Kinetička energija Sapsana pri najvećoj brzini iznosi preko 1500 megadžula. Za potpuno zaustavljanje, sve to mora biti raspršeno kočnim uređajima.
Bilo je nešto upravo ovdje na Habréu. Ovdje se objavljuje dosta preglednih članaka na temu željeznice, ali ova tema još nije detaljnije obrađena. Mislim da bi bilo vrlo zanimljivo napisati članak o tome, a možda i više od jednog. Stoga molim za macu one koje zanima kako su konstruirani kočni sustavi željezničkog prometa i iz kojih razloga su konstruirani na ovaj način.
1. Povijest zračne kočnice
Zadatak upravljanja bilo kojim vozilom uključuje reguliranje njegove brzine. Željeznički promet nije iznimka, štoviše, njegove karakteristike dizajna unose značajne nijanse u ovaj proces. Vlak se sastoji od velikog broja međusobno povezanih vagona, a dobiveni sustav ima značajnu duljinu i težinu pri vrlo pristojnoj brzini.
A-priorat, kočnice su skup uređaja dizajniranih za stvaranje umjetnih, podesivih sila otpora koje se koriste za kontrolirano smanjenje brzine vozila.
Najočitiji, površinski, način stvaranja sile kočenja je korištenje trenja. Od samog početka do danas koriste se papučaste tarne kočnice. Posebni uređaji - kočione pločice, izrađene od materijala s visokim koeficijentom trenja, mehanički se pritišću na kotrljajuću površinu kotača (ili na posebne diskove montirane na osovinu kotača). Između pločica i kotača javlja se sila trenja, stvarajući moment kočenja.
Sila kočenja se podešava promjenom sile pritiskanja pločica na kotač - tlak kočnice. Pitanje je samo kojim se pogonom pritiskaju pločice, a dijelom je povijest kočnica i povijest razvoja tog pogona.
Prve željezničke kočnice bile su mehaničke i njima su se upravljale ručno, posebno na svakom vagonu od strane posebnih osoba – kočničara ili konduktera. Sprovodnici su se nalazili na takozvanim kočnim platformama kojima je svaki vagon bio opremljen, a kočili su na znak strojovođe. Razmjena signala između strojovođe i konduktera odvijala se pomoću posebnog signalnog užeta razapetog duž cijelog vlaka, koje je aktiviralo posebnu zviždaljku.
Starinski dvoosovinski teretni vagon s kočionom pločicom. Vidljiva ručica ručne kočnice
Sama mehanički pokretana kočnica ima malu snagu. Visina kočionog pritiska ovisila je o snazi i spretnosti konduktera. Osim toga, ljudski faktor ometao je rad takvog kočionog sustava - vodiči nisu uvijek ispravno obavljali svoje dužnosti. O visokoj učinkovitosti takvih kočnica, kao i povećanju brzine vlakova opremljenih njima, nije bilo potrebno govoriti.
Daljnji razvoj kočnica zahtijevao je, prvo, povećanje kočionog pritiska, a drugo, mogućnost daljinskog upravljanja na svim automobilima s radnog mjesta vozača.
Hidraulički pogon koji se koristi u automobilskim kočnicama postao je široko rasprostranjen zbog činjenice da osigurava visoki tlak s kompaktnim aktuatorima. Međutim, kada se takav sustav koristi u vlaku, pojavit će se njegov glavni nedostatak: potreba za posebnom radnom tekućinom - kočnom tekućinom, čije je istjecanje neprihvatljivo. Velika duljina kočionih hidrauličkih vodova u vlaku, zajedno s visokim zahtjevima za njihovu nepropusnost, čine nemogućom i neracionalnom izradu hidrauličke željezničke kočnice.
Još jedna stvar je pneumatski pogon. Primjenom visokotlačnog zraka moguće je postići visoke kočne tlakove uz prihvatljive dimenzije aktuatora – kočionih cilindara. Radne tekućine nema – zrak je svuda oko nas, a ako i dođe do curenja radne tekućine iz kočionog sustava (a itekako dolazi), ona se može relativno lako nadoknaditi.
