Sapsanin kineettinen energia maksiminopeudella on yli 1500 megajoulea. Täysi pysähtyminen edellyttää, että jarrulaitteet poistavat sen kokonaan.
Se oli asia täällä Habrella. Täällä julkaistaan melko paljon katsausartikkeleita rautatieaiheista, mutta tätä aihetta ei ole vielä käsitelty yksityiskohtaisesti. Minusta olisi mielenkiintoista kirjoittaa tästä artikkeli, ja ehkä enemmän kuin yksi. Siksi pyydän niiden kissaa, jotka ovat kiinnostuneita siitä, miten rautatieliikenteen jarrujärjestelmät on suunniteltu ja mistä syystä ne on suunniteltu tällä tavalla.
1. Ilmajarrun historia
Minkä tahansa ajoneuvon ohjaamiseen kuuluu sen nopeuden säätely. Rautatieliikenne ei ole poikkeus, lisäksi sen suunnitteluominaisuudet tuovat tähän prosessiin merkittäviä vivahteita. Juna koostuu suuresta määrästä toisiinsa yhdistettyjä vaunuja, ja tuloksena olevalla järjestelmällä on huomattava pituus ja paino erittäin kohtuullisella nopeudella.
Määritelmän mukaan jarrut ovat joukko laitteita, jotka on suunniteltu luomaan keinotekoisia, säädettäviä vastusvoimia, joita käytetään ajoneuvon nopeuden hallitsevassa vähentämisessä.
Pinnalla katsottuna ilmeisin tapa luoda jarrutusvoimaa on käyttää kitkaa. Alusta lähtien tähän päivään asti on käytetty kenkien kitkajarruja. Erikoislaitteet - jarrupalat, jotka on valmistettu materiaalista, jolla on korkea kitkakerroin, painetaan mekaanisesti pyörän vierintäpintaa vasten (tai pyöräkerran akseliin asennettuja erityisiä levyjä vasten). Palojen ja pyörän väliin syntyy kitkavoima, joka luo jarrutusmomentin.
Jarruvoimaa säädetään muuttamalla jarrupalojen painamisvoimaa pyörää vasten - jarrupaine. Ainoa kysymys on, mitä vetoa käytetään tyynyjen painamiseen, ja osittain jarrujen historia on tämän vetolaitteen kehityksen historiaa.
Ensimmäiset rautatiejarrut olivat mekaanisia ja niitä käytettiin manuaalisesti, erikseen jokaisessa vaunussa erityishenkilöiden - jarrujen tai johtimien - toimesta. Johtimet sijaitsivat ns. jarrutasoilla, joilla jokainen vaunu oli varustettu, ja ne jarruttivat veturinkuljettajan signaalista. Signaalien vaihto kuljettajan ja konduktöörien välillä suoritettiin erityisellä koko junaa pitkin venytetyllä opastinköydellä, joka aktivoi erityisen pillin.
Vintage kaksiakselinen tavaravaunu jarrupalalla. Käsijarrun nuppi näkyvissä
Itse mekaanisella jarrulla on vähän tehoa. Jarrun paineen määrä riippui johtimen vahvuudesta ja kätevyydestä. Lisäksi inhimillinen tekijä häiritsi tällaisen jarrujärjestelmän toimintaa - johtimet eivät aina suorittaneet tehtäviään oikein. Ei tarvinnut puhua tällaisten jarrujen korkeasta tehokkuudesta eikä niillä varustettujen junien nopeuden kasvusta.
Jarrujen jatkokehitys edellytti ensinnäkin jarrupaineen lisäämistä ja toiseksi mahdollisuutta kauko-ohjata kaikkia autoja kuljettajan työpaikalta.
