Kinetička energija „Sapsan“ pri maksimalnoj brzini je preko 1500 megadžoula. Da bi se potpuno zaustavio, sva ta energija mora se raspršiti na kočionim sustavima.
Bilo je to, upravo ovdje, na Habr-u. Objavljuje se prilično mnogo preglednih članaka o željezničkoj tematici, no ova tema još nije detaljno obrađena. Mislim da bi bilo prilično zanimljivo napisati o tome članak, a možda i više od jednog. Stoga molim ljude koji su zainteresirani kako su kočioni sustavi željezničkog prijevoza konstruirani i zašto su upravo takvi.
1. Historia pojave pneumatske kočnice
Zadatak upravljanja bilo kojim prijevozom uključuje regulaciju brzine njegovog kretanja. Željeznički prijevoz nije iznimka, a više od toga, njegove konstruktivne osobitosti unose značajne nijanse u taj proces. Voz se sastoji od velikog broja međusobno povezanih vagona, a tako nastali sustav ima značajnu dužinu i masu pri vrlo pristojnoj brzini kretanja.
Prema definiciji, kočnice su kompleks uređaja namijenjenih stvaranju umjetnih, reguliranih sila otpora koje se koriste za kontrolirano smanjenje brzine kretanja transportnog sredstva.
Najočigledniji, neposredan način stvaranja kočionog napora je korištenje sile trenja. Od samog početka i do danas koristi se oblogasti frikcijski kočnica. Posebni uređaji — kočione obloge, izrađene od materijala s visokim koeficijentom trenja, mehanički se pritisnu na površinu kotača (ili na posebne diskove postavljene na osovinu kotačne parice). Između obloga i kotača nastaje sila trenja koja stvara kočioni moment.
Regulacija kočionog napora vrši se putem promjene sile pritiska obloga na kotač — kočioni pritisak. Pitanje je samo koja mehanizacija se koristi za pritisak obloga, a povijest kočnica, donekle, je povijest razvoja te mehanizacije.
Prvi željeznički kočnice bile su mehaničke i aktivirane ručno, odvojeno na svakoj Vagonu posebnim osobama — kočničarima ili kondukterima. Kondukteri su se nalazili na takozvanim kočničkim platformama, koje su bile opremljene svakim vagon, i aktivirali su kočnice na znak vozača lokomotive. Razmjena signala između vozača i konduktera vršila se pomoću posebne signalne konopce, koja je bila postavljena duž cijelog voza, aktivirajući posebnu zviždaljku.
Stari dvostruki teretni vagon s kočničkom platformom. Vidljiv je prekidač ručne kočnice.
Sam kočnica s mehaničkim pogonom ima nisku snagu. Količina kočionog pritiska ovisila je o snazi i vještini konduktera. Osim toga, u rad takvog sustava kočenja umiješao se ljudski faktor — kondukteri nisu uvijek ispravno obavljali svoje dužnosti. O visokoj učinkovitosti takvih kočnica, kao i o povećanju brzine kretanja vlakova opremljenih njima, nije se moglo govoriti.
Daljnji razvoj kočnica zahtijevao je, s jedne strane, povećanje kočionog pritiska, a s druge strane — osiguranje mogućnosti daljinskog upravljanja njima sa radnog mjesta vozača.
Hidraulički pogon, primijenjen u automobilskim kočnicama, stekao je široku primjenu jer osigurava visoki pritisak uz kompaktnost izvršnih uređaja. Međutim, primjenom takvog sustava u vlaku iskaže se njen osnovni nedostatak: potreba za posebnim radnim medijem — kočionom tekućinom, čije curenje je nedopustivo. Velika dužina hidrauličnih kočionih cijevi u vlaku, zajedno s visokim zahtjevima za njihovom hermetičnošću, čini nemogućim i nerazumnim stvaranje hidraulične željezničke kočnice.
S druge strane, pneumatski pogon. Korištenje zraka pod visokim pritiskom omogućava postizanje visokih kočionih pritisaka uz prihvatljive dimenzije izvršnih uređaja — kočionih cilindara. Nema nedostatka u radnom mediju — zrak je oko nas, i čak i ako dođe do curenja radnog medija iz kočionog sustava (a to neizbježno dolazi), relativno ga je lako nadoknaditi.
