L'énergie cinétique du « Sapsan » à sa vitesse maximale dépasse 1500 mégajoules. Pour un arrêt complet, cette énergie doit être dissipée par les dispositifs de freinage.

Il était une fois, on m'a demandé d'expliquer ce sujet plus en détail. c'est ici, sur Habré. De nombreux articles d'examen sur le thème ferroviaire y sont publiés, mais ce sujet n'a pas encore été traité en profondeur. Je pense qu'il serait intéressant d'écrire un article à ce sujet, voire plusieurs. J'invite donc ceux qui sont intéressés par le fonctionnement des systèmes de freinage des transports ferroviaires et les raisons de leur conception à lire la suite.

1. Histoire de l'apparition du frein pneumatique

La gestion de tout moyen de transport implique le contrôle de sa vitesse. Le transport ferroviaire n'échappe pas à cette règle, d'autant plus que ses caractéristiques constructives ajoutent des nuances considérables à ce processus. Un train est composé de nombreux wagons interconnectés, amenant ainsi un système de grande longueur et de poids important à des vitesses assez élevées.

Par définition, les freins sont un ensemble de dispositifs conçus pour créer des forces de résistance artificielles et régulées, utilisées pour réduire de manière contrôlée la vitesse d'un véhicule.

Le moyen le plus évident et immédiat de générer une force de freinage est d'utiliser la force de frottement. Depuis le début jusqu'à aujourd'hui, le frein à tambour a été utilisé. Des dispositifs spéciaux - des patins de frein, fabriqués à partir d'un matériau à fort coefficient de frottement, sont mécaniquement pressés contre la surface de roulement de la roue (ou contre des disques spéciaux montés sur l'essieu des essieux). Une force de frottement se développe entre les patins et la roue, générant un moment de freinage.

La régulation de l'effort de freinage se fait par le biais d'un ajustement de la force d'appui des patins sur la roue - pression de freinage. La question est uniquement de savoir quel mécanisme est utilisé pour pressurer les patins, et l'histoire des freins est en partie l'histoire du développement de ce mécanisme.

Les premiers freins de chemin de fer étaient mécaniques et actionnés manuellement, séparément sur chaque wagon par des personnes spéciales — des freins ou des conducteurs. Les conducteurs se trouvaient sur des plateformes de freinage, qui étaient équipées sur chaque wagon, et activaient les freins sur signal du conducteur de la locomotive. L'échange de signaux entre le conducteur et les conducteurs se faisait à l'aide d'une corde de signalisation spéciale tendue le long du train, qui actionnait un sifflet spécial.

Un ancien wagon de fret à deux essieux avec une plateforme de frein. On voit le levier du frein manuel.


Le frein à actionnement mécanique a lui-même une faible puissance. La force de freinage dépendait de la force et de l'habileté du conducteur. De plus, le facteur humain intervient dans le fonctionnement de ce système de freinage — les conducteurs ne remplissaient pas toujours correctement leurs fonctions. On ne pouvait pas parler de l'efficacité élevée de ces freins, ni de l'augmentation de la vitesse des trains équipés d'eux.

Le développement ultérieur des freins exigeait, d'une part, d'augmenter la force de freinage et, d'autre part, de permettre un contrôle à distance de ceux-ci sur tous les wagons depuis le poste de conduite.

L'entraînement hydraulique, utilisé dans les freins de voiture, a été largement adopté car il offre une forte pression dans un espace compact pour les dispositifs d'actionnement. Cependant, l'application d'un tel système dans un train révélerait son principal inconvénient : la nécessité d'un fluide de travail spécial — le liquide de frein, dont la fuite est inacceptable. La grande longueur des lignes hydrauliques de frein dans le train, associée à des exigences élevées d'étanchéité, rend impossible et non rationnelle la création d'un frein de chemin de fer hydraulique.

En revanche, l'entraînement pneumatique est une autre histoire. L'utilisation d'air à haute pression permet d'obtenir de fortes pressions de freinage tout en maintenant des dimensions acceptables pour les dispositifs d'actionnement — les cylindres de frein. Il n'y a pas de manque de fluide de travail — l'air est tout autour de nous, et même si une fuite de fluide de travail se produit dans le système de freinage (ce qui arrivera inévitablement), il est relativement facile de la compenser.

