Je vois que la première, la partie historique de mon récit a plu au public, il n'est donc pas déplacé de continuer.

Les trains à grande vitesse, comme le TGV, ne reposent plus sur le freinage pneumatique

Aujourd'hui, nous allons parler de la modernité, à savoir les approches utilisées pour créer des systèmes de freinage de matériel roulant au XXIe siècle, qui fêtera bientôt son troisième décade.

1. Classification des freins de matériel roulant

D'après le principe physique de création de la force de freinage, tous les freins de chemin de fer peuvent être classés en deux types principaux : les freins à friction, utilisant la force de frottement, et les freins dynamiques, utilisant un entraînement pour créer un moment de freinage.

Les freins à friction comprennent les freins à mâchoires de toutes les conceptions, y compris les disques, ainsi que le frein électromagnétique, qui est utilisé dans le transport ferroviaire à grande vitesse, principalement en Europe de l'Ouest. Sur des voies de 1520, ce type de frein a été appliqué exclusivement à l'électrotrain ER200. Quant au même « Sapsan », la RJD a renoncé à l'utilisation du frein électromagnétique, bien que le prototype de cet électrotrain, l'ICE3 allemand, soit équipé de ce type de frein.

Le bogie du train ICE3 avec frein électromagnétique

Le bogie du train « Sapsan »

Les freins dynamiques, ou plus précisément les freins électrodynamiques , englobent tous les freins dont l'action repose sur le passage des moteurs électriques de traction en mode générateur (freinage récupératif et freinage à résistance), ainsi que le freinage par contre-inclusion

Avec le freinage régénératif et le frein à résistance, tout est relativement clair : les moteurs sont transformés d'une manière ou d'une autre en mode générateur, et dans le cas de la récupération, ils restituent de l'énergie dans le réseau de contact, tandis que dans le cas de la résistance, l'énergie produite est dissipée sur des résistances spéciales. Les deux types de freins sont utilisés tant sur les trains à traction locotrice que sur les rames automotrices, où le frein électrodynamique est le frein principal, compte tenu du grand nombre de moteurs électriques répartis sur l'ensemble du train. Le principal inconvénient du freinage électrodynamique (EDT) est l'impossibilité de freiner jusqu'à l'arrêt complet. Lorsque l'efficacité de l'EDT diminue, il est automatiquement remplacé par le frein à friction pneumatique.

En ce qui concerne le freinage par inversion, il permet un freinage jusqu'à l'arrêt complet, car il consiste à inverser le moteur d traction en marche. Cependant, ce mode est la plupart du temps une procédure d'urgence - son utilisation normale peut endommager le système de traction. Prenons par exemple un moteur à balais : lors de l'inversion de la polarité de la tension qui lui est appliquée, la contre-EMF générée par le moteur en rotation ne se soustrait pas à la tension d'alimentation mais s'additionne à celle-ci - les roues continuent de tourner dans la même direction que lorsqu'elles sont en mode de traction ! Cela entraîne une montée en avalanche du courant, et le mieux qui puisse arriver, c'est que les dispositifs électriques de protection se déclenchent.

Pour cette raison, tous les moyens sont pris sur les locomotives et les trains électriques pour éviter l'inversion des moteurs en marche. Le levier de commande inversible est mécaniquement bloqué lorsque le contrôleur du conducteur est en position de marche. Sur les « Sapsans » et « Lastochkas », tourner le commutateur réversible à une vitesse supérieure à 5 km/h entraînera un freinage d'urgence immédiat.

Cependant, certaines locomotives nationales, comme la locomotive électrique VL65, utilisent le freinage par inversion comme mode normal à basse vitesse.

Le freinage par inversion est un mode normal, assuré par le système de contrôle, sur la locomotive électrique VL65.

Il faut dire que malgré l'efficacité élevée du frein électrodynamique, tout train, je le souligne — tout train est équipé d'un frein pneumatique à action automatique, c'est-à-dire se déclenchant grâce à la libération d'air du circuit de freinage. En Russie comme dans le monde entier, les vieux et bons freins à mâchoires à friction garantissent la sécurité de la circulation.

