A "Sapsan"'s kinetic energy at maximum speed exceeds 1500 megajoules. To come to a complete stop, all of it must be dissipated through the braking systems.

There was a time, they asked me to elaborate on this topic in more detail. specifically here, on Habr. Quite a few review articles on rail transport are published here, but this topic has not yet been covered in detail. I think it would be quite interesting to write an article about it, and perhaps not just one. Therefore, I invite those who are interested in how railway braking systems work, and the reasons they are designed that way, to join me under the cut.

1. The History of the Pneumatic Brake

The task of controlling any mode of transport involves regulating its speed. Railway transport is no exception; moreover, its design features introduce significant nuances to this process. A train consists of a large number of coupled units, resulting in a system with substantial length and mass while maintaining considerable speed.

By definition, brakes are a complex of devices designed to create artificial, controlled resistance forces used for the managed reduction of a vehicle's speed.

The most obvious, surface-level method of generating braking force is by utilizing friction. Since the beginning and up to the present day, shoe friction brakes have been employed. Special devices—brake shoes made from high-friction material—are mechanically pressed against the wheel running surface (or against special discs mounted on the wheelset). A frictional force is generated between the shoes and the wheel, creating the braking moment.

The regulation of braking force is accomplished by changing the force with which the shoes are pressed against the wheel— braking pressure. The only question is what mechanism is used to apply pressure to the shoes, and the history of brakes is, in part, the history of the development of this mechanism.

Az első vasúti fékek mechanikusak voltak, és kézi aktiválásúak, külön-külön, minden vagonban, speciális emberek — fékezők vagy kalauzok által. A kalauzok a nevezett fékplatformokra voltak elhelyezve, amelyekkel minden vagon rendelkezett, és a mozdony vezetőjének jelzésére aktiválták a fékeket. A jelzésváltás a mozdonyvezető és a kalauzok között egy speciális jelzőkötél segítségével történt, amely végigfutott a vonaton, és egy különleges sípot aktivált.

Régi két tengelyű tehervagon fékplatformmal. A kézi fék fogantyúja látható.


A mechanikus meghajtású fék önállóan kis erővel rendelkezik. A fékező erő nagysága a kalauz erejétől és ügyességétől függött. Ezen kívül a fékrendszer működésébe emberi tényező is beavatkozott — a kalauzok nem mindig hajtották végre helyesen a feladataikat. A fékek magas hatékonyságáról, valamint a velük felszerelt vonatok sebességének növeléséről nem lehetett beszélni.

A fékek további fejlesztése megkövetelte, egyrészt, a fékező nyomás növelését, másrészt — a mögöttes irányítás lehetőségét minden vagonról a mozdonyvezető munkahelyéről.

A hidraulikus meghajtás, amelyet az autó fékeknél használnak, széles körben elterjedt, mivel nagy nyomást biztosít, miközben kompakt végrehajtó eszközöket alkalmaz. Azonban, ha ezt a rendszert vonaton alkalmazzák, megjelenik a fő hátránya: a speciális munkaközeg — fékfolyadék — szükségessége, amelynek szivárgása elfogadhatatlan. A vonaton hosszú hidraulikus fékcsövek, valamint a tömítettséggel szemben támasztott magas követelmények nem teszik lehetővé és ésszerűtlenné teszik a hidraulikus vasúti fék létrehozását.

Egy másik dolog a pneumatikus meghajtás. A nagy nyomású levegő alkalmazása lehetővé teszi a magas féknyomások elérését elfogadható méretű végrehajtó eszközökkel — fékhengerrel. Nincs hiány munkaközegből — a levegő körülöttünk van, és még ha szivárgás lép is fel a fékrendszerből (ami elkerülhetetlen), azt viszonylag könnyen ki lehet pótolni.

A legegyszerűbb fékrendszer, amely sűrített levegőt használ, közvetlen működésű, nem automatikus fék

A közvetlen működésű, nem automatikus fék ábrája: 1 — kompresszor; 2 — fő tartály; 3 — tápvezeték; 4 — mozdonyvezető fékkara; 5 — fékezési vezeték; 6 — fékhenger; 7 — kioldó rugó; 8, 9 — mechanikus fékezési áttétel; 10 — fékbetét.


