de potencial cero. Cuando se aplica un voltaje positivo en el conductor del EPT (en relación a los rieles), ambos, el válvula de liberación (OV) y la válvula de freno (TV), instaladas en el distribuidor de aire del vehículo eléctrico, se activan. La primera aísla la cámara de trabajo (RK) del distribuidor de aire del ambiente, mientras que la segunda la llena desde el tanque de reserva. A continuación, entra en juego el relé de presión instalado en el EWR, que opera sobre la diferencia de presión entre la cámara de trabajo y el cilindro de freno. Cuando la presión en la RK supera la presión en el TC, el cilindro de freno se llena de aire proveniente del tanque de reserva hasta alcanzar la presión que se había acumulado en la cámara de trabajo.
Cuando se aplica un potencial negativo al conductor, la válvula de freno se apaga, ya que la corriente hacia ella se interrumpe por el diodo. Solo la válvula de liberación permanece activa, manteniendo la presión en la cámara de trabajo. Así se implementa la posición de bloqueo.
Al eliminar el voltaje, la válvula de liberación pierde energía y abre la cámara de trabajo a la atmósfera. Al disminuir la presión en la cámara de trabajo, el relé de presión libera aire también de los cilindros de freno. Si después de un breve período de liberación, el conductor vuelve a colocar la manija en la posición de bloqueo, la caída de presión en la cámara de trabajo se detendrá, así como la liberación de aire del cilindro de freno. De este modo, se consigue la capacidad de liberar el freno de manera escalonada.
¿Qué ocurre si se rompe el cable? Correcto, el EPT se liberará. Por lo tanto, este freno (en los vehículos de transporte nacional) no es automático. Si el EPT falla, el conductor tiene la opción de cambiar a control neumático de los frenos.
El EPT se caracteriza por el llenado simultáneo de los cilindros de freno y su vaciado a lo largo de todo el tren. La velocidad de llenado y vaciado es bastante alta: 0,1 MPa por segundo. El EPT es un freno inagotable, ya que, durante su funcionamiento, el distribuidor de aire convencional se encuentra en modo de liberación y alimenta los depósitos de reserva desde la línea de freno, que a su vez se abastece desde los tanques principales por la válvula del maquinista en la locomotora. Por lo tanto, es posible frenar el EPT con cualquier frecuencia necesaria para el control operativo de los frenos. La posibilidad de liberación escalonada permite controlar la velocidad del tren de manera muy precisa y suave.
La gestión neumática de los frenos en un tren de pasajeros no difiere significativamente de la de un freno de carga. Hay diferencias en los métodos de control, por ejemplo, la liberación del freno neumático se lleva a cabo hasta la presión de carga, sin sobrepresiones. En general, las sobrepresiones excesivas en la línea de frenos de un tren de pasajeros pueden causar problemas, por lo que, al liberar completamente el EPT, la presión en la TM no supera en más de 0,02 MPa el nivel de la presión de carga establecida.
La profundidad mínima de descarga de la TM durante el frenado en el freno de pasajeros es de 0,04 a 0,05 MPa, mientras que en los cilindros de freno se genera una presión de 0,1 a 0,15 MPa. La presión máxima en el cilindro de freno del vagón de pasajeros está limitada por el volumen del tanque de reserva y generalmente no excede 0,4 MPa.
Conclusión
Ahora me dirigiré a algunos comentaristas que se sorprenden (y en mi opinión, incluso se indignan, aunque no me atrevo a afirmarlo) por la complejidad del freno del tren. En los comentarios se sugiere aplicar un esquema automotriz con acumuladores de energía. Claro, desde el sofá o la silla de oficina, a través de la ventana del navegador, muchos problemas son más visibles y sus soluciones parecen evidentes, pero permítanme señalar que la mayoría de las soluciones técnicas adoptadas en el mundo real tienen una justificación clara.
Como ya se mencionó, el principal problema del freno neumático en los trenes es la velocidad final del movimiento que produce un descenso de presión a lo largo de una tubería de freno que puede alcanzar hasta 1,5 km en un tren de 100 vagones: la onda de freno. Para acelerar esta onda de freno se requiere un desahogo adicional, llevado a cabo por el distribuidor de aire. Sin un distribuidor de aire, no habrá desahogo adicional. Esto significa que los frenos con acumuladores de energía serán claramente peores en términos de uniformidad de funcionamiento, llevándonos de vuelta a la época de Westinghouse. Un tren de carga no es un camión de carga, aquí las escalas son diferentes, así que también lo son los principios de control de los frenos. Estoy seguro de que esto no es casualidad, y que la dirección de la ciencia del freno mundial ha tomado este camino que nos ha llevado a este tipo de diseños.
Este artículo es una especie de revisión de los sistemas de frenos que existen actualmente en el material rodante moderno. Más adelante, en otros artículos de este ciclo, me detendré más a fondo en cada uno de ellos. Aprenderemos qué dispositivos se utilizan para controlar los frenos y cómo están diseñados los distribuidores de aire. También examinaremos más de cerca las cuestiones de la frenada regenerativa y de rejilla. Y, por supuesto, analizaremos los frenos del transporte de alta velocidad. ¡Hasta la próxima y gracias por su atención!
P.D.: ¡Amigos! Quiero agradecer especialmente la cantidad de mensajes personales señalando errores y erratas en el artículo. Sí, soy un pecador que no se lleva bien con el idioma ruso y me confundo al teclear. He tratado de corregir sus observaciones.
Fuente: habr.com