Selon leur fonction, les freins à friction se subdivisent en

1. Freins de stationnement, manuels ou automatiques
2. Freins de train — frein pneumatique (PT) ou électropneumatique (EPT), installés sur chaque unité de matériel roulant dans le train et contrôlés de manière centralisée depuis la cabine du conducteur
3. Freins locomotifs — freins pneumatiques à action directe, destinés à freiner la locomotive sans freiner le train. Ils sont contrôlés séparément des freins de train.

2. Frein de stationnement

Le frein manuel à commande mécanique n'a pas disparu du matériel roulant, il est installé à la fois sur les locomotives et sur les wagons — il a simplement changé de fonction, devenant un frein de stationnement, permettant d'éviter le mouvement spontané du matériel roulant en cas de perte d'air dans son pneumosystème. La roue rouge, ressemblant à un volant de bateau — est le mécanisme du frein manuel, l'une des variantes de sa conception.

Volant du frein de stationnement manuel dans la cabine de la locomotive électrique VL60pk

Frein manuel dans le couloir d'un wagon-passager

Frein manuel sur un wagon de fret moderne

Le frein manuel à commande mécanique presse vers les roues les mêmes sabots utilisés lors du freinage normal.

Sur le matériel roulant moderne, en particulier dans les trains électriques EVS1/EVS2 « Sapsan », ES1 « Lastotchka », ainsi que sur la locomotive électrique EP20, le frein de stationnement est automatique et la pression des sabots sur le disque de frein est effectuée par des accumulateurs d'énergie à ressort. Une partie des mécanismes à griffes qui pressent les plaquettes contre les disques de frein est équipée de puissants ressorts, si puissants que le relâchement s'effectue par un actionneur pneumatique exerçant une pression de 0,5 MPa. L'actionneur pneumatique, dans ce cas, s'oppose aux ressorts qui pressent les plaquettes. Le contrôle de ce frein de stationnement s'effectue à l'aide de boutons sur le tableau de bord du conducteur.

Boutons de commande du frein à ressort de stationnement (FRS) sur le train électrique ES1 « Lastotchka »

En termes de conception, ce type de frein est analogue à celui utilisé sur de puissants camions. Toutefois, en tant que frein principal dans les trains, un tel système est totalement inadapté, et je vais expliquer pourquoi après avoir parlé du fonctionnement des freins pneumatiques des trains.

3. Freins pneumatiques de type fret

Chaque wagon de fret est équipé du système suivant d'équipements de freinage

Équipement de freinage du wagon de fret : 1 — manchon de connexion de frein ; 2 — robinet terminal ; 3 — robinet d'arrêt ; 5 — collecteur de poussière ; 6, 7, 9 — modules de répartiteur d'air no 483 ; 8 — robinet de séparation ; VR — répartiteur d'air ; TM — conduite de frein ; ZR — réservoir de réserve ; TC — cylindre de frein ; AR — mode automatique de fret


Conduite de frein (TM) — un tube d'un diamètre de 1,25» s'étendant sur toute la longueur du wagon, muni à ses extrémités de robinets terminaux, pour séparer la conduite de frein lors de la séparation du wagon avant de déconnecter les manchons flexibles. Dans la conduite de frein, en mode normal, il est maintenu ce qu'on appelle une pression de charge de 0,50 à 0,54 MPa, de sorte que déconnecter les manchons sans fermer les robinets terminaux est une tâche douteuse, qui peut littéralement vous coûter la tête.

Le réservoir d'air, directement introduit dans les cylindres de frein, est conservé dans un réservoir de réserve (ZR), dont le volume est généralement de 78 litres. La pression dans le réservoir d'air de réserve est exactement la même que dans le circuit de freinage. Mais non, ce n'est pas 0,50 — 0,54 Mpa. En effet, cette pression sera dans le circuit de freinage de la locomotive. Plus on s'éloigne de la locomotive, plus la pression dans le circuit de freinage diminue, car il y a inévitablement des fuites entraînant des pertes d'air. Ainsi, la pression dans le circuit de freinage du dernier wagon du train sera un peu inférieure à la pression chargée.