Le système de freinage le plus simple utilisant l'énergie de l'air comprimé est le frein direct non automatique

Schéma du frein direct non automatique : 1 — compresseur ; 2 — réservoir principal ; 3 — conduite d'alimentation ; 4 — robinet de train du conducteur ; 5 — conduite de freinage ; 6 — cylindre de frein ; 7 — ressort de relâchement ; 8, 9 — transmission de frein mécanique ; 10 — patin de frein.


Pour faire fonctionner ce type de frein, un réservoir d'air comprimé est nécessaire, stocké dans la locomotive dans un réservoir spécial appelé réservoir principal (2). La compression de l'air dans le réservoir principal et le maintien d'une pression constante sont effectués par un compresseur (1), actionné par l'installation énergétique de la locomotive. L'alimentation en air comprimé aux dispositifs de contrôle des freins se fait par un pipeline spécial, appelé alimentation (PM) ou de pression conduite (3).

Le contrôle des freins des wagons et l'alimentation en air comprimé s'effectuent par une longue conduite traversant tout le train et appelée conduite de freinage (TM) (5). Lorsque l'air comprimé est fourni par la TM, il remplit les cylindres de frein (TC) (6) branchés directement à la TM. L'air comprimé exerce une pression sur le piston, pressant les patins de frein 10 contre les roues, tant sur la locomotive que sur les wagons. Cela provoque le freinage.

Pour cesser le freinage, c'est-à-dire le relâchement des freins, il est nécessaire de libérer l'air de la conduite de freinage dans l'atmosphère, ce qui ramènera les mécanismes de freinage à leur position initiale grâce à l'effort des ressorts de relâchement installés dans les TC.

Pour le freinage, il est nécessaire de connecter la conduite de freinage (TM) à l'alimentation (PM). Pour le relâchement — connecter la conduite de freinage à l'atmosphère. Ces fonctions sont remplies par un appareil spécial — le robinet de train du conducteur (4) — lors du freinage, il connecte PM et TM, lors du relâchement — il débranche ces pipelines, tout en libérant l'air de TM dans l'atmosphère.

Dans ce système, il existe aussi une troisième position intermédiaire du robinet du conducteur — fermeture Lorsque le PM et le TM sont dissociés, sans évacuation de l'air du TM vers l'atmosphère, le robinet du conducteur l'isole complètement. La pression accumulée dans le TM et le TC est maintenue, et la durée de maintien à un niveau établi dépend de l'ampleur des fuites d'air à travers divers jeux, ainsi que de la résistance thermique des plaquettes de frein, qui se réchauffent par friction contre les jantes des roues. La mise à la pression dans le système, tant lors du freinage que de la libération, permet de réguler la force de freinage par étapes. Ce système de frein assure à la fois un freinage par paliers et une libération par paliers.

Malgré la simplicité d'un tel système de frein, il présente un inconvénient fatal : lors du découplage du train, il y a rupture de la conduite de frein, l'air s'échappe et le train se retrouve sans freins. C'est précisément pour cette raison qu'un tel frein ne peut pas être utilisé dans le transport ferroviaire, le coût de sa défaillance est trop élevé. Même sans rupture du train, en cas de fuite d'air importante, l'efficacité du frein sera réduite.

D'après ce qui précède, il est nécessaire que le freinage du train soit déclenché non par une augmentation, mais par une diminution de la pression dans le TM. Mais comment alors remplir les cylindres de frein ? Cela implique une deuxième exigence : chaque unité de train doit disposer d'un stock d'air comprimé qui doit être rapidement rechargé après chaque freinage.

Des conclusions similaires ont été tirées par la pensée d'ingénierie à la fin du XIXe siècle, ce qui a conduit à la création par George Westinghouse, en 1872, du premier frein ferroviaire automatique.

Dispositif du frein de Westinghouse : 1 — compresseur ; 2 — réservoir principal ; 3 — conduit d'alimentation ; 4 — robinet de train du conducteur ; 5 — conduite de frein ; 6 — distributeur d'air (vanne triple) du système Westinghouse ; 7 — cylindre de frein ; 8 — réservoir de réserve ; 9 — robinet d'arrêt.

