Energi kinetik Sapsan pada kecepatan maksimum lebih dari 1500 megajoule. Untuk berhenti total, semuanya harus dihilangkan oleh alat pengereman.
Itu masalah di sini di Habré. Cukup banyak artikel review topik perkeretaapian yang dipublikasikan di sini, namun topik ini belum dibahas secara detail. Saya rasa akan sangat menarik untuk menulis artikel tentang ini, dan mungkin lebih dari satu. Oleh karena itu, saya bertanya kepada mereka yang tertarik dengan bagaimana sistem pengereman angkutan kereta api dirancang, dan untuk alasan apa sistem tersebut dirancang demikian.
1. Sejarah rem udara
Tugas mengendalikan kendaraan apa pun termasuk mengatur kecepatannya. Transportasi kereta api tidak terkecuali, terlebih lagi, fitur desainnya membawa nuansa signifikan ke dalam proses ini. Kereta terdiri dari sejumlah besar gerbong yang saling berhubungan, dan sistem yang dihasilkan memiliki panjang dan berat yang signifikan dengan kecepatan yang sangat baik.
A-prioritas, rem adalah seperangkat perangkat yang dirancang untuk menciptakan gaya resistensi buatan yang dapat disesuaikan yang digunakan untuk mengurangi kecepatan kendaraan secara terkendali.
Di permukaan, cara yang paling jelas untuk menciptakan gaya pengereman adalah dengan menggunakan gesekan. Sejak awal hingga saat ini, rem gesekan sepatu telah digunakan. Perangkat khusus - bantalan rem, terbuat dari bahan dengan koefisien gesekan yang tinggi, ditekan secara mekanis pada permukaan roda yang berputar (atau pada cakram khusus yang dipasang pada poros rangkaian roda). Gaya gesek timbul antara bantalan dan roda sehingga menimbulkan torsi pengereman.
Gaya pengereman diatur dengan mengubah gaya penekanan bantalan pada roda - tekanan rem. Satu-satunya pertanyaan adalah penggerak apa yang digunakan untuk menekan bantalan, dan sebagian sejarah rem adalah sejarah perkembangan penggerak ini.
Rem kereta api pertama bersifat mekanis dan dioperasikan secara manual, secara terpisah pada setiap gerbong oleh orang khusus - petugas rem atau kondektur. Kondektur ditempatkan pada apa yang disebut platform rem yang dilengkapi dengan setiap gerbong, dan mereka mengerem atas sinyal pengemudi lokomotif. Pertukaran isyarat antara pengemudi dan kondektur dilakukan dengan menggunakan tali isyarat khusus yang direntangkan di sepanjang kereta, yang mengaktifkan peluit khusus.
Gerobak barang dua gandar antik dengan bantalan rem. Kenop rem tangan terlihat
Rem yang digerakkan secara mekanis sendiri memiliki tenaga yang kecil. Besarnya tekanan rem tergantung pada kekuatan dan ketangkasan konduktor. Selain itu, faktor manusia mengganggu pengoperasian sistem pengereman seperti itu - kondektur tidak selalu menjalankan tugasnya dengan benar. Tidak perlu membicarakan efisiensi tinggi dari rem tersebut, serta peningkatan kecepatan kereta yang dilengkapi dengan rem tersebut.
Pengembangan rem lebih lanjut memerlukan, pertama, peningkatan tekanan rem, dan kedua, kemungkinan kendali jarak jauh pada semua mobil dari tempat kerja pengemudi.
Penggerak hidrolik yang digunakan pada rem mobil telah tersebar luas karena memberikan tekanan tinggi dengan aktuator kompak. Namun, ketika menggunakan sistem seperti itu di kereta, kelemahan utamanya akan muncul: kebutuhan akan cairan kerja khusus - minyak rem, yang kebocorannya tidak dapat diterima. Panjangnya jalur rem hidrolik di kereta api, ditambah dengan persyaratan kekencangan yang tinggi, membuat pembuatan rem kereta api hidrolik menjadi tidak mungkin dan tidak rasional.
Hal lainnya adalah penggerak pneumatik. Penggunaan udara bertekanan tinggi memungkinkan diperolehnya tekanan rem yang tinggi dengan dimensi aktuator - silinder rem yang dapat diterima. Tidak ada kekurangan cairan kerja - udara ada di sekitar kita, dan bahkan jika ada kebocoran cairan kerja dari sistem rem (dan memang demikian), cairan tersebut dapat diisi ulang dengan relatif mudah.
Sistem rem paling sederhana yang menggunakan energi udara terkompresi adalah rem non-otomatis kerja langsung
Diagram rem non-otomatis kerja langsung: 1 - kompresor; 2 - tangki utama; 3 - jalur suplai; 4 — derek kereta pengemudi; 5 - saluran rem; 6 — silinder rem; 7 — pelepasan pegas; 8, 9 — transmisi rem mekanis; 10 - bantalan rem.
