La energía cinética del Sapsan a máxima velocidad supera los 1500 megajulios. Para una parada completa, todo ello debe ser disipado por los dispositivos de frenado.
Fue un trato aquí mismo en Habré. Aquí se publican bastantes artículos de revisión sobre temas ferroviarios, pero este tema aún no se ha tratado en detalle. Creo que sería bastante interesante escribir un artículo sobre esto, y quizás más de uno. Por eso, pido el gato a quienes estén interesados en cómo se diseñan los sistemas de frenado del transporte ferroviario y por qué se diseñan así.
1. La historia del freno de aire.
La tarea de controlar cualquier vehículo incluye regular su velocidad. El transporte ferroviario no es una excepción; además, sus características de diseño introducen importantes matices en este proceso. El tren consta de una gran cantidad de vagones interconectados y el sistema resultante tiene una longitud y un peso considerables a una velocidad muy decente.
Por definición, los Los frenos son un conjunto de dispositivos diseñados para crear fuerzas de resistencia artificiales y ajustables que se utilizan para reducir de forma controlable la velocidad de un vehículo.
La forma más obvia, en la superficie, de crear fuerza de frenado es utilizar la fricción. Desde el principio hasta hoy se han utilizado frenos de fricción de zapata. Dispositivos especiales: las pastillas de freno, hechas de un material con un alto coeficiente de fricción, se presionan mecánicamente contra la superficie de rodadura de la rueda (o contra discos especiales montados en el eje del juego de ruedas). Surge una fuerza de fricción entre las pastillas y la rueda, creando un par de frenado.
La fuerza de frenado se ajusta cambiando la fuerza de presionar las pastillas contra la rueda. presión de freno. La única pregunta es qué accionamiento se utiliza para presionar las pastillas y, en parte, la historia de los frenos es la historia del desarrollo de este accionamiento.
Los primeros frenos ferroviarios eran mecánicos y eran accionados manualmente, por separado en cada vagón, por personas especiales: guardafrenos o conductores. Los conductores estaban ubicados en las llamadas plataformas de freno con las que estaba equipado cada vagón, y aplicaban los frenos a la señal del conductor de la locomotora. El intercambio de señales entre el conductor y los revisores se realizó mediante una cuerda de señales especial tendida a lo largo de todo el tren, que activaba un silbato especial.
Vagón de mercancías antiguo de dos ejes con pastilla de freno. Pomo del freno de mano visible
El propio freno accionado mecánicamente tiene poca potencia. La cantidad de presión de frenado dependía de la fuerza y la destreza del conductor. Además, el factor humano interfirió en el funcionamiento de dicho sistema de frenado: los conductores no siempre cumplieron correctamente sus funciones. No era necesario hablar de la alta eficiencia de estos frenos, así como del aumento de la velocidad de los trenes equipados con ellos.
Un mayor desarrollo de los frenos requirió, en primer lugar, un aumento de la presión de frenado y, en segundo lugar, la posibilidad de control remoto de todos los vehículos desde el lugar de trabajo del conductor.
El accionamiento hidráulico utilizado en los frenos de los automóviles se ha generalizado debido a que proporciona alta presión con actuadores compactos. Sin embargo, cuando se utiliza un sistema de este tipo en un tren, aparecerá su principal inconveniente: la necesidad de un fluido de trabajo especial: el líquido de frenos, cuya fuga es inaceptable. La gran longitud de las líneas hidráulicas de freno en un tren, junto con los altos requisitos de estanqueidad, hacen que sea imposible e irracional crear un freno hidráulico para ferrocarril.
Otra cosa es el accionamiento neumático. El uso de aire a alta presión permite obtener presiones de frenado elevadas con dimensiones aceptables de los actuadores: cilindros de freno. No hay escasez de líquido de trabajo: el aire está a nuestro alrededor, e incluso si hay una fuga de líquido de trabajo del sistema de frenos (y ciertamente la hay), se puede reponer con relativa facilidad.