Autojen jarruissa käytetty hydraulikäyttö on yleistynyt, koska se tuottaa korkean paineen pienikokoisilla toimilaitteilla. Kuitenkin, kun tällaista järjestelmää käytetään junassa, sen suurin haittapuoli ilmenee: tarve erityiselle työnesteelle - jarrunesteelle, jonka vuotoa ei voida hyväksyä. Junan jarruhydrauliikkalinjojen suuri pituus sekä niiden tiukkuusvaatimukset tekevät hydraulisen rautatiejarrun luomisen mahdottomaksi ja järjettömäksi.
Toinen asia on pneumaattinen käyttö. Korkeapaineisen ilman käyttö mahdollistaa korkeiden jarrupaineiden saavuttamisen toimilaitteiden - jarrusylintereiden - hyväksyttävillä mitoilla. Työnesteestä ei ole pulaa - ilmaa on kaikkialla ympärillämme, ja vaikka jarrujärjestelmästä vuotaisikin käyttönestettä (ja varmasti vuotaa), se voidaan täyttää suhteellisen helposti.
Yksinkertaisin paineilmaenergiaa käyttävä jarrujärjestelmä on suoratoiminen ei-automaattinen jarru
Suoratoimisen ei-automaattisen jarrun kaavio: 1 - kompressori; 2 - pääsäiliö; 3 - syöttöjohto; 4 — kuljettajan junan nosturi; 5 - jarruputki; 6 — jarrusylinteri; 7 — vapautusjousi; 8, 9 — mekaaninen jarruvoimansiirto; 10 - jarrupala.
Tällaisen jarrun käyttämiseksi tarvitaan paineilman syöttö, joka on varastoitu veturiin erityiseen säiliöön ns. pääsäiliö (2). Ilman ruiskuttaminen pääsäiliöön ja vakiopaineen ylläpitäminen siinä suoritetaan kompressori (1), veturivoimalaitoksen käyttämä. Paineilma syötetään jarrujen ohjauslaitteisiin erityisen putkilinjan kautta ravintoaine (NM) tai paine moottoritie (3).
Autojen jarruja ohjataan ja niihin syötetään paineilmaa pitkän, koko junan läpi kulkevan putken kautta ns. jarruletku (TM) (5). Kun paineilma syötetään TM:n kautta, se täyttyy jarrusylinterit (TC) (6) kytketty suoraan TM:ään. Paineilma painaa mäntää ja painaa jarrupalat 10 pyöriä vasten sekä vetureissa että autoissa. Jarrutus tapahtuu.
Jarrutuksen lopettamiseksi jättää jarrut, on tarpeen vapauttaa ilmaa jarrujohdosta ilmakehään, mikä johtaa jarrumekanismien palautumiseen alkuperäiseen asentoonsa TC:hen asennettujen vapautusjousien voiman vuoksi.
Jarrutusta varten on tarpeen yhdistää jarruletku (TM) syöttöjohtoon (PM). Lomaa varten yhdistä jarruletku ilmakehään. Nämä toiminnot suorittaa erityinen laite - kuljettajan junan nosturi (4) - jarruttaessa se yhdistää PM:n ja PM:n, kun se vapautetaan, se irrottaa nämä putkistot ja vapauttaa samanaikaisesti ilmaa hiukkasista ilmakehään.
Tällaisessa järjestelmässä on kolmas, kuljettajan nosturin väliasento - takakatto kun PM ja TM on erotettu, mutta ilman vapautumista TM:stä ilmakehään ei tapahdu, kuljettajan nosturi eristää sen kokonaan. TM:ään ja TC:hen kertynyt painetta ylläpidetään ja sen pitoaika asetetulla tasolla määräytyy erilaisten vuotojen kautta vuotavan ilman määrän sekä jarrupalojen lämpövastuksen perusteella, jotka lämpenevät kitkan aikana. pyörän renkaat. Asettamalla sen kattoon sekä jarrutuksen että vapauttamisen aikana, voit säätää jarrutusvoimaa portaittain. Tämän tyyppinen jarru tarjoaa sekä askeljarrutuksen että askelvapautuksen.