Najjednostavniji kočni sustav koji koristi energiju komprimiranog zraka je neautomatska kočnica s izravnim djelovanjem
Dijagram neautomatske kočnice s izravnim djelovanjem: 1 - kompresor; 2 - glavni spremnik; 3 - dovodni vod; 4 — dizalica voznog stroja; 5 - kočioni vod; 6 — kočni cilindar; 7 — opruga za otpuštanje; 8, 9 — mehanički kočni prijenos; 10 - kočiona pločica.
Za rad takve kočnice potreban je dovod komprimiranog zraka koji se na lokomotivi nalazi u posebnom spremniku tzv. glavni rezervoar (2). Provodi se ubrizgavanje zraka u glavni spremnik i održavanje stalnog tlaka u njemu kompresor (1), pogonjena lokomotivskom elektranom. Komprimirani zrak dovodi se do uređaja za upravljanje kočnicama posebnim cjevovodom tzv prehrambeni (NM) ili pritisak autocesta (3).
Kočnice vagona se kontroliraju i komprimirani zrak im se dovodi kroz dugačak cjevovod koji prolazi kroz cijeli vlak i tzv. kočni vod (TM) (5). Kada se komprimirani zrak dovodi kroz TM, on se puni kočioni cilindri (TC) (6) spojen izravno na TM. Komprimirani zrak pritišće klip, pritišćući kočione pločice 10 na kotače, kako na lokomotivi tako i na vagonima. Dolazi do kočenja.
Za prestanak kočenja, tj odmor kočnice, potrebno je ispustiti zrak iz kočionog voda u atmosferu, što će dovesti do povratka kočionih mehanizama u prvobitni položaj zbog sile otpuštajućih opruga ugrađenih u TC.
Za kočenje potrebno je kočni vod (TM) spojiti s dovodom (PM). Za odmor spojite kočioni vod na atmosferu. Ove funkcije obavlja poseban uređaj - vozačka dizalica (4) - pri kočenju povezuje PM i PM, kada se otpusti, odvaja ove cjevovode, istovremeno ispuštajući zrak iz PM-a u atmosferu.
U takvom sustavu postoji treći, srednji položaj vozačeve dizalice - reroof kada su PM i TM odvojeni, ali ne dolazi do ispuštanja zraka iz TM u atmosferu, vozačeva dizalica ga potpuno izolira. Tlak akumuliran u TM i TC se održava, a vrijeme njegovog održavanja na postavljenoj razini određeno je količinom propuštanja zraka kroz različita propuštanja, kao i toplinskim otporom kočionih pločica koje se zagrijavaju tijekom trenja o gume kotača. Postavljanje u strop i tijekom kočenja i tijekom otpuštanja omogućuje podešavanje sile kočenja u koracima. Ova vrsta kočnice omogućuje i stepenasto kočenje i stepenasto otpuštanje.
Unatoč jednostavnosti ovakvog kočionog sustava, on ima fatalnu manu - prilikom odvajanja vlaka dolazi do pucanja kočionog voda, iz njega izlazi zrak i vlak ostaje bez kočnica. Zbog toga se takva kočnica ne može koristiti u željezničkom prometu, cijena njenog kvara je previsoka. Čak i bez puknuća vlaka, ako postoji veliko curenje zraka, učinkovitost kočnica će se smanjiti.
Na temelju navedenog proizlazi zahtjev da se kočenje vlaka inicira ne povećanjem, već smanjenjem tlaka u TM. Ali kako onda napuniti kočione cilindre? Iz toga proizlazi drugi zahtjev - svaka pokretna jedinica u vlaku mora pohraniti zalihu komprimiranog zraka, koja se mora odmah nadopuniti nakon svakog kočenja.
Inženjerska misao krajem 1872. stoljeća došla je do sličnih zaključaka, što je rezultiralo stvaranjem prve automatske željezničke kočnice Georgea Westinghousea XNUMX. godine.
Westinghouse kočni uređaj: 1 - kompresor; 2 - glavni spremnik; 3 - dovodni vod; 4 — dizalica voznog stroja; 5 - kočioni vod; 6 — razvodnik zraka (trostruki ventil) Westinghouse sustava; 7 — kočni cilindar; 8 — rezervni spremnik; 9 - zaustavni ventil.