El sistema de frenos más simple que utiliza energía de aire comprimido es freno no automático de acción directa
Diagrama de un freno no automático de acción directa: 1 - compresor; 2 - tanque principal; 3 - línea de suministro; 4 — grúa del tren del conductor; 5 - línea de freno; 6 — cilindro de freno; 7 — resorte de liberación; 8, 9 — transmisión de freno mecánico; 10 - pastilla de freno.
Para accionar dicho freno se requiere un suministro de aire comprimido, almacenado en la locomotora en un tanque especial llamado depósito principal (2). Se realiza la inyección de aire en el tanque principal y el mantenimiento de una presión constante en él. compresor (1), impulsado por la central eléctrica de la locomotora. El aire comprimido se suministra a los dispositivos de control de frenos a través de una tubería especial llamada nutricional (NM) o presión autopista (3).
Los frenos de los vagones se controlan y se les suministra aire comprimido a través de una larga tubería que recorre todo el tren y se llama línea de freno (TM) (5). Cuando se suministra aire comprimido a través del TM, se llena cilindros de freno (TC) (6) conectado directamente al TM. El aire comprimido presiona el pistón, presionando las pastillas de freno 10 contra las ruedas, tanto en la locomotora como en los vagones. Se produce un frenado.
Para dejar de frenar, es decir vacaciones frenos, es necesario liberar aire de la línea de freno a la atmósfera, lo que provocará que los mecanismos de freno regresen a su posición original debido 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 vacaciones, conecte la línea de freno a la atmósfera. Estas funciones son realizadas por un dispositivo especial: grúa del tren del conductor (4) - al frenar, conecta el PM y el PM, cuando se suelta, desconecta estas tuberías, liberando simultáneamente aire del PM a la atmósfera.
En este sistema existe una tercera posición intermedia de la grúa del conductor: volver a techar cuando el PM y el TM se separan, pero no se produce la liberación de aire del TM a la atmósfera, la grúa del conductor lo aísla por completo. La presión acumulada en el TM y TC se mantiene y el tiempo que se mantiene en el nivel establecido está determinado por la cantidad de aire que se escapa a través de varias fugas, así como por la resistencia térmica de las pastillas de freno, que se calientan durante la fricción contra los neumáticos de las ruedas. Colocarlo en el techo tanto al frenar como al soltar permite ajustar la fuerza de frenado por pasos. Este tipo de freno proporciona tanto frenado como liberación de pasos.
A pesar de la simplicidad de este sistema de frenos, tiene un defecto fatal: cuando el tren se desacopla, la línea de freno se rompe, el aire se escapa y el tren se queda sin frenos. Es por esta razón que un freno de este tipo no se puede utilizar en el transporte ferroviario, ya que el coste de su fallo es demasiado alto. Incluso sin una rotura del tren, si hay una gran fuga de aire, la eficiencia de los frenos se reducirá.
De lo anterior, surge el requisito de que el frenado del tren se inicie no mediante un aumento, sino mediante una disminución de la presión en el TM. Pero, ¿cómo llenar entonces los cilindros de freno? De esto surge el segundo requisito: cada unidad móvil del tren debe almacenar una reserva de aire comprimido, que debe reponerse rápidamente después de cada frenada.
El pensamiento de ingeniería de finales del siglo XIX llegó a conclusiones similares, lo que llevó a la creación del primer freno ferroviario automático por parte de George Westinghouse en 1872.
Dispositivo de freno Westinghouse: 1 - compresor; 2 - tanque principal; 3 - línea de suministro; 4 — grúa del tren del conductor; 5 - línea de freno; 6 — distribuidor de aire (válvula triple) del sistema Westinghouse; 7 — cilindro de freno; 8 — tanque de repuesto; 9 - válvula de cierre.
