L'énergie cinétique du Sapsan à vitesse maximale est supérieure à 1500 XNUMX mégajoules. Pour un arrêt complet, il faut que la totalité soit dissipé par les dispositifs de freinage.
C'était un accord ici même sur Habré. De nombreux articles de synthèse sur des sujets ferroviaires sont publiés ici, mais ce sujet n'a pas encore été traité en détail. Je pense qu'il serait très intéressant d'écrire un article à ce sujet, et peut-être plusieurs. C'est pourquoi je demande le chat de ceux qui s'intéressent à la façon dont les systèmes de freinage du transport ferroviaire sont conçus et pour quelles raisons ils sont conçus de cette façon.
1. L'histoire de l'aérofrein
La tâche de contrôler tout véhicule comprend la régulation de sa vitesse. Le transport ferroviaire ne fait pas exception et ses caractéristiques de conception introduisent des nuances importantes dans ce processus. Le train se compose d'un grand nombre de wagons interconnectés et le système résultant a une longueur et un poids importants à une vitesse très décente.
A-prieuré, Les freins sont un ensemble de dispositifs conçus pour créer des forces de résistance artificielles et réglables utilisées pour réduire de manière contrôlable la vitesse d'un véhicule.
La manière la plus évidente, à première vue, de créer une force de freinage est d’utiliser la friction. Depuis le début jusqu'à aujourd'hui, les freins à friction des sabots ont été utilisés. Dispositifs spéciaux - les plaquettes de frein, constituées d'un matériau à coefficient de frottement élevé, sont mécaniquement pressées contre la surface de roulement de la roue (ou contre des disques spéciaux montés sur l'essieu de l'essieu). Une force de frottement apparaît entre les plaquettes et la roue, créant un couple de freinage.
La force de freinage est ajustée en modifiant la force de pression des plaquettes contre la roue - pression de freinage. La seule question est de savoir quel entraînement est utilisé pour appuyer sur les plaquettes et, en partie, l'histoire des freins est l'histoire du développement de cet entraînement.
Les premiers freins ferroviaires étaient mécaniques et actionnés manuellement, séparément sur chaque wagon par des personnes spéciales - freineurs ou conducteurs. Les conducteurs étaient situés sur les plates-formes de freinage dont chaque wagon était équipé et ils freinaient au signal du conducteur de la locomotive. L'échange de signaux entre le conducteur et les conducteurs s'effectuait à l'aide d'une corde de signalisation spéciale tendue tout au long du train, qui activait un sifflet spécial.
Wagon de fret vintage à deux essieux avec plaquette de frein. Bouton de frein à main visible
Le frein à entraînement mécanique lui-même a peu de puissance. L'ampleur de la pression de freinage dépendait de la force et de la dextérité du conducteur. De plus, le facteur humain a interféré avec le fonctionnement d'un tel système de freinage - les conducteurs n'accomplissaient pas toujours correctement leurs tâches. Il n'était pas nécessaire de parler de la grande efficacité de tels freins, ainsi que de l'augmentation de la vitesse des trains qui en étaient équipés.
Le développement ultérieur des freins nécessitait, d’une part, une augmentation de la pression de freinage, et d’autre part, la possibilité de contrôler à distance toutes les voitures depuis le poste de conduite.
L'entraînement hydraulique utilisé dans les freins automobiles s'est répandu car il fournit une haute pression avec des actionneurs compacts. Cependant, lors de l'utilisation d'un tel système dans un train, son principal inconvénient apparaîtra : la nécessité d'un fluide de travail spécial - le liquide de frein, dont les fuites sont inacceptables. La grande longueur des conduites hydrauliques de freinage d'un train, ainsi que les exigences élevées en matière d'étanchéité, rendent impossible et irrationnelle la création d'un frein ferroviaire hydraulique.
Une autre chose est l'entraînement pneumatique. L'utilisation d'air haute pression permet d'obtenir des pressions de freinage élevées avec des dimensions acceptables des actionneurs - cylindres de frein. Le liquide de travail ne manque pas - l'air est tout autour de nous, et même s'il y a une fuite de liquide de travail du système de freinage (et c'est certainement le cas), il peut être reconstitué relativement facilement.