Na slici je prikazana struktura ove kočnice (slika a - djelovanje kočnice pri otpuštanju; b - djelovanje kočnice pri kočenju). Glavni element kočnice Westigauze bio je razvodnik zraka za kočnice ili, kako se ponekad naziva, trostruki ventil. Ovaj razvodnik zraka (6) ima osjetljivi organ - klip koji djeluje na razliku između dva tlaka - u kočnom vodu (TM) i rezervnom spremniku (R). Ako tlak u TM postane manji nego u TC, tada se klip pomiče ulijevo, otvarajući put zraku iz CM u TC. Ako tlak u TM postane veći od tlaka u SZ, klip se pomiče udesno, povezujući TC s atmosferom, a u isto vrijeme komunicirajući TM i SZ, osiguravajući da je potonji ispunjen komprimiranim zrakom iz TM.
Dakle, ako se tlak u TM-u smanji iz bilo kojeg razloga, bilo da je riječ o postupcima strojovođe, prekomjernom curenju zraka iz TM-a ili puknuću vlaka, kočnice će raditi. Odnosno, takve kočnice imaju automatsko djelovanje. Ovo svojstvo kočnice omogućilo je dodavanje još jedne mogućnosti upravljanja kočnicama vlaka, koja se do danas koristi u putničkim vlakovima - hitno zaustavljanje vlaka od strane putnika komunikacijom kočnog voda s atmosferom kroz poseban ventil - ručna kočnica (9).
Za one koji su upoznati s ovom značajkom kočionog sustava vlaka, smiješno je gledati filmove u kojima lopovi-kauboji slavno otkvače vagon sa zlatom iz vlaka. Da bi to bilo moguće, kauboji moraju prije odvajanja zatvoriti krajnje ventile na kočionom vodu koji odvaja kočioni vod od spojnih crijeva između automobila. Ali nikad ne rade. S druge strane, zatvoreni krajnji ventili više su puta uzrokovali strašne katastrofe povezane s kvarom kočnica, kako kod nas (Kamensk 1987., Eral-Simskaya 2011.), tako i u inozemstvu.
Zbog činjenice da se punjenje kočionih cilindara događa iz sekundarnog izvora komprimiranog zraka (rezervni spremnik), bez mogućnosti njegovog stalnog nadopunjavanja, takva se kočnica naziva neizravno djelujući. Punjenje kočnice komprimiranim zrakom događa se samo kada je kočnica otpuštena, što dovodi do toga da kod čestih kočenja nakon kojih slijedi otpuštanje, ako nema dovoljno vremena nakon otpuštanja, kočnica se neće imati vremena napuniti do potrebnog tlaka. To može dovesti do potpunog istrošenja kočnice i gubitka kontrole nad kočnicama vlaka.
Pneumatska kočnica ima još jedan nedostatak koji se odnosi na činjenicu da se pad tlaka u kočnom vodu, kao i svaki drugi poremećaj, širi u zraku velikom, ali ipak ograničenom brzinom - ne većom od 340 m/s. Zašto ne više? Zato što je brzina zvuka idealna. Ali u pneumatskom sustavu vlaka postoje brojne prepreke koje smanjuju brzinu širenja pada tlaka povezane s otporom strujanju zraka. Stoga, ako se ne poduzmu posebne mjere, brzina smanjenja tlaka u TM bit će manja što je vagon dalje od lokomotive. Kod Westinghouseove kočnice brzina tzv val kočenja ne prelazi 180 - 200 m/s.
Međutim, pojava pneumatskih kočnica omogućila je povećanje i snage kočnica i učinkovitosti njihove kontrole izravno s radnog mjesta strojovođe.To je poslužilo kao snažan poticaj razvoju željezničkog prometa, povećavajući brzinu i težinu vozila. vlakova, a kao rezultat toga, kolosalan porast teretnog prometa na željeznici, povećanje duljine željezničkih pruga diljem svijeta.
George Westinghouse nije bio samo izumitelj, već i poduzetan poslovni čovjek. Svoj je izum patentirao još 1869. godine, što mu je omogućilo pokretanje masovne proizvodnje kočione opreme. Vrlo brzo Westinghouseova kočnica postala je raširena u SAD-u, zapadnoj Europi i Ruskom Carstvu.