L'illustration montre le dispositif de ce frein (illustration a — fonctionnement du frein lors de la libération ; b — fonctionnement du frein lors du freinage). L'élément principal du frein de Westinghouse est le distributeur d'air de frein ou, comme on l'appelle parfois aussi, la vanne tripleCe répartiteur d'air (6) possède un organe sensible — un piston fonctionnant sur la différence entre deux pressions — dans la conduite de frein (CB) et dans le réservoir de secours (RS). Si la pression dans la CB devient inférieure à celle dans le RS, le piston se déplace vers la gauche, ouvrant le chemin à l'air du RS vers le TC. Si la pression dans la CB devient supérieure à celle du RS, le piston se déplace vers la droite, reliant le TC à l'atmosphère et tout en reliant la CB et le RS, permettant le remplissage de ce dernier avec de l'air comprimé provenant de la CB.

Ainsi, en cas de baisse de la pression dans la CB pour une raison quelconque, que ce soit à cause des actions du conducteur, d'une fuite excessive d'air dans la CB ou de la rupture du train, les freins vont s'activer. Cela signifie que ces freins possèdent une automatisation d'action. Cette caractéristique des freins a permis d'ajouter une autre possibilité de gestion des freins du train, utilisée encore aujourd'hui dans les trains de passagers — l'arrêt d'urgence du train par un passager, en reliant la conduite de frein à l'atmosphère par le biais d'une vanne spéciale — le robinet d'arrêt (9).

. Pour ceux qui connaissent cette particularité du système de freinage d'un train, il est amusant de regarder des films où des voleurs-cowboys détachent habilement un wagon chargé d'or. Pour que cela soit possible, les cowboys doivent, avant de détacher, fermer les robinets terminaux de la conduite de frein, séparant la conduite de frein des tuyaux de raccordement entre les wagons. Mais ils ne le font jamais. D'autre part, les robinets terminaux fermés ont souvent été à l'origine de terribles catastrophes liées à des pannes de frein, tant chez nous (Kamen'sk en 1987, Yeral-Sim'skaya en 2011) qu'à l'étranger.

En raison du fait que le remplissage des cylindres de frein provient d'une source secondaire d'air comprimé (réservoir de secours), sans possibilité de renouvellement constant, ce type de frein est appelé non directif. Le chargement du RS avec de l'air comprimé ne se produit que lors du relâchement du frein, ce qui entraîne qu'en cas de freinages fréquents suivis de relâchements, si le temps d'attente est insuffisant après le relâchement, le RS ne parvient pas à se charger à la pression nécessaire. Cela peut entraîner une usure complète des freins et une perte de contrôle des freins du train.

Le frein pneumatique présente également un autre inconvénient, lié au fait que la chute de pression dans le circuit de freinage, comme toute perturbation, se propage dans l'air à une vitesse élevée mais néanmoins finie — pas plus de 340 m/s. Pourquoi pas plus ? Parce que la vitesse du son constitue l'option idéale. Cependant, dans le système pneumatique du train, il existe une série d'obstacles qui diminuent la vitesse de propagation de la diminution de pression, en raison de la résistance à l'écoulement de l'air. Par conséquent, à moins de prendre des mesures spécifiques, la vitesse de réduction de pression dans le circuit de freinage sera d'autant plus faible que le wagon est éloigné de la locomotive. Dans le cas du frein Westinghouse, la vitesse de la fameuse onde de freinage ne dépasse pas 180 — 200 m/s.

Néanmoins, l'apparition du frein pneumatique a permis d'augmenter à la fois la puissance des freins et la réactivité de leur commande directement depuis le poste de conduite. Cela a constitué un puissant moteur pour le développement du transport ferroviaire, l'augmentation de la vitesse de circulation et du poids des trains, entraînant ainsi une augmentation colossale du tonnage sur les voies ferrées et de l'étendue des lignes ferroviaires dans le monde entier.

George Westinghouse n'était pas seulement un inventeur, mais aussi un entrepreneur avisé. Il a breveté son invention en 1869, ce qui lui a permis de lancer une production à grande échelle d'équipements de freinage. Assez rapidement, le frein Westinghouse a été largement adopté aux États-Unis, en Europe de l'Ouest et dans l'Empire russe.