Cylindre de frein, et la plupart des wagons en possèdent un seul, qui, lorsqu'il est rempli depuis le réservoir d'air de réserve, pousse toutes les plaquettes disponibles sur le wagon contre les roues par l'intermédiaire du mécanisme de freinage. Le volume du cylindre de frein est d'environ 8 litres, donc, lors d'un freinage complet, la pression n'excède pas 0,4 Mpa. La pression dans le réservoir d'air de réserve diminue également à la même valeur.

Le principal « acteur » de ce système est le répartiteur d'air. Cet appareil réagit aux changements de pression dans le circuit de freinage en effectuant une opération dépendant de la direction et de la vitesse de changement de cette pression.

Lorsqu'il y a une baisse de pression dans le circuit de freinage, cela entraîne un freinage. Mais il ne s'agit pas de n'importe quelle baisse de pression — la diminution de pression doit se faire à un certain rythme, appelé rythme de freinage de service. Ce rythme est assuré par la manette du conducteur dans la cabine de la locomotive et varie de 0,01 à 0,04 Mpa par seconde. Si la baisse de pression se fait à un rythme inférieur, le freinage ne se produit pas. C'est fait pour éviter que les freins ne se déclenchent lors de fuites normatives du circuit de freinage, et aussi pour ne pas se déclencher lors de l'élimination de la pression excessive, ce dont nous parlerons plus tard.

Lorsqu'il est activé pour le freinage, le répartiteur d'air effectue un déchargement supplémentaire du circuit de freinage à un rythme de service de 0,05 Mpa. Cela est fait pour assurer une diminution stable de la pression sur toute la longueur du train. Si aucun déchargement supplémentaire n'est effectué, les derniers wagons d'un long train pourraient ne pas freiner du tout. Le déchargement supplémentaire du circuit de freinage est effectué par tout des répartiteurs d'air modernes, y compris ceux pour les passagers.

Lors du freinage, le distributeur d'air déconnecte le réservoir de secours de la ligne de frein et le connecte au cylindre de frein. Le cylindre de frein se remplit. Cela dure exactement le temps que la pression dans la ligne de frein continue de baisser. Lorsque la chute de pression dans la ligne de frein s'arrête, le remplissage du cylindre de frein cesse. Un mode de surpression. La pression qui se crée dans le cylindre de frein dépend de deux facteurs :

1. la profondeur de décharge de la ligne de frein, c'est-à-dire la quantité de chute de pression par rapport au mode de charge
2. de fonctionnement du distributeur d'air.

Le distributeur d'air de fret a trois modes de fonctionnement : chargé (C), moyen (M) et vide (V). Ces modes se distinguent par la pression maximale qui peut être atteinte dans les cylindres de frein. Le changement entre les modes se fait manuellement en tournant un bouton de mode spécial.

Pour résumer, la dépendance de la pression dans le cylindre de frein par rapport à la profondeur de décharge de la ligne de frein avec le distributeur d'air 483 dans différents modes est schématisée comme suit :

Un inconvénient de l'utilisation de l'interrupteur de mode est que l'agent de l'entretien des wagons doit parcourir l'ensemble du train, se glisser sous chaque wagon et régler l'interrupteur de mode à la position souhaitée. Selon les rumeurs provenant de l'exploitation, cela n'est pas toujours fait. Un remplissage excessif des cylindres de frein sur un wagon vide est susceptible de provoquer un glissement, réduisant l'efficacité du freinage et endommageant les essieux. Pour remédier à cette situation sur les wagons de fret, on introduit ce qu'on appelle le mode automatique (MA), qui, en déterminant mécaniquement la masse du wagon, ajuste en douceur la pression maximale dans le cylindre de frein. Si le wagon est équipé de la fonction automatique, l'interrupteur de mode sur le distributeur d'air est positionné sur 'chargé'.