Najjednostavniji sustav kočenja koji koristi energiju komprimiranog zraka je direktno djelujuće neautomatsko kočenje
Shema direktno djelujućeg neautomatskog kočenja: 1 — kompresor; 2 — glavni rezervoar; 3 — hranidbena cijev; 4 — vozački ventil; 5 — kočiona cijev; 6 — kočioni cilindar; 7 — opruga za otpuštanje; 8, 9 — mehanički prijenos kočenja; 10 — kočiona obloga.
Za rad takvog kočenja potreban je rezerva komprimiranog zraka, pohranjena u lokomotivi u posebnom rezervoaru koji se naziva glavni rezervoar (2). Nadzor zraka u glavni rezervoar i održavanje stalnog tlaka izvršava kompresor (1), koji se pokreće iz energetskog sustava lokomotive. Opskrbu komprimiranog zraka uređajima za upravljanje kočenjem vrši posebna cijev, koja se naziva hranidbena (PM) ili pritisna cijev (3).
Upravljanje kočnicama vagona i opskrba njima komprimiranim zrakom vrši se putem duge cijevi koja prolazi kroz cijeli vlak i naziva se kočiona cijev (TM) (5). Kada se komprimirani zrak ispusti kroz TM, on puni kočione cilindre (TC) (6) povezane izravno s TM. Komprimirani zrak pritisne na klip, pritisnuvši kočione obloge 10 na kotače, kako na lokomotivi, tako i na vagonima. Dolazi do kočenja.
Za prekid kočenja, tj. otpuštanje kočnica, potrebno je ispustiti zrak iz kočne cijevi u atmosferu, što će uzrokovati povratak kočnih mehanizama u prvobitni položaj zahvaljujući naporu opruga za otpuštanje, postavljenih u TC.
Za kočenje potrebno je povezati kočnu cijev (TM) s hranidbenom (PM). Za otpuštanje — povezati kočnu cijev s atmosferom. Ove funkcije izvršava posebni uređaj — vozački ventil (4) — prilikom kočenja povezuje PM i TM, a prilikom otpuštanja prekida te cijevi, istovremeno ispuštajući zrak iz TM u atmosferu.
U takvom sustavu postoji i treći, međufazni položaj ventila vozača — zatvarač Kada su PM i TM razdvojeni, ali ni ispuštanje zraka iz TM u atmosferu ne nastaje — ventil vozača potpuno ju izolira. Pritisak u TM i TC se održava, a vrijeme održavanja na utvrđenoj razini određuje veličina curenja zraka kroz različite nepropusnosti, kao i termalna otpornost kočionih obloga, koje se zagrijavaju trenjem o obruče kotača. Postavljanje u preklapanje, kako pri kočenju tako i pri otpuštanju, omogućuje regulaciju kočnog napora u stepenima. Ovakav kočioni sustav osigurava kako stepenasto kočenje, tako i stepenasti otpuštanje.
Unatoč svojoj jednostavnosti, ovaj sustav kočnica ima fatalni nedostatak — prilikom razdvajanja vlaka dolazi do pucanja kočne magistrale, zrak izlazi iz nje i vlak ostaje bez kočnica. Upravo iz tog razloga, ovakva kočnica ne može se primijeniti na željezničkom transportu; cijena njenog neuspjeha je prevelika. Čak i bez razdvajanja vlaka, u prisustvu velikog curenja zraka, efikasnost kočnice će se smanjiti.
Polazeći od navedenog, postavlja se zahtjev da kočenje vlaka bude inicirano ne povećanjem, već smanjenjem pritiska u TM. Ali kako se tada napune kočne cilindre? Ovo postavlja drugi zahtjev — na svakoj pokretnoj jedinici u vlaku treba čuvati rezervoar komprimiranog zraka, koji je potrebno brzo dopunjavati nakon svakog kočenja.
Sličnim su zaključcima došli inženjeri krajem XIX stoljeća, što se izrazilo u stvaranju prvih automatskih željezničkih kočnica od strane Georgea Westinghousea 1872. godine.
Uređaj kočnice Westinghouse: 1 — kompresor; 2 — glavni rezervoar; 3 — hranilna magistrala; 4 — vozačev ventil; 5 — kočna magistrala; 6 — uređaj za distribuciju zraka (trokutni ventil) Westinghouseovog sustava; 7 — kočni cilindar; 8 — rezervni rezervoar; 9 — zaustavni ventil.