La figura muestra la estructura de este freno (Figura a - funcionamiento del freno durante la liberación; b - funcionamiento del freno durante el frenado). El elemento principal del freno Westigauze fue distribuidor de aire de freno o, como a veces se le llama, válvula triple. Este distribuidor de aire (6) dispone de un órgano sensible -un pistón que actúa por la diferencia entre dos presiones- en la línea de freno (TM) y en el depósito de reserva (R). Si la presión en el TM es menor que en el TC, entonces el pistón se mueve hacia la izquierda, abriendo el camino para el aire del CM al TC. Si la presión en el TM es mayor que la presión en el SZ, el pistón se mueve hacia la derecha, comunicando el TC con la atmósfera, y al mismo tiempo comunica el TM y el SZ, asegurando que este último se llene de aire comprimido desde la MT.
Por lo tanto, si la presión en el TM disminuye por cualquier motivo, ya sea por las acciones del conductor, una fuga excesiva de aire del TM o una rotura del tren, los frenos funcionarán. Es decir, tales frenos tienen acción automática. Esta propiedad del freno permitió agregar otra posibilidad de control de los frenos del tren, que se utiliza en los trenes de pasajeros hasta el día de hoy: una parada de emergencia del tren por parte de un pasajero comunicando la línea de freno con la atmósfera a través de una válvula especial. freno de emergencia (9).
Para aquellos que están familiarizados con esta característica del sistema de frenos del tren, es divertido ver películas en las que los ladrones vaqueros desenganchan un vagón lleno de oro del tren. Para que esto sea posible, los vaqueros deben, antes de desacoplar, cerrar las válvulas finales en la línea de freno que separan la línea de freno de las mangueras de conexión entre los autos. Pero nunca lo hacen. Por otro lado, las válvulas cerradas han causado más de una vez terribles desastres relacionados con fallas en los frenos, tanto aquí (Kamensk en 1987, Eral-Simskaya en 2011) como en el extranjero.
Debido a que el llenado de los cilindros de freno se produce a partir de una fuente secundaria de aire comprimido (tanque de repuesto), sin posibilidad de reposición constante, dicho freno se denomina actuando indirectamente. La carga del freno con aire comprimido se produce solo cuando se suelta el freno, lo que lleva al hecho de que con un frenado frecuente seguido de una liberación, si no hay suficiente tiempo después de la liberación, el freno no tendrá tiempo de cargarse a la presión requerida. Esto puede provocar el agotamiento total del freno y la pérdida de control de los frenos del tren.
El freno neumático también tiene otro inconveniente relacionado con el hecho de que la caída de presión en la línea de freno, como cualquier perturbación, se propaga en el aire a una velocidad alta, pero aún finita, no más de 340 m/s. ¿Por qué no más? Porque la velocidad del sonido es ideal. Pero en el sistema neumático del tren existen una serie de obstáculos que reducen la velocidad de propagación de la caída de presión asociada a la resistencia al flujo de aire. Por lo tanto, a menos que se tomen medidas especiales, la tasa 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 del llamado onda de frenado no supera los 180 - 200 m/s.
Sin embargo, la aparición del freno neumático permitió aumentar tanto la potencia de los frenos como la eficiencia de su control directamente desde el puesto de trabajo del conductor, lo que supuso un poderoso impulso para el desarrollo del transporte ferroviario, aumentando la velocidad y el peso de los vehículos. trenes y, como resultado, un aumento colosal en el volumen de negocios de mercancías en el ferrocarril, el aumento de la longitud de las líneas ferroviarias en todo el mundo.
George Westinghouse no sólo fue un inventor, sino también un hombre de negocios emprendedor. Patentó su invento en 1869, lo que le permitió iniciar la producción en masa de equipos de frenos. Muy rápidamente, el freno Westinghouse se generalizó en Estados Unidos, Europa occidental y el Imperio ruso.