Le système de freinage le plus simple utilisant l'énergie de l'air comprimé est frein non automatique à action directe
Schéma d'un frein non automatique à action directe : 1 - compresseur ; 2 - réservoir principal ; 3 - conduite d'alimentation ; 4 — grue du train de conduite; 5 - conduite de frein ; 6 — cylindre de frein; 7 — ressort de dégagement; 8, 9 — transmission de frein mécanique ; 10 - plaquette de frein.
Pour faire fonctionner un tel frein, il faut une alimentation en air comprimé, stockée sur la locomotive dans un réservoir spécial appelé réservoir principal (2). L'injection d'air dans le réservoir principal et le maintien d'une pression constante dans celui-ci sont effectués compresseur (1), entraîné par la centrale électrique de la locomotive. L'air comprimé est fourni aux dispositifs de commande de frein via une canalisation spéciale appelée nutritionnel (NM) ou pression autoroute (3).
Les freins des wagons sont contrôlés et de l'air comprimé leur est fourni via une longue canalisation traversant tout le train et appelée conduite de frein (TM) (5). Lorsque l'air comprimé est fourni à travers le TM, il remplit cylindres de frein (TC) (6) connecté directement au TM. L'air comprimé appuie sur le piston, pressant les plaquettes de frein 10 contre les roues, aussi bien sur la locomotive que sur les wagons. Le freinage se produit.
Pour arrêter de freiner, c'est vacances freins, il est nécessaire d'évacuer l'air de la conduite de frein dans l'atmosphère, ce qui entraînera le retour des mécanismes de freinage à leur position d'origine grâce à la force des ressorts de déclenchement installés dans le TC.
Pour freiner, il est nécessaire de relier la conduite de frein (TM) à la conduite d'alimentation (PM). Pour les vacances, connectez la conduite de frein à l'atmosphère. Ces fonctions sont assurées par un appareil spécial - grue du train du conducteur (4) - lors du freinage, il relie le PM et le PM, lorsqu'il est relâché, il déconnecte ces canalisations, libérant simultanément l'air du PM dans l'atmosphère.
Dans un tel système, il existe une troisième position intermédiaire de la grue du conducteur - refaire la toiture lorsque le PM et le TM sont séparés, mais que le rejet d’air du TM dans l’atmosphère ne se produit pas, la grue du conducteur l’isole complètement. La pression accumulée dans le TM et le TC est maintenue et le temps pendant lequel elle est maintenue au niveau défini est déterminé par la quantité de fuite d'air à travers diverses fuites, ainsi que par la résistance thermique des plaquettes de frein, qui s'échauffent lors du frottement contre les pneus des roues. Le placer au plafond aussi bien lors du freinage que lors du relâchement permet d'ajuster la force de freinage par étapes. Ce type de frein permet à la fois un freinage progressif et un relâchement progressif.
Malgré la simplicité d'un tel système de freinage, il présente un défaut fatal : lorsque le train est désaccouplé, la conduite de frein se rompt, de l'air s'en échappe et le train se retrouve sans freins. C'est pour cette raison qu'un tel frein ne peut pas être utilisé dans le transport ferroviaire, le coût de sa défaillance étant trop élevé. Même sans rupture de train, s’il y a une fuite d’air importante, l’efficacité des freins sera réduite.
Sur la base de ce qui précède, il est nécessaire que le freinage du train soit déclenché non pas par une augmentation, mais par une diminution de la pression dans le TM. Mais comment alors remplir les cylindres de frein ? Cela donne naissance à la deuxième exigence : chaque unité en mouvement du train doit stocker une réserve d'air comprimé, qui doit être rapidement réapprovisionnée après chaque freinage.
La pensée technique de la fin du XIXe siècle est parvenue à des conclusions similaires, qui ont abouti à la création du premier frein ferroviaire automatique par George Westinghouse en 1872.