En Russie, le frein Westinghouse a dominé sans partage jusqu'à la Révolution d'Octobre, et assez longtemps après. La société « Westinghouse » a construit à Saint-Pétersbourg son usine de freins, et a habilement repoussé les concurrents du marché russe. Cependant, le frein Westinghouse avait plusieurs défauts fondamentaux.

Tout d'abord, ce frein ne proposait que deux modes de fonctionnement : le freinage jusqu'à un remplissage complet des cylindres de frein, et le relâchement — vidange des cylindres de frein. Il était impossible de créer une valeur intermédiaire de pression de freinage avec son maintien prolongé, c'est-à-dire que le frein Westinghouse manquait d'un mode surpression. Cela ne permettait pas de réaliser un contrôle précis de la vitesse du train.

Deuxièmement, le frein Westinghouse fonctionnait mal sur les longs trains, et si cela pouvait être toléré dans le trafic passager, des problèmes se posaient dans le transport de marchandises. Vous vous souvenez de la vague de freinage ? Eh bien, le frein Westinghouse n'avait pas les moyens d'accélérer sa vitesse, et dans un long train, la diminution de la pression dans le TM au dernier wagon pouvait commencer trop tard, et à un rythme nettement inférieur à celui du début du train, ce qui créait une incroyable inégalité dans l'activation des dispositifs de freinage sur le convoi.

Il faut dire que l'ensemble des activités de la société Westinghouse, tant en Russie à l'époque qu'à l'échelle mondiale, était imprégné d'une odeur capitaliste de guerres de brevets et de concurrence déloyale. C'est ce qui a permis à un système aussi imparfait de survivre si longtemps, du moins durant cette période historique.

Cela dit, il faut reconnaître que le frein Westinghouse a posé les bases de la science du freinage, et son principe de fonctionnement reste inchangé dans les freins modernes des véhicules.

2. Du frein Westinghouse au frein Matrosov — l'émergence de la science du freinage nationale.

Pratiquement immédiatement après l'apparition du frein Westinghouse et la prise de conscience de ses défauts, des tentatives ont été faites pour perfectionner ce système, ou pour créer un autre système fondamentalement nouveau. Notre pays n'a pas fait exception. Au début du XXe siècle, la Russie avait un réseau ferroviaire développé, jouant un rôle significatif dans le développement économique et la défense du pays. L'augmentation de l'efficacité du transport est liée à l'augmentation de la vitesse de déplacement et de la masse des marchandises transportées simultanément, ce qui soulevait donc de manière aiguë des questions sur l'amélioration des systèmes de freinage.

Un coup d'envoi significatif au développement de la science du freinage en RSFSR et plus tard en URSS a été donné par la réduction de l'influence du grand capital occidental, en particulier de la société Westinghouse, sur l'évolution de l'industrie ferroviaire nationale après octobre 1917.

F.P. Kazantsev (à gauche) et I.K. Matrosov (à droite) — créateurs du frein ferroviaire national


Le premier précurseur, le premier véritable succès de la science nationale du freinage, a été le développement de l'ingénieur Florentiy Pimenovich Kazantsev. En 1921, Kazantsev a proposé un système. frein automatique à effet direct. Le schéma ci-dessous décrit toutes les idées principales, non seulement apportées par Kazantsev, et son but est d'expliquer les principes fondamentaux du fonctionnement du frein automatique amélioré

Frein automatique à effet direct : 1 — compresseur ; 2 — réservoir principal ; 3 — conduite d'alimentation ; 4 — robinet du conducteur ; 5 — dispositif d'alimentation en cas de fuites du circuit de freinage ; 6 — circuit de freinage ; 7 — tuyaux de freinage de raccordement ; 8 — robinet terminal ; 9 — robinet d'arrêt ; 10 — valve de retenue ; 11 — réservoir de réserve ; 12 — distributeur d'air ; 13 — cylindre de frein ; 14 — transmission par levier de frein.