En Rusia, el freno Westinghouse reinó supremo hasta la Revolución de Octubre, y durante bastante tiempo después. La empresa Westinghouse construyó su propia planta de frenos en San Petersburgo y también expulsó hábilmente a sus competidores del mercado ruso. Sin embargo, el freno Westinghouse tenía una serie de desventajas fundamentales.
En primer lugar, este freno proporcionaba sólo dos modos de funcionamiento: frenado hasta que los cilindros de freno estén completamente llenos, y vacaciones — vaciar los cilindros de freno. Era imposible crear una cantidad intermedia de presión en los frenos durante su mantenimiento a largo plazo, es decir, el freno Westinghouse no tenía modo volver a techar. Esto no permitía un control preciso de la velocidad del tren.
En segundo lugar, el freno Westinghouse no funcionaba bien en trenes largos y, si bien esto podía tolerarse de alguna manera en el tráfico de pasajeros, surgían problemas en el tráfico de mercancías. ¿Recuerdas la onda de frenado? Así, el freno Westinghouse no tenía los medios para aumentar su velocidad, y en un tren largo, la disminución de la presión del líquido de frenos en el último vagón podía comenzar demasiado tarde, y a un ritmo significativamente menor que en la cabecera del tren. tren, lo que creó un funcionamiento salvajemente desigual de los dispositivos de freno en todo el tren.
Hay que decir que todas las actividades de la empresa Westinghouse, tanto en Rusia en ese momento como en todo el mundo, están completamente saturadas del olor capitalista de las guerras de patentes y la competencia desleal. Esto es lo que aseguró a un sistema tan imperfecto una vida tan larga, al menos durante ese período histórico.
Con todo esto, hay que reconocer que el freno Westinghouse sentó las bases de la ciencia del frenado y el principio de su funcionamiento se ha mantenido sin cambios en los frenos del material rodante moderno.
2. Del freno Westinghouse al freno Matrosov: la formación de la ciencia del freno nacional.
Casi inmediatamente después de la aparición del freno Westinghouse y la comprensión de sus deficiencias, surgieron intentos de mejorar este sistema o de crear otro, fundamentalmente nuevo. Nuestro país no fue la excepción. A principios del siglo XX, Rusia contaba con una red de ferrocarriles desarrollada, que desempeñaba un papel importante a la hora de garantizar el desarrollo económico y la capacidad de defensa del país. El aumento de la eficiencia del transporte está asociado con un aumento en la velocidad de su movimiento y la masa de carga transportada simultáneamente, lo que significa que se han planteado con urgencia la cuestión de mejorar los sistemas de frenado.
Un impulso significativo para el desarrollo de la ciencia de los frenos en la RSFSR y más tarde en la URSS fue la disminución de la influencia del gran capital occidental, en particular la empresa Westinghouse, en el desarrollo de la industria ferroviaria nacional después de octubre de 1917.
F.P. Kazantsev (izquierda) e I.K. Marineros (derecha): creadores del freno ferroviario nacional
La primera señal, el primer logro serio de la joven ciencia de frenos nacional, fue el desarrollo del ingeniero Florenty Pimenovich Kazantsev. En 1921, Kazantsev propuso un sistema freno automático de acción directa. El siguiente diagrama describe todas las ideas principales introducidas no solo por Kazantsev, y su propósito es explicar los principios básicos de funcionamiento del freno automático mejorado.
Freno automático de acción directa: 1 - compresor; 2 - tanque principal; 3 - línea de suministro; 4 — grúa del tren del conductor; 5 — dispositivo de suministro de fugas en la línea de freno; 6 — línea de freno; 7 — conexión de las mangueras de freno; 8 - válvula final; 9 - válvula de cierre; 10 - válvula de retención; 11 - tanque de repuesto; 12 — distribuidor de aire; 13 — cilindro de freno; 14 — transmisión de la palanca de freno.