Ennek a féknek a működéséhez sűrített levegő tárolása szükséges, amelyet a mozdonyban egy speciális tartályban tárolnak, amelyet fő tartálynak (2) hívnak. A levegő kompresszorral történő belélegzése és a benne lévő állandó nyomás fenntartása a kompresszor (1) végzi, amelyet a mozdony energiaellátó rendszere hajt meg. A sűrített levegő vezérlőberendezésekhez való juttatása egy speciális csővezetéken, úgynevezett tápvezeték (PM) vagy nyomó vonalon (3) keresztül történik.

A kocsik fékeinek vezérlése és a bennük lévő sűrített levegő biztosítása egy hosszú csővezetéken keresztül történik, amely az egész vonaton átível és fékezési vonalnak (TM) (5) nevezik. Amikor a sűrített levegőt a TM-ben juttatják, az kitölti a fékhengereket (TC) (6), amelyek közvetlenül a TM-hez csatlakoznak. A sűrített levegő nyomása a dugattyúra hat, a fékbetéteket 10 a kerekekhez szorítja, mind a mozdonyon, mind a kocsikon. Megtörténik a fékezés.

A fékezés megszüntetéséhez, vagyis a kioldás a fékek esetén szükséges a levegő kiengedése a fékezési vonalból a légkörbe, ami a fékezési mechanizmusok visszatérését eredményezi az alaphelyzetbe a TC-ben elhelyezett kioldó rugók által.

A fékezéshez szükséges a fékezési vonal (TM) összekapcsolása a tápvezetékkel (PM). A kioldáshoz — a fékezési vonal összekapcsolása a légkörrel. Ezt a feladatot egy speciális berendezés látja el — mozdonyvezető fékkara (4) — fékezéskor összekapcsolja a PM-et és a TM-et, kioldáskor szétválasztja ezeket a csöveket, miközben a levegőt kiengedi a TM-ből a légkörbe.

Ebben a rendszerben létezik egy harmadik, közbenső helyzet a fékkaron — záró Amikor a PM és a TM szét vannak választva, de a levegő kiáramlása a TM-ből a légkörbe nem történik meg — a mozdonyvezető szelep teljesen elszigeteli azt. A TM és a TC által beszorított nyomás megmarad, és az annak fenntartására vonatkozó időt az egyes szivárgások által okozott levegőveszteség, valamint a fékbetétek hőállósága határozza meg, amelyek a kerekek peremével való súrlódáskor felmelegednek. A fékbetét alkalmazása a fékezés és a kioldás során lehetővé teszi a féknyomás fokozatos szabályozását. Ez a fék biztosítja a fokozatos fékezést és a fokozatos kioldást.

E rendszer fékének minden egyszerűsége ellenére van egy végzetes hátránya — a vonat szétkapcsolásakor a fékcső megszakad, a levegő kiáramlik belőle, és a vonat fék nélküli marad. Éppen ezért ez a fék nem alkalmazható a vasúti közlekedésben, túl nagy a meghibásodásának ára. Még járatok megszakítása nélkül is, ha nagy levegőszivárgás lép fel, a fék hatékonysága csökken.

A fentiek alapján létrejön az a követelmény, hogy a vonat fékezése ne a nyomás növekedésével, hanem csökkenésével induljon el a TM-ben. De hogyan töltsük fel akkor a fék hengereket? Ez adja a második követelményt — minden mozgó egységen tartalék sűrített levegőt kell tárolni, amelyet minden fékezés után gyorsan pótolni kell.

Hasonló következtetésekre jutott a 19. század végének mérnöki gondolkodása, amely George Westinghouse 1872-es első automatikus vasúti fékjének létrehozásában nyilvánult meg.

A Westinghouse fék felépítése: 1 — kompresszor; 2 — fő tartály; 3 — tápláló vezeték; 4 — vonati mozdonyvezető szelep; 5 — fékvezeték; 6 — levegőelosztó (háromsoros szelep) a Westinghouse rendszerében; 7 — fékhenger; 8 — tartalék tartály; 9 — megállító szelep.