Dispositif de freinage Westinghouse : 1 - compresseur ; 2 - réservoir principal ; 3 - conduite d'alimentation ; 4 — grue du train de conduite; 5 - conduite de frein ; 6 — distributeur d'air (triple vanne) du système Westinghouse ; 7 — cylindre de frein; 8 — réservoir de rechange ; 9 - vanne d'arrêt.
La figure montre la structure de ce frein (Figure a - fonctionnement du frein lors du desserrage ; b - fonctionnement du frein lors du freinage). L'élément principal du frein Westigauze était répartiteur d'air de frein ou, comme on l'appelle parfois, vanne triple. Ce distributeur d'air (6) possède un organe sensible - un piston qui agit sur la différence entre deux pressions - dans la conduite de frein (TM) et le réservoir de réserve (R). Si la pression dans le TM devient inférieure à celle dans le TC, alors le piston se déplace vers la gauche, ouvrant la voie à l'air du CM vers le TC. Si la pression dans le TM devient supérieure à la pression dans le SZ, le piston se déplace vers la droite, faisant communiquer le TC avec l'atmosphère, et en même temps faisant communiquer le TM et le SZ, assurant que ce dernier soit rempli d'air comprimé de la MT.
Ainsi, si la pression dans le TM diminue pour une raison quelconque, qu'il s'agisse des actions du conducteur, d'une fuite d'air excessive du TM ou d'une rupture de train, les freins fonctionneront. Autrement dit, ces freins ont action automatique. Cette propriété du frein a permis d'ajouter une autre possibilité de contrôle des freins du train, qui est encore utilisée aujourd'hui sur les trains de voyageurs - un arrêt d'urgence du train par un voyageur en communiquant la conduite de frein avec l'atmosphère via une vanne spéciale - arrêt d'urgence (9).
Pour ceux qui connaissent cette caractéristique du système de freinage du train, il est amusant de regarder des films où des voleurs-cowboys décrochent d'un train un wagon rempli d'or. Pour que cela soit possible, les cowboys doivent, avant de se désaccoupler, fermer les vannes d'extrémité de la conduite de frein qui séparent la conduite de frein des flexibles de raccordement entre les voitures. Mais ils ne le font jamais. D'autre part, les vannes fermées ont plus d'une fois provoqué de terribles catastrophes liées à une défaillance des freins, tant ici (Kamensk en 1987, Eral-Simskaya en 2011) qu'à l'étranger.
Du fait que le remplissage des cylindres de frein s'effectue à partir d'une source secondaire d'air comprimé (réservoir de rechange), sans possibilité de réapprovisionnement constant, un tel frein est appelé agissant indirectement. La charge du frein avec de l'air comprimé se produit uniquement lorsque le frein est desserré, ce qui conduit au fait qu'avec un freinage fréquent suivi d'un desserrage, si le temps après le desserrage est insuffisant, le frein n'aura pas le temps de se charger à la pression requise. Cela peut entraîner un épuisement complet 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 la conduite de frein, comme toute perturbation, se propage dans l'air à une vitesse élevée, mais toujours finie - pas plus de 340 m/s. Pourquoi pas plus ? Parce que la vitesse du son est idéale. Mais dans le système pneumatique du train, il existe un certain nombre d'obstacles qui réduisent la vitesse de propagation de la chute de pression associée à la résistance au flux d'air. Par conséquent, à moins que des mesures spéciales ne soient prises, le taux de réduction de pression dans le TM sera d'autant plus faible que le wagon sera éloigné de la locomotive. Dans le cas du frein Westinghouse, la vitesse de ce que l'on appelle vague de freinage ne dépasse pas 180 - 200 m/s.
Cependant, l'avènement du frein pneumatique a permis d'augmenter à la fois la puissance des freins et l'efficacité de leur contrôle directement depuis le poste de travail du conducteur, ce qui a donné une impulsion puissante au développement du transport ferroviaire, augmentant la vitesse et le poids des trains, et par conséquent, une augmentation colossale du chiffre d'affaires du fret sur le chemin de fer, l'augmentation de la longueur des lignes ferroviaires dans le monde.