Huolimatta tällaisen jarrujärjestelmän yksinkertaisuudesta, siinä on kohtalokas virhe - kun juna irrotetaan, jarruputki repeytyy, ilmaa karkaa ja juna jää ilman jarruja. Tästä syystä tällaista jarrua ei voida käyttää rautatieliikenteessä, sen vioittumisen kustannukset ovat liian korkeat. Jopa ilman junan murtumaa, jos ilmavuoto on suuri, jarrutusteho heikkenee.
Edellä esitetyn perusteella syntyy vaatimus, että junan jarrutusta ei aloiteta TM:n paineen nousun, vaan laskun seurauksena. Mutta miten jarrusylinterit sitten täytetään? Tästä seuraa toinen vaatimus: junan jokaisen liikkuvan yksikön on varastoitava paineilmavarasto, joka on täytettävä välittömästi jokaisen jarrutuksen jälkeen.
Tekninen ajattelu 1872-luvun lopulla päätyi samanlaisiin johtopäätöksiin, minkä seurauksena George Westinghouse loi ensimmäisen automaattisen rautatiejarrun vuonna XNUMX.
Westinghouse-jarrulaite: 1 - kompressori; 2 - pääsäiliö; 3 - syöttöjohto; 4 — kuljettajan junan nosturi; 5 - jarruputki; 6 — Westinghouse-järjestelmän ilmanjakaja (kolmioventtiili); 7 — jarrusylinteri; 8 — varasäiliö; 9 - sulkuventtiili.
Kuvassa on esitetty tämän jarrun rakenne (Kuva a - jarrun toiminta vapauttamisen aikana; b - jarrun toiminta jarrutuksen aikana). Westigauzen jarrun pääelementti oli jarruilman jakaja tai kuten sitä joskus kutsutaan, kolminkertainen venttiili. Tässä ilmanjakajassa (6) on herkkä elin - mäntä, joka toimii kahden paineen erolla - jarruletkussa (TM) ja varasäiliössä (R). Jos paine TM:ssä laskee pienemmäksi kuin TC:ssä, mäntä liikkuu vasemmalle, mikä avaa tien ilmalle CM:stä TC:hen. Jos paine TM:ssä tulee suuremmaksi kuin paine SZ:ssä, mäntä liikkuu oikealle välittäen TC:n ilmakehään ja samalla välittäen TM:n ja SZ:n, mikä varmistaa, että jälkimmäinen täyttyy paineilmalla TM.
Siten, jos paine TM:ssä laskee jostain syystä, olipa kyseessä sitten kuljettajan toiminta, liiallinen ilmavuoto TM:stä tai junan repeämä, jarrut toimivat. Eli sellaisia jarruja on automaattinen toiminta. Tämä jarrun ominaisuus mahdollisti toisen mahdollisuuden lisätä junan jarrujen ohjaamiseen, jota käytetään matkustajajunissa tähän päivään - matkustajan suorittama junan hätäpysäytys kommunikoimalla jarrulinja ilmakehän kanssa erityisen venttiilin kautta - hätäjarru (9).
Niille, jotka tuntevat tämän junan jarrujärjestelmän ominaisuuden, on hauska katsoa elokuvia, joissa varkaat-cowboyt tunnetusti irrottavat kullalla varustetun vaunun junasta. Jotta tämä olisi mahdollista, cowboysin on ennen irrottamista suljettava jarruletkun päätyventtiilit, jotka erottavat jarruletkun autojen välisistä liitosletkuista. Mutta he eivät koskaan tee. Toisaalta suljetut venttiilit ovat useaan otteeseen aiheuttaneet kauheita jarrujen rikkoutumiseen liittyviä katastrofeja sekä täällä (Kamensk vuonna 1987, Eral-Simskaya vuonna 2011) että ulkomailla.