Ainsi, la première idée fondamentale est que le contrôle de la pression dans le TM se fait de manière indirecte — par la réduction / l'augmentation de la pression dans un réservoir spécial, appelé réservoir compensatoire (UR). Il est montré sur la figure à droite du robinet du conducteur (4) et au-dessus du dispositif d'alimentation en cas de fuites du TM (5). Il est techniquement beaucoup plus facile d'assurer la densité de ce réservoir que celle du circuit de freinage — des tuyaux atteignant des kilomètres de long et traversant tout le train. La relative stabilité de la pression dans l'UR permet de maintenir la pression dans le TM, en utilisant la pression dans l'UR comme référence. En effet, le piston dans le dispositif (5) s'abaisse lorsque la pression dans le TM diminue, ouvrant la valve qui remplit le TM depuis la conduite d'alimentation, maintenant ainsi dans le TM une pression égale à celle dans l'UR. Cette idée avait encore un long chemin à parcourir, mais désormais la pression dans le TM ne dépendait plus de la présence de fuites externes dans celui-ci (jusqu'à des limites connues). Le dispositif 5 a été intégré dans le robinet du conducteur et y reste, sous une forme modifiée, jusqu'à aujourd'hui.

Une autre idée importante à la base de la conception de ce type de frein est l'alimentation en ZR par le TM via la valve de retenue 10. Lorsque la pression dans le TM dépasse la pression dans le ZR, cette valve s'ouvre, remplissant le ZR depuis le TM. Cela permet un remplissage continu des fuites depuis le réservoir de réserve et assure la non-épuisabilité du frein.

La troisième idée importante proposée par Kazantsev est la conception d'un répartiteur d'air qui fonctionne non pas sur la différence de deux pressions, mais de trois — la pression dans le circuit de freinage, la pression dans le cylindre de frein, et la pression dans une chambre de travail spéciale (RK), qui est alimentée par la pression du circuit de freinage lors du relâchement, en conjonction avec un réservoir de secours. En mode de freinage, la RK est découplée du réservoir de secours et du circuit de freinage, conservant la valeur de la pression de charge initiale. Cette propriété est largement utilisée dans les freins des véhicules, tant pour assurer un libération progressive qu pour contrôler l'uniformité du remplissage du TC tout au long du train dans les trains de marchandises, puisque la chambre de travail sert de référence pour la pression de charge initiale. En fonction de sa valeur, il est possible d'assurer un relâchement progressif et d'organiser un remplissage plus précoce du TC dans les wagons de queue. Une description détaillée de ces éléments sera laissée pour d'autres articles sur ce sujet, mais je dirai déjà que les travaux de Kazantsev ont servi de stimulus au développement d'une école scientifique dans notre pays, ayant conduit à la création de systèmes de frein originaux pour les véhicules.

Un autre inventeur soviétique, qui a radicalement influencé le développement des freins domestiques pour les véhicules, est Ivan Konstantinovich Matrosov. Ses idées, fondamentalement similaires à celles de Kazantsev, ont cependant montré, lors des essais opérationnels ultérieurs des systèmes de freinage de Kazantsev et Matrosov (en conjonction avec d'autres systèmes de frein), un avantage considérable du second système en ce qui concerne les caractéristiques opérationnelles, notamment pour les trains de marchandises. Ainsi, le frein de Matrosov avec un répartiteur d'air de type n° 320 est devenu la base pour le développement et la conception de l'équipement de frein des chemins de fer à voie de 1520 millimètres. Le frein automatique moderne utilisé en Russie et dans les pays de la CEI peut à juste titre porter le nom de frein de Matrosov, car il a incorporé, lors de ses débuts, les idées et solutions de conception d'Ivan Konstantinovich.

En conclusion

Quelle est la conclusion ? Travailler sur cet article m'a convaincu que le sujet mérite une série d'articles. Dans cet article pilote, nous avons abordé l'histoire du développement des freins des véhicules roulants. Dans les prochains articles, nous entrerons dans des détails plus croustillants, en abordant non seulement les freins nationaux, mais aussi les développements de nos collègues d'Europe de l'Ouest, éclairant le fonctionnement de différents types de freins et de leur utilisation dans les véhicules roulants. J'espère donc que le sujet sera intéressant, et à bientôt sur Habr !

Merci de votre attention !

Source : habr.com