Entonces, la primera idea principal es que la presión en el TM se controla indirectamente, a través de una disminución/aumento de la presión en un depósito especial llamado tanque de compensación (UR). Se muestra en la figura a la derecha del grifo del conductor (4) y encima del dispositivo de alimentación para fugas del TM (5). La densidad de este depósito es técnicamente mucho más fácil de garantizar que la densidad de la línea de freno, un tubo que alcanza varios kilómetros de longitud y recorre todo el tren. La relativa estabilidad de la presión en la UR permite mantener la presión en la TM, utilizando la presión en la UR como referencia. De hecho, el pistón en el dispositivo (5) cuando la presión en el TM disminuye, abre la válvula que llena el TM desde la línea de suministro, manteniendo así una presión en el TM igual a la presión en el UR. Esta idea todavía tenía un largo camino por recorrer en desarrollo, pero ahora la presión en el TM no dependía de la presencia de fugas externas del mismo (hasta ciertos límites). El dispositivo 5 migró a la grúa del operador y permanece allí, de forma modificada, hasta el día de hoy.
Otra idea importante que subyace al diseño de este tipo de freno es la alimentación del líquido de frenos a través de la válvula de retención 10. Cuando la presión en la válvula de freno excede la presión en la válvula de freno, esta válvula se abre, llenando la válvula del freno. líquido. De esta forma, las fugas se reponen continuamente desde el depósito de reserva y el freno no se agota.
La tercera idea importante propuesta por Kazantsev es el diseño de un distribuidor de aire que funcione con la diferencia no de dos presiones, sino de tres: presión en la línea de freno, presión en el cilindro de freno y presión en una cámara de trabajo especial (WC). que, durante la liberación, se alimenta de la presión de la línea de freno, junto con un depósito de repuesto. En el modo de frenado, la presión de carga se desconecta del depósito de reserva y de la línea de freno, manteniendo el valor de la presión de carga inicial. Esta propiedad se usa ampliamente en los frenos de material rodante tanto para proporcionar una liberación gradual como para controlar la uniformidad del llenado del TC a lo largo del tren en trenes de carga, ya que la cámara de trabajo sirve como estándar para la presión de carga inicial. En función de su valor, es posible prever la liberación gradual y organizar el llenado más temprano de los centros comerciales en los vagones de cola. Dejaré una descripción detallada de estas cosas para otros artículos sobre este tema, pero por ahora solo diré que el trabajo de Kazantsev sirvió como incentivo para el desarrollo de una escuela científica en nuestro país, lo que condujo al desarrollo de originales. Sistemas de frenos para material rodante.
Otro inventor soviético que influyó radicalmente en el desarrollo de los frenos del material rodante nacional fue Ivan Konstantinovich Matrosov. Sus ideas no eran fundamentalmente diferentes 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 la superioridad significativa del segundo sistema en términos de características de rendimiento cuando se utiliza principalmente en trenes de carga. Por tanto, el freno Matrosov con distribuidor de aire es condicional. El número 320 se convirtió en la base para el desarrollo y diseño de equipos de frenado para vías férreas de ancho de 1520 mm. Un freno automático moderno utilizado en Rusia y los países de la CEI puede llevar con razón el nombre de freno de Matrosov, ya que absorbió, en la etapa inicial de su desarrollo, las ideas y soluciones de diseño de Ivan Konstantinovich.
En lugar de una conclusión
¿Cuál es la conclusión? Trabajar en este artículo me convenció de que el tema merece una serie de artículos. En este artículo piloto, abordamos la historia del desarrollo de los frenos para el material rodante. A continuación entraremos en detalles jugosos, abordando no solo el freno nacional, sino también los desarrollos de colegas de Europa occidental, destacando el diseño de frenos de varios tipos y tipos de servicio de material rodante. Entonces, espero que el tema sea interesante y ¡nos vemos nuevamente en el centro!
¡Gracias por su atención!
Fuente: habr.com