A rajz megmutatja ennek a féknek a felépítését (a ábra — a fék kioldáskor; b ábra — a fék működése fékezéskor). A Westinghouse fék fő eleme a fékelosztó szelep vagy ahogy néha nevezik, háromsoros szelepEz a levegőelosztó (6) egy érzékeny elemmel rendelkezik — egy dugattyúval, amely a két nyomáskülönbség alapján működik — a fékcsőben (TM) és a tartalék tartályban (ZR). Ha a TM-ben lévő nyomás alacsonyabb, mint a ZR-ben, a dugattyú balra mozdul el, megnyitva az utat a levegő számára a ZR-ből a TC-hez. Ha a TM-ben lévő nyomás meghaladja a ZR-ben lévőt, a dugattyú jobbra mozdul, összekapcsolva a TC-t a légkörrel, és egyidejűleg összekapcsolva a TM-et és a ZR-t, lehetővé téve az utóbbi feltöltését a TM-ből származó sűrített levegővel.

Így, ha a TM-ben a nyomás bármilyen okból csökken, legyen az a mozdonyvezető tevékenysége, a TM-ből származó túlzott levegőszivárgás vagy a vonat roncsolódása — a fékek működni fognak. Tehát ezek a fékek rendelkeznek automatikus működési képességgel. Ez a fék tulajdonsága lehetővé tette, hogy további vezérlési módszert adjunk a vonat fékezéséhez, amelyet a személyszállító vonatokon a mai napig használnak — a vonat sürgősségi megállítása az utas által, a fékcső légkörrel való összekapcsolásával egy speciális szelepen keresztül — megállító szelepen (9).

. Akinek csak ismerős ez a fékrendszer tulajdonsága, az nevet a filmeken, ahol kovbojak, akik ravaszul leválnak egy aranyat szállító vagonról. Ahhoz, hogy ilyesmit meg lehessen valósítani, a kovbojoknak le kell zárniuk a végszelepeket a fékcsőben, amelyek elválasztják a fékcsövet a kocsik közötti csatlakozó tömlőktől. De ezt sosem teszik meg. Másrészt a lezárt végszelepek már nem egyszer okoztak súlyos baleseteket, amelyek a fék meghibásodásához vezettek, akár nálunk (Kamenksk 1987-ben, Yeral-Simsk 2011-ben), akár külföldön.

Mivel a fékhengerek feltöltése másodlagos sűrített levegőforrástól (tartalék tartályból) történik, anélkül, hogy állandóan újratölthető lenne, ezt a féket közvetett hatású fékneknevezzük. A ZR sűrített levegővel való feltöltése csak a fék kiengedésekor történik, ami miatt, ha gyakran fékeznek, majd kiengedik, és nem várnak elegendő időt a kiengedés után, a ZR nem tudja elérni a szükséges nyomást. Ez teljes fékelfogyasztáshoz és a vonat fékeinek irányításának elvesztéséhez vezethet.

A pneumatische féknek van egy másik hátránya is, amely abból adódik, hogy a fékcsőben bekövetkező nyomáscsökkenés, akárcsak bármilyen zavar, a levegőben nagy, de végső sebességgel terjed — nem haladja meg a 340 m/s sebességet. Miért nem haladja meg? Mert a hangsebesség az ideális helyzet. De a vonatok pneumatikus rendszerében számos akadály van, amelyek csökkentik a nyomáscsökkenés hullámának terjedési sebességét, a levegőáram ellenállása miatt. Tehát, ha nem teszünk külön intézkedéseket, a Tm-ben a nyomáscsökkenés sebessége annál alacsonyabb lesz, minél távolabb van a kocsitól a mozdony. A Westinghouse fék esetében a úgynevezett fékhullám nem haladja meg a 180 — 200 m/s-ot.

Ennek ellenére a pneumatikus fék megjelenése lehetővé tette a fékek hatékonyságának és az irányítás operativitásának növelését közvetlenül a mozdonyvezető munkaterületéről. Ez hatalmas lendületet adott a vasúti közlekedés fejlődéséhez, növelve a sebességet és a vonatok súlyát, ami következésképpen óriási megnövekedéshez vezetett a vasúti forgalomban, a vasúti vonalak hosszának növekedéséhez világszerte.

George Westinghouse nemcsak feltaláló, hanem ügyes üzletember is volt. Találmányát már 1869-ben szabadalmaztatta, ami lehetővé tette számára a fékberendezések tömeggyártását. Viszonylag gyorsan a Westinghouse fék széles körben elterjedt az Egyesült Államokban, Nyugat-Európában és az Orosz Birodalomban.