U Rusiji je Westinghouseova kočnica vladala sve do Oktobarske revolucije, a i dosta dugo nakon nje. Tvrtka Westinghouse izgradila je vlastitu tvornicu kočnica u Sankt Peterburgu, a također je vješto istisnula konkurente s ruskog tržišta. Međutim, Westinghouseova kočnica imala je niz temeljnih nedostataka.
Prvo, ova kočnica je pružala samo dva načina rada: kočenje dok se kočni cilindri potpuno ne napune, i odmor — pražnjenje kočionih cilindara. Njegovim dugotrajnim održavanjem bilo je nemoguće stvoriti srednji iznos kočionog tlaka, odnosno Westinghouse kočnica nije imala mod reroof. To nije dopuštalo preciznu kontrolu brzine vlaka.
Drugo, Westinghouseova kočnica nije dobro radila na dugim vlakovima, a dok se to nekako moglo tolerirati u putničkom prometu, problemi su nastali u teretnom prometu. Sjećate li se vala kočenja? Dakle, Westinghouseova kočnica nije imala sredstva za povećanje svoje brzine, au dugom vlaku smanjenje tlaka kočione tekućine na posljednjem vagonu moglo je početi prekasno, i to brzinom znatno nižom nego na čelu vagona. vlaka, što je stvorilo divlji neravnomjeran rad kočnih uređaja po vlaku.
Mora se reći da su sve aktivnosti tvrtke Westinghouse, kako u tadašnjoj Rusiji, tako iu cijelom svijetu, do temelja prožete kapitalističkim mirisom patentnih ratova i nelojalne konkurencije. To je tako nesavršenom sustavu osiguralo tako dug život, barem u tom povijesnom razdoblju.
Uz sve to treba priznati da je kočnica Westinghouse postavila temelje znanosti o kočenju te je princip njezina rada ostao nepromijenjen u suvremenim kočnicama za željeznička vozila.
2. Od kočnice Westinghouse do kočnice Matrosov - formiranje domaće znanosti o kočenju.
Gotovo odmah nakon pojave Westinghouseove kočnice i spoznaje njezinih nedostataka, pojavili su se pokušaji poboljšanja ovog sustava ili stvaranja drugog, temeljno novog. Naša zemlja nije bila iznimka. Početkom XNUMX. stoljeća Rusija je imala razvijenu mrežu željeznica, koje su imale značajnu ulogu u osiguravanju gospodarskog razvoja i obrambene sposobnosti zemlje. Povećanje učinkovitosti transporta povezano je s povećanjem brzine njegovog kretanja i mase istovremeno prevezenog tereta, što znači da su hitno postavljena pitanja poboljšanja kočionih sustava.
Značajan poticaj za razvoj znanosti o kočenju u RSFSR-u i kasnije u SSSR-u bilo je smanjenje utjecaja velikog zapadnog kapitala, posebice tvrtke Westinghouse, na razvoj domaće željezničke industrije nakon listopada 1917.
F.P. Kazantsev (lijevo) i I.K. Mornari (desno) - tvorci domaće željezničke kočnice
Prvi znak, prvo ozbiljno postignuće mlade domaće znanosti o kočenju, bio je razvoj inženjera Florentija Pimenoviča Kazanceva. Godine 1921. Kazantsev je predložio sustav izravna automatska kočnica. Donji dijagram opisuje sve glavne ideje koje je uveo ne samo Kazantsev, a svrha mu je objasniti osnovna načela rada poboljšane automatske kočnice
Automatska kočnica s izravnim djelovanjem: 1 - kompresor; 2 - glavni spremnik; 3 - dovodni vod; 4 — dizalica voznog stroja; 5 — uređaj za dovod curenja kočnog voda; 6 — kočni vod; 7 — spojna kočiona crijeva; 8 - završni ventil; 9 - zaustavni ventil; 10 - povratni ventil; 11 — rezervni spremnik; 12 — razvodnik zraka; 13 — kočni cilindar; 14 — prijenos poluge kočnice.