Koska jarrusylinterien täyttö tapahtuu toissijaisesta paineilmalähteestä (varasäiliöstä), ilman mahdollisuutta sen jatkuvaan täydentämiseen, tällaista jarrua kutsutaan ns. epäsuorasti toimivat. Jarrun lataaminen paineilmalla tapahtuu vain, kun jarru vapautetaan, mikä johtaa siihen, että toistuvalla jarrutuksella ja vapauttamisella, jos vapauttamisen jälkeen ei ole tarpeeksi aikaa, jarrulla ei ole aikaa latautua vaadittuun paineeseen. Tämä voi johtaa jarrujen täydelliseen kulumiseen ja junan jarrujen hallinnan menettämiseen.
Pneumaattisella jarrulla on myös toinen haittapuoli, joka liittyy siihen, että painehäviö jarrulinjassa, kuten mikä tahansa häiriö, etenee ilmassa suurella, mutta silti rajallisella nopeudella - enintään 340 m/s. Miksei enemmän? Koska äänen nopeus on ihanteellinen. Mutta junan pneumaattisessa järjestelmässä on useita esteitä, jotka vähentävät ilmavirran vastustukseen liittyvän painehäviön etenemisnopeutta. Siksi, ellei erityistoimenpiteisiin ryhdytä, paineenalennusnopeus TM:ssä on sitä pienempi mitä kauempana kori on veturista. Westinghouse-jarrun tapauksessa nopeus ns jarrutusaalto ei ylitä 180 - 200 m/s.
Pneumaattisen jarrun tulo mahdollisti kuitenkin sekä jarrujen tehon että niiden hallinnan tehokkuuden lisäämisen suoraan kuljettajan työpaikalta käsin, mikä toimi voimakkaana sysäyksenä rautatieliikenteen kehitykselle lisäämällä jarrujen nopeutta ja painoa. junia, ja sen seurauksena rahtiliikenteen valtava kasvu rautateillä, rautateiden pituuden pidentyminen ympäri maailmaa.
George Westinghouse ei ollut vain keksijä, vaan myös yritteliäs liikemies. Hän patentoi keksintönsä jo vuonna 1869, minkä ansiosta hän aloitti jarrulaitteiden massatuotannon. Melko nopeasti Westinghouse-jarru levisi laajalti Yhdysvalloissa, Länsi-Euroopassa ja Venäjän valtakunnassa.
Venäjällä Westinghouse-jarru hallitsi ylimpänä lokakuun vallankumoukseen asti ja vielä pitkään sen jälkeen. Westinghouse-yhtiö rakensi Pietariin oman jarrutehtaan ja syrjäytti myös taitavasti kilpailijat Venäjän markkinoilta. Westinghouse-jarrulla oli kuitenkin useita perustavanlaatuisia haittoja.
Ensinnäkin tämä jarru tarjosi vain kaksi toimintatilaa: jarrutus kunnes jarrusylinterit ovat täysin täytetty, ja loma — jarrusylinterien tyhjennys. Sen pitkäaikaisella huollolla oli mahdotonta luoda keskimääräistä jarrupainetta, eli Westinghouse-jarrussa ei ollut tilaa takakatto. Tämä ei mahdollistanut junan nopeuden tarkkaa hallintaa.
Toiseksi Westinghouse-jarru ei toiminut hyvin pitkissä junissa, ja vaikka tämä oli jotenkin siedettävä matkustajaliikenteessä, ongelmia ilmeni tavaraliikenteessä. Muistatko jarrutusaallon? Joten Westinghouse-jarrulla ei ollut keinoja lisätä nopeuttaan, ja pitkässä junassa jarrunesteen paineen lasku viimeisessä autossa saattoi alkaa liian myöhään ja huomattavasti pienemmällä nopeudella kuin kärjessä. junassa, mikä loi jarrulaitteiden epätasaisen toiminnan junan poikki.