Na slici je prikazan uređaj ove kočnice (slika a — rad kočnice pri otpuštanju; b — rad kočnice pri kočenju). Glavni element kočnice Westinghouse postao je distribucijski ventil za zrak ili, kako ga još ponekad nazivaju, trokutni ventil. Ovaj uređaj za raspodjelu zraka (6) ima osjetljivi organ — klip, koji radi na osnovu razlike dviju pritisaka — u kočionoj magistrali (KM) i rezervnom rezervoaru (RR). Ako pritisak u KM postane manji nego u RR, klip se pomiče ulijevo, otvarajući put zraku iz RR u TČ. Ako pritisak u KM postane veći od pritiska u RR — klip se pomiče udesno, povezujući TČ s atmosferom i istovremeno povezujući KM i RR, omogućujući punjenje potonjeg komprimiranom zrakom iz KM.
Dakle, kada pritisak u KM padne iz bilo kojeg razloga, bilo da se radi o radnji vozača, prekomjernom curenju zraka iz KM ili rupture vlaka — kočnice će se aktivirati. To jest, takve kočnice imaju automatsku funkciju. Ova osobina kočnice omogućila je dodavanje još jedne mogućnosti upravljanja kočnicama vlaka, koja se koristi na putničkim vlakovima i danas — hitno zaustavljanje vlaka od strane putnika, putem povezivanja kočione magistrale s atmosferom preko posebnog ventila — kočioni ventil (9).
. Tim je onima koji su upoznati s ovom posebnom karakteristikom kočionog sustava vlaka smiješno gledati filmove gdje odmetnici-kovboji lako otkvače vlak s zlatnim teretom. Da bi nešto slično bilo moguće, kovboji moraju, prije otkvačenja, zatvoriti krajnje ventile na kočionoj magistrali, koji razdvajaju kočionu magistralu od priključnih crijeva između vagona. No, oni to nikada ne rade. S druge strane, zatvoreni krajnji ventili su više puta bili uzrok strašnih katastrofa povezanih s otkazivanjem kočnice, kako kod nas (Kamenks 1987. godine, Jeral-Simska 2011.), tako i u inozemstvu.
Zbog toga što se punjenje kočionih cilindara događa iz sekundarnog izvora komprimiranog zraka (rezervnog rezervoara), bez mogućnosti njegovog stalnog dopunjavanja, ova kočnica se naziva indirektnom. Punjenje RR komprimiranom zrakom događa se samo prilikom otpuštanja kočnice, što dovodi do toga da pri čestim kočenjima uz naknadno otpuštanje, pri nedovoljnom vremenskom odgađanju nakon otpuštanja, RR ne postigne napuniti na potrebno pritisak. To može dovesti do potpunog istrošenja kočnice i gubitka kontrole nad kočnicama vlaka.
Pneumatska kočnica ima i drugi nedostatak, koji se odnosi na to da se pad pritiska u kočionom sustavu, kao i svako uzrujanje, u zraku širi velikom, ali ipak konačnom brzinom — ne većom od 340 m/s. Zašto ne više? Zato što je brzina zvuka idealna opcija. Međutim, u pneumatskom sustavu vlaka postoje brojne prepreke koje smanjuju brzinu širenja skoka smanjenja pritiska, povezane s otporom protoku zraka. Stoga, ako se ne poduzmu posebne mjere, brzina smanjenja pritiska u TM bit će manja što je vlak dalje od lokomotive. U slučaju Westinghouseove kočnice brzina takozvane kočione valne ne prelazi 180 — 200 m/s.
Ipak, pojava pneumatske kočnice omogućila je povećanje kako snage kočnica, tako i operativnosti upravljanja njima direktno s radnog mjesta inženjera. To je postalo snažan poticaj razvoju željezničkog prijevoza, povećanju brzine kretanja i težine vlakova, a kao posljedica toga, kolosalnom povećanju teretnog prometa na željeznici, te rastu duljine željezničkih pruga širom svijeta.
George Westinghouse bio je ne samo izumitelj, već i domišljati poduzetnik. Svoj izum patentirao je još 1869. godine, što mu je omogućilo da pokrene masovnu proizvodnju kočionog uređaja. Relativno brzo, Westinghouseova kočnica stekla je široku primjenu u SAD-u, Zapadnoj Europi i u Ruskom Carstvu.