Oroszországban a Westinghouse fék uralkodott az Októberi forradalom előtt, és viszonylag hosszú ideig utána is. A „Westinghouse” cég Szentpéterváron épített egy fékgyárat, és ügyesen kiszorította a versenytársakat az orosz piacról. Azonban a Westinghouse féknek volt néhány alapvető hátránya is.

Először is, ez a fék csak két működési módot biztosított: fékzés a fékcsövek teljes megtöltéséig, és kioldás — a fékcsövek kiürítése. Közbenső féknyomás létrehozása hosszú távú fenntartással lehetetlen volt, azaz a Westinghouse fékben hiányzott a túláramlás. Ez megakadályozta a vonat sebességének pontos szabályozását.

Másodszor, a Westinghouse fékrendszere rosszul működött a hosszú vonatoknál, és míg az utasforgalomban ezzel valahogy meg lehetett birkózni, a teherszállításnál problémák adódtak. Emlékszik a féknyomás hullámra? Nos, a Westinghouse fékrendszere nem rendelkezett a sebességének növelésére szolgáló eszközökkel, és egy hosszú vonat esetén a légnyomás csökkenése az utolsó kocsin túl későn kezdődhetett el, ráadásul sokkal lassabb ütemben, mint a vonat elején, ami óriási egyenlőtlenséget teremtett a fékrendszerek működésében az egész vonaton.

El kell mondani, hogy a Westinghouse cég tevékenysége, akár Oroszországban, akár világszerte, áthatja a kapitalista szagú szabadalmi háborúk és a tisztességtelen verseny. Ez biztosította ennek a mindmáig tökéletlen rendszernek a hosszú életét, legalábbis abban a történelmi időszakban.

Mindezek mellett el kell ismerni – a Westinghouse fékrendszere lerakta a féktechnika alapjait, és a működési elve a modern járművek fékrendszereiben is változatlan maradt.

2. A Westinghouse fékrendszerről a Matrosov fékrendszerre – a hazai féktechnika fejlődése.

Gyakorlatilag azonnal a Westinghouse fékrendszer megjelenése után és annak hiányosságainak felismerésekor megkezdődtek a törekvések e rendszer tökéletesítésére, vagy egy teljesen új, alapvető új rendszer létrehozására. Hazánk sem volt kivétel. A 20. század elejére Oroszország fejlett vasúthálózattal rendelkezett, amely jelentős szerepet játszott a gazdasági fejlődés és az ország védelmi képességeinek biztosításában. A közlekedés hatékonyságának növelése összefügg a sebességének és a egyszerre szállított áru tömegének növelésével, ezért égető kérdések merültek fel a fékrendszerek tökéletesítésével kapcsolatban.

Jelentős lökést adott a féktechnika fejlődésének az RSFSR-ben, majd később a Szovjetunióban a nagy nyugati tőke, különösen a Westinghouse cég, Oroszország vasúti iparára gyakorolt hatásának csökkenése 1917 októbere után.

F.P. Kazancev (balra) és I.K. Matrosov (jobbra) – a hazai vasúti fékrendszer megalkotói.


Az első lépés, az első komoly eredménye a fiatal hazai féktechnikának Florentij Pimenovics Kazancev mérnök fejlesztései voltak. 1921-ben Kazancev egy rendszert ajánlott. közvetlen automatikus fék. Az alábbi diagram nemcsak Kazantsev ötleteit mutatja be, hanem célja, hogy magyarázza a fejlett automatikus fék működésének alapelveit.

A közvetlen automatikus fék: 1 — kompresszor; 2 — fő tartály; 3 — tápláló vezeték; 4 — vezetői fékszelep; 5 — féktápláló eszköz; 6 — fékcső; 7 — csatlakozó fékhövek; 8 — végszelep; 9 — megállító szelep; 10 — visszacsapó szelep; 11 — tartalék tartály; 12 — légelosztó; 13 — fékhenger; 14 — fékkar mechanizmus.