Dakle, prva glavna ideja je da se tlak u TM kontrolira neizravno - kroz smanjenje/povećanje tlaka u posebnom spremniku tzv. surge tank (UR). Prikazan je na slici desno od pogonske slavine (4) i na vrhu uređaja za napajanje za curenje iz TM (5). Gustoću ovog rezervoara tehnički je puno lakše osigurati nego gustoću kočnog voda - cijevi koja doseže nekoliko kilometara duljine i prolazi kroz cijeli vlak. Relativna stabilnost tlaka u UR omogućuje održavanje tlaka u TM, koristeći tlak u UR kao referentni. Doista, klip u uređaju (5) kada se tlak u TM smanjuje, otvara ventil koji puni TM iz dovodnog voda, održavajući tako tlak u TM jednak tlaku u UR. Ova ideja još je imala dug put razvoja, ali sada pritisak u TM-u nije ovisio o prisutnosti vanjskih curenja iz njega (do određenih granica). Uređaj 5 migrirao je na operatersku dizalicu i tu, u modificiranom obliku, ostao do danas.
Još jedna važna ideja na kojoj se temelji dizajn ove vrste kočnica je napajanje iz kočione tekućine kroz nepovratni ventil 10. Kada tlak u kočnom ventilu premaši tlak u kočnom ventilu, ovaj se ventil otvara, ispunjavajući ventil iz kočnice. tekućina. Na taj se način curenje kontinuirano nadopunjuje iz rezervnog spremnika i kočnica se ne isprazni.
Treća važna ideja koju je predložio Kazantsev je dizajn razdjelnika zraka koji radi na razlici ne dva, već tri tlaka - tlak u kočnom vodu, tlak u kočionom cilindru i tlak u posebnoj radnoj komori (WC), koji se tijekom otpuštanja napaja pritiskom iz kočionog voda, zajedno s rezervnim spremnikom. U načinu kočenja, tlak punjenja se odvaja od rezervnog spremnika i kočionog voda, održavajući vrijednost početnog tlaka punjenja. Ovo se svojstvo naširoko koristi u kočnicama željezničkih vozila kako za postupno otpuštanje tako i za kontrolu ujednačenosti punjenja TC duž vlaka u teretnim vlakovima, budući da radna komora služi kao standard za početni tlak punjenja. Na temelju njegove vrijednosti moguće je osigurati postupno otpuštanje i organizirati ranije punjenje trgovačkog centra u zadnjim kolima. Detaljan opis ovih stvari ostavit ću za druge članke na ovu temu, ali za sada ću samo reći da je Kazantsevljev rad poslužio kao poticaj za razvoj znanstvene škole u našoj zemlji, što je dovelo do razvoja izvornih kočni sustavi željezničkih vozila.
Još jedan sovjetski izumitelj koji je radikalno utjecao na razvoj domaćih kočnica za željeznička vozila bio je Ivan Konstantinovič Matrosov. Njegove ideje nisu se bitno razlikovale od ideja Kazantseva, međutim, naknadna operativna ispitivanja kočionih sustava Kazantseva i Matrosova (zajedno s drugim kočnim sustavima) pokazala su značajnu superiornost drugog sustava u pogledu karakteristika performansi kada se koristi prvenstveno na teretnim vlakovima. Dakle, Matrosov kočnica s razdjelnikom zraka je uvjetna. Broj 320 postao je osnova za daljnji razvoj i projektiranje kočne opreme za željezničke pruge kolosijeka 1520 mm. Moderna automatska kočnica koja se koristi u Rusiji i zemljama ZND-a s pravom može nositi naziv Matrosovljeva kočnica, jer je u početnoj fazi svog razvoja apsorbirala ideje i dizajnerska rješenja Ivana Konstantinoviča.
Umjesto zaključka
Koji je zaključak? Radeći na ovom članku uvjerio sam se da je tema vrijedna serije članaka. U ovom pilot članku dotakli smo se povijesti razvoja kočnica za željeznička vozila. U nastavku ćemo ići u sočne detalje, dotičući se ne samo domaće kočnice, već i razvoja kolega iz zapadne Europe, ističući dizajn kočnica različitih tipova i vrsta usluga željezničkih vozila. Dakle, nadam se da će tema biti zanimljiva, i vidimo se opet na hubu!
Hvala na pažnji!
Izvor: www.habr.com