Le freinage se fait généralement par étapes. La pression minimale de décharge du circuit de freinage pour le VR483 sera de 0,06 à 0,08 MPa. Dans ce cas, la pression dans les cylindres de frein est de 0,1 MPa. À ce moment-là, le conducteur place le robinet en position de verrouillage, ce qui permet de maintenir la pression établie après le freinage dans le circuit de freinage. Si l'efficacité du freinage d'une étape est insuffisante, l'étape suivante est effectuée. Dans ce cas, il n'importe plus au répartiteur d'air quel est le rythme de décharge : lors de la baisse de pression, quel que soit le rythme, les cylindres de frein se remplissent proportionnellement à la réduction de pression.

Le relâchement complet des freins (vidange complète des cylindres de frein sur l'ensemble du train) s'effectue par une élévation de la pression dans le circuit de freinage au-dessus de la pression nominale. De plus, sur les trains de marchandises, une surpression significative dans le circuit de freinage est appliquée par rapport à la pression nominale, afin que l'onde de pression atteigne même les derniers wagons. Le relâchement complet des freins sur un train de marchandises est un processus long qui peut durer jusqu'à une minute.

Le VR483 dispose de deux modes de relâchement : le mode plat et le mode montagne. En mode plat, une élévation de la pression dans le circuit de freinage entraîne un relâchement complet et continu. En mode montagne, un relâchement en étapes est possible, ce qui n'implique pas une vidange complète des cylindres de frein. Ce mode est utilisé lors des déplacements sur un profil complexe avec de fortes pentes.

Le répartiteur d'air 483 est un appareil très intéressant. Une analyse détaillée de sa structure et de son fonctionnement serait le sujet d'un grand article séparé. Ici, nous avons examiné les principes généraux de fonctionnement des freins à marchandises.

3. Freins pneumatiques de type passager

Équipement de freinage d'un wagon passager : 1 — tuyau de raccordement ; 2 — valve d'extrémité ; 3, 5 — boîtiers de raccordement de la ligne de frein électropneumatique ; 4 — robinet d'arrêt ; 6 — tube avec câblage du frein électropneumatique ; 7 — suspension isolée du tuyau de raccordement ; 8 — filtre à poussière ; 9 — déviation vers le distributeur d'air ; 10 — robinet de séparation ; 11 — chambre de travail du distributeur électrique d'air ; TM — ligne de frein ; VR — distributeur d'air ; EVR — distributeur électropneumatique d'air ; TC — cylindre de frein ; ZR — réservoir de réserve.

L'équipement est immédiatement frappant par sa quantité, à commencer par le fait qu'il y a trois robinets d'arrêt (un dans chaque compartiment, et un dans le compartiment du conducteur), jusqu'au fait que les wagons passagers domestiques sont équipés à la fois de dispositifs pneumatiques et de frein électropneumatique (ÉPT).

Le lecteur attentif remarquera immédiatement le principal inconvénient du contrôle pneumatique des freins : la vitesse finale de propagation de l'onde de freinage, limitée par la vitesse du son. En pratique, cette vitesse est plus faible, atteignant 280 m/s en freinage normal et 300 m/s en freinage d'urgence. De plus, cette vitesse dépend fortement de la température de l'air ; en hiver, par exemple, elle est inférieure. Par conséquent, l'inévitable compagnon des freins pneumatiques est l'irrégularité de leur fonctionnement à travers la composition.

L'irrégularité de fonctionnement entraîne deux choses : l'apparition de réactions longitudinales significatives dans le train, ainsi qu'une augmentation de la distance de freinage. La première n'est pas si caractéristique des trains de passagers, bien que les contenants de thé et d'autres boissons sautant sur la table dans le compartiment ne réjouissent personne. En revanche, l'augmentation de la distance de freinage est un problème sérieux, surtout dans le transport de passagers.