George Westinghouse n’était pas seulement un inventeur, mais aussi un homme d’affaires entreprenant. Il a breveté son invention en 1869, ce qui lui a permis de lancer la production en série d'équipements de freinage. Assez rapidement, le frein Westinghouse s'est répandu aux États-Unis, en Europe occidentale et dans l'Empire russe.
En Russie, le frein de Westinghouse a régné en maître jusqu’à la Révolution d’Octobre, et pendant assez longtemps après. La société Westinghouse a construit sa propre usine de freins à Saint-Pétersbourg et a également évincé ses concurrents du marché russe. Cependant, le frein Westinghouse présentait un certain nombre d'inconvénients fondamentaux.
Premièrement, ce frein n'offrait que deux modes de fonctionnement : freinage jusqu'à ce que les cylindres de frein soient complètement remplis, et vacances — vidanger les cylindres de frein. Il était impossible de créer une pression de freinage intermédiaire lors de son entretien à long terme, c'est-à-dire que le frein Westinghouse n'avait pas de mode refaire la toiture. Cela ne permettait pas un contrôle précis de la vitesse du train.
Deuxièmement, le frein Westinghouse ne fonctionnait pas bien sur les trains longs et, même si cela pouvait être toléré dans le trafic de passagers, des problèmes sont survenus dans le trafic de marchandises. Vous vous souvenez de la vague de freinage ? Ainsi, le frein Westinghouse n'avait pas les moyens d'augmenter sa vitesse, et dans un train long, la diminution de pression dans le liquide de frein du dernier wagon pouvait commencer trop tard, et à un rythme nettement inférieur à celui de la tête du wagon. train, ce qui a créé un fonctionnement inégal des dispositifs de freinage dans tout le train.
Il faut dire que toutes les activités de la société Westinghouse, tant en Russie à cette époque que dans le monde, sont profondément imprégnées du parfum capitaliste des guerres de brevets et de la concurrence déloyale. C’est ce qui a assuré à un système aussi imparfait une si longue vie, du moins à cette période historique.
Avec tout cela, il faut reconnaître que le frein Westinghouse a jeté les bases de la science du freinage et que le principe de son fonctionnement est resté inchangé dans les freins du matériel roulant moderne.
2. Du frein Westinghouse au frein Matrosov - la formation de la science nationale du freinage.
Presque immédiatement après l'apparition du frein Westinghouse et la prise de conscience de ses défauts, des tentatives ont été faites pour améliorer ce système ou pour en créer un autre, fondamentalement nouveau. Notre pays ne fait pas exception. Au début du XXe siècle, la Russie disposait d'un réseau ferroviaire développé, qui jouait un rôle important en assurant le développement économique et la capacité de défense du pays. L'augmentation de l'efficacité du transport est associée à une augmentation de la vitesse de son mouvement et de la masse des marchandises transportées simultanément, ce qui signifie que les questions d'amélioration des systèmes de freinage ont été soulevées de toute urgence.
Un élan important pour le développement de la science du freinage en RSFSR et plus tard en URSS fut la diminution de l'influence des grands capitaux occidentaux, en particulier de la société Westinghouse, sur le développement de l'industrie ferroviaire nationale après octobre 1917.
F.P. Kazantsev (à gauche) et I.K. Marins (à droite) - créateurs du frein ferroviaire national
Le premier signe, la première réalisation sérieuse de la jeune science nationale du freinage, a été le développement de l'ingénieur Florenty Pimenovich Kazantsev. En 1921, Kazantsev proposa un système frein automatique à action directe. Le diagramme ci-dessous décrit toutes les idées principales introduites non seulement par Kazantsev, et son objectif est d'expliquer les principes de base de fonctionnement du frein automatique amélioré.
Frein automatique à action directe : 1 - compresseur ; 2 - réservoir principal ; 3 - conduite d'alimentation ; 4 — grue du train de conduite; 5 — dispositif d'alimentation en fuite des conduites de frein ; 6 — conduite de frein; 7 — raccordement des flexibles de frein ; 8 - vanne d'extrémité ; 9 - vanne d'arrêt ; 10 - clapet anti-retour ; 11 — réservoir de rechange ; 12 — distributeur d'air ; 13 — cylindre de frein; 14 — transmission du levier de frein.