Tehát az első alapvető ötlet az, hogy a TM nyomásának szabályozása közvetve történik — a nyomás csökkentésén / növelésén keresztül egy speciális tartályban, amelyet kiegyenlítő tartálynak (KT). Ez a vezetői szelepről (4) jobbra és a TM-ből származó kitörési tápláló eszköz (5) fölött látható. Ennek a tartálynak a sűrűsége technikailag sokkal könnyebben biztosítható, mint a fékcsőé — a kilométeres hosszúságot elérő csövé, ami végigfut a vonaton. A KT-ben fennálló nyomás relatív stabilitása lehetővé teszi a TM nyomásának fenntartását, úgy hogy a KT nyomás legyen a vezérlő. Valójában a legújabb eszköz (5) a TM nyomásának csökkentésekor lefelé húzódik be, nyitva a szelepet, amely a tápláló csőből tölti fel a TM-et, így fenntartva a TM nyomását, ami egyenlő a KT nyomásával. Ennek az ötletnek még hosszú fejlődési útja állt előtt, de most a TM nyomása már nem fügött a külső kitörésektől (a meghatározott határokon belül). Az 5-ös eszköz a vezetői szelepre került, és a mai napig megmaradt, módosított formában.

Egy másik fontos ötlet, amely ezen fék típusának építészete mögött áll, hogy a ZR a TM-ből egy visszacsapó szelepen keresztül kapja az ellátást (10). Amikor a TM nyomása meghaladja a ZR nyomását, ez a szelep megnyílik, és a ZR a TM-ből tankol. Így folyamatosan feltöltik a tartalék tartályból eljáró kitöréseket és biztosítják a fék kimeríthetetlenségét.

A harmadik fontos ötlet, amelyet Kazancev javasolt, a légelosztó szerkezet, amely nem két, hanem három nyomáskülönbségen működik - a fékvezetékben, a fékcilinderben és egy speciális munkakamrában (RK), amely a fékvezeték nyomásáról kapja az áramlást a visszaengedés során, egy tartalék tartály mellett. Fékezéskor az RK elkülönül a tartalék tartálytól és a fékvezetékből, megtartva az eredeti töltőnyomás nagyságát. Ezt a tulajdonságot széles körben használják a gördülőállomány fékeiben, hogy biztosítsák a lépcsőzetes visszaengedést és irányítsák a TCs (fékcilinder) egyenletes megtöltését a tehervonatok mentén, mivel a munkakamra az eredeti töltőnyomás mintájaként szolgál. Ebből a nagyságból biztosítható a lépcsőzetes visszaengedés, és szervezhető a TCs korábbi megtöltése a hátsó kocsikban. A részletes leírást ezekről a dolgokról más cikkekben hagyom, azonban csak annyit mondok, hogy Kazancev munkái ösztönöztek egy tudományos iskola fejlődését hazánkban, amely az eredeti gördülőállomány fékrendszereinek kifejlesztéséhez vezetett.

Egy másik szovjet feltaláló, Ivan Konstantinovics Matrosov, drámaian befolyásolta a hazai gördülőállomány fékeinek fejlődését. Ötletei alapvetően nem különböztek Kazancev ötleteitől, azonban a Kazancev és Matrosov fékrendszereinek (más fékrendszerekkel együtt) későbbi üzemeltetési tesztjei jelentős fölényt mutattak a második rendszer fennmaradó üzemeltetési jellemzői szempontjából, elsősorban a tehervonatokon történő alkalmazás során. Így Matrosov féke, a légelosztóval, a 320-as ügyszám alá tartozó, az alapja lett a vasutak 1520 milliméter nyomtávú fékberendezéseinek további fejlesztésének és projektezésének. A modern automatikus fék, amelyet Oroszországban és a Független Államok Közösségében használnak, joggal viselheti Matrosov fékjének nevét, mivel a fejlődésének kezdeti szakaszában Ivan Konstantinovics ötleteit és tervezési megoldásait magába építette.

Összegzésként

Mi a következtetés? A cikk írása meggyőzött arról, hogy a téma megérdemel egy cikksorozatot. Ebben a pilotcikkben a mozgó járművek fékrendszereinek fejlődéstörténetéről beszélgettünk. A következőkben részletesebben is megvizsgáljuk a témát, kitérve nemcsak a hazai fékekre, hanem nyugati európai kollégák fejlesztéseire is, bemutatva a különböző típusú fékek felépítését és a mozgó járművek szolgáltatásait. Remélem, hogy a téma érdekes lesz, és hamarosan újra találkozunk a Habren!

Köszönöm a figyelmet!

Forrás: habr.com