De plus, le répartiteur d'air passager national — qu'il s'agisse de l'ancien modèle n° 292 ou du nouveau modèle n° 242 (dont le nombre dans le parc de voitures de passagers augmente), ces deux dispositifs sont des héritiers directs de la triple vanne Westinghouse, fonctionnant sur la différence entre deux pressions — dans la conduite de frein et dans le réservoir de secours. La différence avec la triple vanne réside dans la présence d'un mode de coupure, permettant un freinage par paliers ; la possibilité d'une décharge supplémentaire de la conduite de frein lors du freinage ; et la présence dans la conception d'un accélérateur de freinage d'urgence. Ces répartiteurs d'air n'assurent pas un relâchement par paliers — ils effectuent un relâchement complet dès que la pression dans la conduite de frein dépasse celle dans le réservoir de secours, établie là après le freinage. Le relâchement par paliers est très utile lors des freinages de précision pour un arrêt exact à la plateforme de montée.

Les deux problèmes — l'irrégularité de l'activation des freins et l'absence de relâchement par paliers, sur les voies de 1520 mm, se résolvent par l'installation de répartiteurs d'air à commande électrique sur les wagons — répartiteur d'air électrique (RAP), modèle n° 305.

Le PNE national — frein électropneumatique — est à action directe, de fonctionnement non automatique. Dans les trains de passagers avec traction locomotive, le PNE fonctionne selon un schéma à deux fils.

Schéma structurel du PNE à deux fils : 1 — contrôleur de gestion sur la vanne du conducteur ; 2 — batterie ; 3 — convertisseur statique d'alimentation ; 4 — panneau des lampes de contrôle ; 5 — bloc de gestion ; 6 — bornier ; 7 — têtes de raccordement sur les tuyaux ; 8 — suspension isolée ; 9 — valve à semi-conducteurs ; 10 — valve électromagnétique de relâchement ; 11 — valve électromagnétique de frein.

Deux fils se prolongent le long du train : n° 1 et n° 2 sur le schéma. Dans le wagon de queue, ces fils sont électriquement connectés entre eux et par la boucle ainsi formée, un courant alternatif de fréquence 625 Hz est envoyé. Cela permet de contrôler l'intégrité de la ligne de gestion du PNE. En cas de rupture du fil, le circuit de courant alternatif est interrompu, le conducteur reçoit un signal sous la forme de l’extinction de la lampe de contrôle « O » (relâchement) dans la cabine.

La gestion se fait par un courant continu de polarité différente. Dans ce cas, les rails servent de conducteur à potentiel nul. Lorsqu'une tension positive (par rapport aux rails) est appliquée au conducteur EPT, les deux vannes électromagnétiques installées dans le distributeur d'air sont activées : la vanne de relâchement (OV) et la vanne de freinage (TV). La première isole la chambre de travail (RK) du distributeur d'air de l'atmosphère, tandis que la seconde la remplit à partir du réservoir de secours. Ensuite, entre en jeu le relais de pression installé dans l'EVR, qui fonctionne sur la différence de pression entre la chambre de travail et le cylindre de frein. Lorsque la pression dans la RK dépasse la pression dans le TC, l'air est admis dans ce dernier à partir du réservoir de secours, jusqu'à ce que la pression soit celle accumulée dans la chambre de travail.

Lorsqu'une tension négative est appliquée au conducteur, la vanne de freinage se désactive, car le courant vers elle est coupé par un diode. Seule la vanne de relâchement reste active, maintenant la pression dans la chambre de travail. Ainsi, la position de coupure est réalisée.

Lorsque la tension est supprimée, la vanne de relâchement perd son alimentation et ouvre la chambre de travail à l'atmosphère. Lorsque la pression dans la chambre de travail diminue, le relais de pression relâche l'air également des cylindres de frein. Si, après un court relâchement, le robinet du conducteur est de nouveau placé en position de coupure, la chute de pression dans la chambre de travail s'arrête et l'évacuation de l'air des cylindres de frein cesse. Cela permet d'obtenir la possibilité d'un relâchement progressif du frein.