On sanottava, että kaikki Westinghouse-yhtiön toiminta niin Venäjällä tuolloin kuin kaikkialla maailmassa on täysin kyllästetty patenttisotien ja epäreilun kilpailun kapitalistisella tuoksulla. Tämä takasi tällaiselle epätäydelliselle järjestelmälle niin pitkän käyttöiän, ainakin tuona historiallisena ajanjaksona.
Kaiken tämän myötä on tunnustettava, että Westinghouse-jarru loi jarrutustieteen perustan ja sen toimintaperiaate on säilynyt ennallaan nykyaikaisissa liikkuvan kaluston jarruissa.
2. Westinghouse-jarrusta Matrosov-jarruun - kotimaisen jarrutustieteen muodostuminen.
Melkein heti Westinghouse-jarrun ilmestymisen ja sen puutteiden havaitsemisen jälkeen syntyi yrityksiä parantaa tätä järjestelmää tai luoda toinen, pohjimmiltaan uusi. Maamme ei ollut poikkeus. Venäjällä oli 1900-luvun alussa kehittynyt rautatieverkosto, jolla oli merkittävä rooli maan taloudellisen kehityksen ja puolustuskyvyn varmistamisessa. Kuljetuksen tehokkuuden lisääminen liittyy sen liikkeen nopeuden ja samanaikaisesti kuljetetun lastin massan kasvuun, mikä tarkoittaa, että jarrujärjestelmien parantamista koskevia kysymyksiä on nostettu kiireesti esille.
Merkittävä sysäys jarrutustieteen kehitykselle RSFSR:ssä ja myöhemmin Neuvostoliitossa oli suuren länsimaisen pääoman, erityisesti Westinghouse-yhtiön, vaikutuksen väheneminen kotimaan rautatieteollisuuden kehitykseen lokakuun 1917 jälkeen.
F.P. Kazantsev (vas.) ja I.K. Merimiehet (oikealla) - kotimaan rautatiejarrun luojat
Ensimmäinen merkki, nuoren kotimaisen jarrutustieteen ensimmäinen vakava saavutus, oli insinööri Florenty Pimenovich Kazantsevin kehitys. Vuonna 1921 Kazantsev ehdotti järjestelmää suoratoiminen automaattijarru. Alla olevassa kaaviossa on kuvattu kaikki tärkeimmät ajatukset, jotka eivät vain Kazantsevin esittämät, ja sen tarkoituksena on selittää parannetun automaattijarrun toimintaperiaatteet
Suoratoiminen automaattinen jarru: 1 - kompressori; 2 - pääsäiliö; 3 - syöttöjohto; 4 — kuljettajan junan nosturi; 5 — jarruletkun vuodonsyöttölaite; 6 — jarruletku; 7 — jarruletkujen liittäminen; 8 - päätyventtiili; 9 - sulkuventtiili; 10 - takaiskuventtiili; 11 — varasäiliö; 12 — ilmanjakolaite; 13 — jarrusylinteri; 14 — jarruvivun voimansiirto.
Joten ensimmäinen pääidea on, että TM:n painetta ohjataan epäsuorasti - paineen laskun/lisäyksen kautta erityisessä säiliössä, ns. ylivirtaussäiliö (UR). Se näkyy kuvassa kuljettajan hanan (4) oikealla puolella ja virtalähteen päällä TM:n vuotojen varalta (5). Tämän säiliön tiheys on teknisesti paljon helpompi varmistaa kuin jarrujohdon tiheys - useiden kilometrien pituinen ja koko junan läpi kulkeva putki. Paineen suhteellinen stabiilisuus UR:ssa mahdollistaa paineen ylläpitämisen TM:ssä käyttämällä UR:n painetta vertailukohtana. Todellakin, laitteessa (5) oleva mäntä, kun paine TM:ssä laskee, avaa venttiilin, joka täyttää TM:n syöttölinjasta, jolloin TM:ssä säilyy paine, joka on yhtä suuri kuin paine UR:ssa. Tällä idealla oli vielä pitkä matka kehitettävään, mutta nyt TM:n paine ei riipunut ulkoisten vuotojen olemassaolosta siitä (tiettyihin rajoihin asti). Laite 5 siirtyi kuljettajan nosturiin ja on siellä muutettuna tähän päivään asti.