U Rusiji je Westinghouseova kočnica bezizražajno vladala do Oktobarske revolucije, a i prilično dugo nakon nje. Tvrtka „Westinghouse“ izgradila je svoju kočionu tvornicu u Peterburgu, a također je vješto istisnula konkurente s ruskog tržišta. Međutim, Westinghouseova kočnica imala je nekoliko principijelnih nedostataka.
Prvo, ova kočnica pružala je samo dva režima rada: kočenje do potpunog punjenja kočionih cilindara, i otpuštanje — pražnjenje kočionih cilindara. Stvaranje međuvrednosti kočionog pritiska s njegovim dugotrajnim održavanjem bilo je nemoguće, to jest, Westinghouseova kočnica nije imala režim preklapanja. To nije omogućilo precizno upravljanje brzinom vlaka.
Drugo, Westinghousov kočioni uređaj nije dobro funkcionirao u dugim vlakovima, i dok se u putničkom prometu moglo nekako tolerirati, u teretnom su se pojavili problemi. Sjećate se kočione valne? Pa, Westinghousov kočioni uređaj nije imao sredstva za povećanje njezine brzine, a smanjenje tlaka u TМ na posljednjem vagonu moglo je započeti prekasno, i to brzinom koja je bila znatno niža nego u prednjem dijelu vlaka, što je stvaralo veliku nejednakost u radu kočionih uređaja po cijelom sastavu.
Treba reći da je cijela djelatnost kompanije "Westinghouse", kako u Rusiji tog vremena, tako i u cijelom svijetu, prožeta kapitalističkim mirisom ratova s patentima i nespoštene konkurencije. To je osiguralo tako nesavršenoj sustavu tako dug život, barem u tom povijesnom razdoblju.
U svemu tome treba priznati — Westinghousova kočnica postavila je temelje znanosti kočenja, a princip njenog djelovanja ostao je nepromijenjen u modernim kočnicama željezničkih vozila.
2. Od Westinghousove kočnice do Matrosove kočnice — razvoj domaće znanosti kočenja.
Praktički odmah nakon pojavljivanja Westinghousove kočnice i razumijevanja njenih nedostataka, pojavili su se pokušaji poboljšanja ovog sustava ili stvaranja drugog, načelno novog. Naša zemlja nije bila iznimka. Na početku 20. stoljeća Rusija je imala razvijenu mrežu željeznica koja je igrala značajnu ulogu u osiguravanju ekonomskog razvoja i obrambene sposobnosti zemlje. Povećanje učinkovitosti prometa povezano je s povećanjem brzine njegovog kretanja i mase tereta koji se istovremeno prevozi, stoga su se hitno postavljala pitanja poboljšanja kočionih sustava.
Značajan poticaj razvoju znanosti kočenja u RSFSR-u, a kasnije i u SSSR-u, bila je smanjenje utjecaja velikog zapadnog kapitala, posebno firme "Westinghouse", na razvoj domaće željezničke industrije nakon listopada 1917. godine.
F.P. Kazancev (lijevo) i I.K. Matrosov (desno) — tvorci domaće željezničke kočnice.
Prva lastavica, prvo ozbiljno postignuće mlade domaće znanosti kočenja, bile su inovacije inženjera Florentija Pimenoviča Kazanceva. Godine 1921. Kazancev je predložio sustav. izravno djelujuća automatska kočnica. U nastavku je prikazana shema koja opisuje sve osnovne ideje, ne samo Kazanceva, a njezin je zadatak objasniti osnovne principe rada unaprijeđene automatske kočnice
Izravno djelujuća automatska kočnica: 1 — kompresor; 2 — glavni rezervoar; 3 — hranidbena cijev; 4 — vlakarski ventil; 5 — uređaj za napajanje curenja kočione cijevi; 6 — kočiona cijev; 7 — spojne kočne cijevi; 8 — završni ventil; 9 — stop ventil; 10 — povratni ventil; 11 — rezervni rezervoar; 12 — razdjelnik zraka; 13 — kočioni cilindar; 14 — kočiona poluga.