Que se passe-t-il en cas de rupture du câble ? Correct — l'EPT se relâche. Par conséquent, ce frein (sur le matériel roulant national) n'est pas automatique. En cas de défaillance de l'EPT, le conducteur a la possibilité de passer à une commande pneumatique des freins.

L'EPТ se distingue par un remplissage simultané des cylindres de frein et leur vidange à travers le train. Le rythme de remplissage et de vidange est assez élevé — 0,1 MPa par seconde. L'EPТ est un frein non épuisable, car lors de son fonctionnement, le distributeur d'air classique est en mode de relâchement et alimente les réservoirs de secours à partir du circuit de freinage, qui est, à son tour, alimenté par la vanne du conducteur sur la locomotive depuis les réservoirs principaux. Par conséquent, il est possible de freiner avec l'EPТ à n'importe quelle fréquence, nécessaire pour le contrôle opérationnel des freins. La possibilité de relâchement progressif permet de gérer la vitesse du train de manière très précise et fluide.

La gestion pneumatique des freins des trains de passagers ne diffère guère de celle des freins de fret. Il existe une différence dans les méthodes de contrôle, par exemple, le relâchement du frein pneumatique est effectué jusqu'à la pression de charge, sans excessif. En général, une surpression excessive dans le circuit de freinage des trains de passagers peut être problématique, c'est pourquoi, lors d'un relâchement complet, la pression dans le circuit de freinage ne dépasse au maximum que 0,02 MPa par rapport à la pression de charge établie.

La profondeur minimale de décharge du circuit de freinage lors du freinage sur un frein de passager est de 0,04 à 0,05 MPa, créant ainsi une pression de 0,1 à 0,15 MPa dans les cylindres de frein. La pression maximale dans le cylindre de frein d'un wagon de passagers est limitée par le volume du réservoir de secours et ne dépasse généralement pas 0,4 MPa.

Conclusion

Je vais maintenant m'adresser à certains commentateurs qui sont surpris (et, à mon avis, même indignés, mais je ne me permettrais pas d'affirmer) par la complexité du freinage des trains. Dans les commentaires, il est proposé d'appliquer un schéma automobile avec des accumulateurs d'énergie. Certes, depuis un canapé ou un fauteuil de bureau, à travers une fenêtre de navigateur, de nombreux problèmes semblent plus visibles et leurs solutions sont évidentes, mais je me permets de souligner que la plupart des décisions techniques prises dans le monde réel ont des justifications claires.

Comme déjà mentionné, le principal problème du frein pneumatique dans un train est la vitesse finale de propagation de l'onde de freinage à travers un long tuyau (jusqu'à 1,5 km pour un train de 100 wagons) de la conduite de frein. Pour accélérer cette onde de freinage, un déchargeur d'air est nécessaire. Sans déchargeur d'air, il n'y aura pas de décharge supplémentaire. Cela signifie que les freins à accumulateurs d'énergie présenteront des caractéristiques de régularité de fonctionnement nettement inférieures, nous ramenant aux temps de Westinghouse. Un train de marchandises n'est pas un camion, ici les échelles sont différentes, tout comme les principes de gestion des freins. Je suis sûr que ce n'est pas anodin, et la direction de la science des freins dans le monde a suivi ce chemin pour nous mener à ce type de constructions. Point.

Cet article est une sorte de panorama des systèmes de freinage existants sur les matériels roulants modernes. Dans d'autres articles de cette série, je détaillerai chacun d'eux. Nous découvrirons quels dispositifs sont utilisés pour contrôler les freins et comment fonctionnent les déchargeurs d'air. Nous examinerons plus en détail les questions du freinage régénératif et du freinage à résistance. Bien sûr, nous aborderons également les freins des transports à grande vitesse. À bientôt et merci pour votre attention !

P.S. : Amis ! Je tiens à remercier particulièrement pour le grand nombre de messages personnels signalant des erreurs et des fautes de frappe dans l'article. Oui, je suis un pécheur qui ne s'entend pas avec la langue russe et qui se perd sur les touches. J'ai essayé de corriger vos remarques.

Source : habr.com