Toinen tärkeä ajatus tämän tyyppisen jarrun suunnittelun taustalla on virransyöttö jarrunesteestä takaiskuventtiilin 10 kautta. Kun jarruventtiilin paine ylittää jarruventtiilin paineen, tämä venttiili avautuu ja täyttää venttiilin jarrusta. nestettä. Näin vuotoja täydennetään jatkuvasti varasäiliöstä eikä jarru lopu.
Kolmas Kazantsevin ehdottama tärkeä idea on ilmanjakajan suunnittelu, joka toimii ei kahden paineen erolla, vaan kolmella - paineella jarrulinjassa, paineella jarrusylinterissä ja paineella erityisessä työkammiossa (WC), joka vapautumisen aikana syötetään jarruletkun paineella yhdessä varasäiliön kanssa. Jarrutustilassa latauspaine kytketään irti varasäiliöstä ja jarruletkusta säilyttäen alkuperäisen latauspaineen arvon. Tätä ominaisuutta käytetään laajalti liikkuvan kaluston jarruissa sekä vaiheittaisen vapautuksen aikaansaamiseksi että TC:n täytön tasaisuuden ohjaamiseksi tavarajunissa, koska työkammio toimii vakiona alkuperäisen latauspaineen suhteen. Sen arvon perusteella on mahdollista toteuttaa vaiheittainen vapautus ja järjestää kauppakeskuksen aikaisempi täyttö perävaunuissa. Jätän yksityiskohtaisen kuvauksen näistä asioista muille tätä aihetta käsitteleville artikkeleille, mutta toistan vain, että Kazantsevin työ toimi kannustimena tieteellisen koulun kehittämiselle maassamme, mikä johti alkuperäisen kehityksen kehittämiseen. liikkuvan kaluston jarrujärjestelmät.
Toinen Neuvostoliiton keksijä, joka vaikutti radikaalisti kotimaisten liikkuvan kaluston jarrujen kehitykseen, oli Ivan Konstantinovich Matrosov. Hänen ideansa eivät pohjimmiltaan eronneet Kazantsevin ajatuksista, mutta myöhemmät Kazantsev- ja Matrosov-jarrujärjestelmien (yhdessä muiden jarrujärjestelmien) toimintatestit osoittivat toisen järjestelmän merkittävän paremman suorituskykyominaisuuksien suhteen, kun sitä käytettiin ensisijaisesti tavarajunissa. Näin ollen Matrosov-jarru ilmanjakajalla on ehdollinen. No. 320:sta tuli perusta 1520 mm raideleveyden rautateiden jarrulaitteiden jatkokehittämiselle ja suunnittelulle. Nykyaikainen Venäjällä ja IVY-maissa käytetty automaattijarru voi oikeutetusti kantaa Matrosovin jarrun nimeä, koska se omaksui kehityksensä alkuvaiheessa Ivan Konstantinovichin ideat ja suunnitteluratkaisut.
Sen sijaan johtopäätös
Mikä on johtopäätös? Tämän artikkelin parissa työskenteleminen sai minut vakuuttuneeksi siitä, että aihe on artikkelisarjan arvoinen. Tässä pilottiartikkelissa käsittelimme liikkuvan kaluston jarrujen kehityksen historiaa. Seuraavassa mennään mehukkaisiin yksityiskohtiin koskettaen kotimaisen jarrun lisäksi myös länsieurooppalaisten kollegoiden kehitystä korostaen erityyppisten ja erityyppisten liikkuvan kaluston palvelujen jarrujen suunnittelua. Joten toivon, että aihe on mielenkiintoinen ja nähdään taas hubissa!
Kiitos huomiostasi!
Lähde: will.com