Ainsi, la première idée principale est que la pression dans le TM est contrôlée indirectement - via une diminution/augmentation de la pression dans un réservoir spécial appelé réservoir tampon (UR). Il est représenté sur la figure à droite du robinet conducteur (4) et au-dessus du dispositif d'alimentation électrique pour les fuites du TM (5). La densité de ce réservoir est techniquement beaucoup plus facile à garantir que la densité de la conduite de frein - un tuyau atteignant plusieurs 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 du dispositif (5), lorsque la pression dans le TM diminue, ouvre la vanne qui remplit le TM depuis la conduite d'alimentation, maintenant ainsi une pression dans le TM égale à la pression dans l'UR. Cette idée avait encore un long chemin à parcourir dans le développement, mais désormais la pression dans le TM ne dépendait plus de la présence de fuites externes (dans certaines limites). L'appareil 5 a migré vers la grue de l'opérateur et y reste, sous une forme modifiée, jusqu'à ce jour.
Une autre idée importante qui sous-tend la conception de ce type de frein est l'alimentation électrique du liquide de frein à travers le clapet anti-retour 10. Lorsque la pression dans la valve de frein dépasse la pression dans la valve de frein, cette valve s'ouvre, remplissant la valve du frein. fluide. De cette façon, les fuites sont continuellement comblées à partir du réservoir de réserve et le frein ne s'épuise pas.
La troisième idée importante proposée par Kazantsev est la conception d'un distributeur d'air qui fonctionne sur la différence non pas de deux pressions, mais de trois : la pression dans la conduite de frein, la pression dans le cylindre de frein et la pression dans une chambre de travail spéciale (WC). qui, lors du desserrage, est alimenté par la pression de la conduite de frein, ainsi que par un réservoir de rechange. En mode freinage, la pression de suralimentation est déconnectée du réservoir de réserve et de la conduite de frein, maintenant la valeur de la pression de suralimentation initiale. Cette propriété est largement utilisée dans les freins du matériel roulant à la fois pour assurer un desserrage progressif et pour contrôler l'uniformité du remplissage du TC le long du train dans les trains de marchandises, puisque la chambre de travail sert de norme pour la pression de charge initiale. En fonction de sa valeur, il est possible de prévoir une libération progressive et d'organiser un remplissage plus précoce des centres commerciaux dans les wagons arrière. Je laisserai une description détaillée de ces choses pour d'autres articles sur ce sujet, mais pour l'instant je dirai simplement que les travaux de Kazantsev ont servi d'incitation au développement d'une école scientifique dans notre pays, ce qui a conduit au développement de systèmes de freinage du matériel roulant.
Un autre inventeur soviétique qui a radicalement influencé le développement des freins du matériel roulant national était Ivan Konstantinovich Matrosov. Ses idées n'étaient pas fondamentalement différentes de celles de Kazantsev, cependant, les tests opérationnels ultérieurs des systèmes de freinage Kazantsev et Matrosov (ainsi que d'autres systèmes de freinage) ont montré la supériorité significative du deuxième système en termes de caractéristiques de performance lorsqu'il est utilisé principalement sur les trains de marchandises. Ainsi, le frein Matrosov avec distributeur d'air est conditionnel. Le numéro 320 est devenu la base pour le développement et la conception ultérieurs d'équipements de freinage pour les chemins de fer à écartement de 1520 XNUMX mm. Un 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 absorbé, au stade initial de son développement, les idées et les solutions de conception d'Ivan Konstantinovich.
Au lieu d'une 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 évoqué l'histoire du développement des freins pour le matériel roulant. Dans ce qui suit, nous entrerons dans des détails juteux, abordant non seulement le frein national, mais également les développements de collègues d'Europe occidentale, en soulignant la conception des freins de divers types et types de service de matériel roulant. Voilà, j'espère que le sujet sera intéressant, et à bientôt sur le hub !
Merci pour votre attention!
Source: habr.com