Dakle, prva osnovna ideja je da se upravljanje pritiskom u TK provodi posredno — kroz smanjenje/povećanje pritiska u posebnom rezervoaru, koji se naziva izjednačavajući rezervoar (IZR). On je prikazan na slici desno od vlakarskog ventila (4) i iznad uređaja za napajanje curenja iz TK (5). Osigurati gustoću ovog rezervoara tehnički je mnogo lakše nego gustoću kočione cijevi — cijevi čija duljina dostiže kilometarske razmjere i prolazi kroz cijeli vlak. Relativna stabilnost pritiska u IZR omogućuje održavanje pritiska u TK, koristeći pritisak u IZR kao referentni. A zaista, klip u uređaju (5) pri smanjenju pritiska u TK spušta se dolje, otvarajući ventil, koji puni TK iz hranidbene cijevi, održavajući time pritisak u TK jednak pritisku u IZR. Ova ideja je trebala proći dug put razvoja, ali sada pritisak u TK nije ovisio o prisutnosti vanjskih curenja iz nje (do poznatih granica). Uređaj 5 je prešao u vlakarski ventil i ostaje u njemu, u modificiranom obliku, do danas.
Druga važna ideja koja leži u temelju konstrukcije ovog tipa kočnice je napajanje ZR iz TK kroz povratni ventil 10. Kada pritisak u TK premašuje pritisak u ZR, ovaj ventil se otvara, punivši ZR iz TK. Na taj način dolazi do kontinuiranog obnavljanja curenja iz rezervnog rezervoara i osigurava se neiscrpnost kočnice.
Treća važna ideja koju je predložio Kazancev je konstrukcija raspodjeljivača zraka, koji ne radi na razlici između dva pritiska, već između tri — pritiska u kočionoj magistrali, pritiska u kočionom cilindru i pritiska u posebnoj radnoj komori (RK), koja se pri otpuštanju napaja pritiskom iz kočione magistrale, zajedno s rezervnim rezervoarom. U režimu kočenja RK se razdvaja od rezervnog rezervoara i kočione magistrale, zadržavajući iznos inicijalnog punjenja pritiska. Ova osobina se široko koristi u kočnicama pokretnih sastava kako za osiguranje stepenastog otpuštanja, tako i za upravljanje ravnomjernošću punjenja TC-a duž cijelog voza u teretnim sastavima, jer radna komora služi kao referenca za inicijalni pritisak punjenja. Na temelju njene veličine može se osigurati stepenasto otpuštanje i organizirati ranije punjenje TC-a u zadnjim vagonskim dijelovima. Detaljan opis ovih stvari ostavljam za druge članke na ovu temu, dok ću samo reći da su radovi Kazanceva poslužili kao podsticaj za razvoj naučne škole u našoj zemlji, što je dovelo do izrade originalnih kočionih sistema pokretnih sastava.
Drugi sovjetski izumitelj koji je bitno utjecao na razvoj domaćih kočnica pokretnih sastava bio je Ivan Konstantinovič Matrosov. Njegove ideje se suštinski nisu razlikovale od ideja Kazanceva, međutim kasnija eksperimentalna ispitivanja kočionih sistema Kazanceva i Matrosova (zajedno s drugim kočnim sistemima) pokazala su značajnu superiornost drugog sistema u pogledu operativnih karakteristika, naročito pri primjeni na teretnim vlakovima. Tako je kočnica Matrosova s raspodjeljivačem zraka oznake br. 320 postala osnova za daljnju izradu i projektiranje kočionih uređaja željeznica širine kolosijeka 1520 milimetara. Moderna automatska kočnica koja se koristi u Rusiji i zemljama ZND-a s pravom može nositi ime kočnice Matrosova, budući da je na početku svog razvoja upila ideje i konstruktivna rješenja Ivana Konstantinoviča.
Umjesto zaključka
Koji je zaključak? Rad na ovom članku uvjerio me je da je tema vrijedna ciklusa članaka. U ovom pilot članku dotaknuli smo se povijesti razvoja kočnica vozila. U sljedećim člancima idemo u sočne detalje, obuhvaćajući ne samo domaće kočnice, već i razvoj naših kolega iz Zapadne Europe, osvijetlivši strukturu kočnica različitih tipova i svrha vozila. Nadam se da će tema biti zanimljiva i do ponovnog viđenja na Habr-u!
Hvala na vašoj pažnji!
Izvor: habr.com