Untuk mengoperasikan rem tersebut diperlukan suplai udara bertekanan yang disimpan pada lokomotif dalam tangki khusus yang disebut waduk utama (2). Udara disuntikkan ke dalam tangki utama dan mempertahankan tekanan konstan di dalamnya kompresor (1), digerakkan oleh lokomotif pembangkit listrik. Udara terkompresi disuplai ke perangkat kontrol rem melalui pipa khusus yang disebut nutrisi (NM) или tekanan jalan raya (3).
Rem gerbong dikendalikan dan udara bertekanan disuplai ke gerbong tersebut melalui pipa panjang yang melewati seluruh kereta dan disebut saluran rem (TM) (5). Ketika udara terkompresi disuplai melalui TM, ia terisi silinder rem (TC) (6) terhubung langsung ke TM. Udara bertekanan menekan piston, menekan bantalan rem 10 pada roda, baik pada lokomotif maupun pada gerbong. Terjadi pengereman.
Untuk menghentikan pengereman, itu saja liburan rem, udara dari saluran rem perlu dilepaskan ke atmosfer, yang akan menyebabkan mekanisme rem kembali ke posisi semula karena kekuatan pegas pelepas yang dipasang di TC.
Untuk melakukan pengereman, perlu menghubungkan jalur rem (TM) dengan jalur umpan (PM). Untuk liburan, sambungkan saluran rem dengan suasana. Fungsi-fungsi ini dilakukan oleh perangkat khusus - derek kereta pengemudi (4) - ketika direm, menghubungkan PM dan PM, ketika dilepaskan, memutus pipa-pipa ini, sekaligus melepaskan udara dari PM ke atmosfer.
Dalam sistem seperti itu, ada posisi tengah ketiga dari derek pengemudi - atap ulang ketika PM dan TM dipisahkan, tetapi pelepasan udara dari TM ke atmosfer tidak terjadi, derek pengemudi mengisolasinya sepenuhnya. Tekanan yang terakumulasi dalam TM dan TC dipertahankan dan waktu dipertahankan pada tingkat yang ditentukan ditentukan oleh jumlah kebocoran udara melalui berbagai kebocoran, serta oleh ketahanan termal bantalan rem, yang memanas selama gesekan terhadap ban roda. Menempatkannya di langit-langit selama pengereman dan pelepasan memungkinkan Anda menyesuaikan gaya pengereman secara bertahap. Jenis rem ini memberikan pengereman langkah dan pelepasan langkah.
Terlepas dari kesederhanaan sistem rem seperti itu, sistem ini memiliki kelemahan fatal - ketika kereta dilepas, saluran rem putus, udara keluar darinya dan kereta dibiarkan tanpa rem. Karena alasan inilah rem seperti itu tidak dapat digunakan dalam transportasi kereta api, dan biaya kegagalannya terlalu tinggi. Bahkan tanpa kereta pecah, jika terjadi kebocoran udara yang besar maka efisiensi rem akan berkurang.
Berdasarkan hal tersebut di atas, maka timbul syarat bahwa pengereman kereta api diawali bukan oleh kenaikan, melainkan oleh penurunan tekanan pada TM. Tapi bagaimana cara mengisi silinder rem? Hal ini menimbulkan persyaratan kedua - setiap unit yang bergerak di kereta harus menyimpan pasokan udara bertekanan, yang harus segera diisi ulang setelah setiap pengereman.
Pemikiran teknik pada akhir abad ke-1872 sampai pada kesimpulan serupa, yang menghasilkan penemuan rem kereta api otomatis pertama oleh George Westinghouse pada tahun XNUMX.
Perangkat rem Westinghouse: 1 - kompresor; 2 - tangki utama; 3 - jalur suplai; 4 — derek kereta pengemudi; 5 - saluran rem; 6 — distributor udara (tiga katup) dari sistem Westinghouse; 7 — silinder rem; 8 — tangki cadangan; 9 - katup penghenti.
Gambar tersebut menunjukkan struktur rem ini (Gambar a - pengoperasian rem selama pelepasan; b - pengoperasian rem selama pengereman). Elemen utama dari rem Westigauze adalah distributor udara rem atau, sebagaimana kadang-kadang disebut, katup rangkap tiga. Distributor udara (6) ini memiliki organ sensitif - piston yang beroperasi pada perbedaan antara dua tekanan - di saluran rem (TM) dan reservoir cadangan (R). Jika tekanan di TM lebih kecil dari pada TC, maka piston bergerak ke kiri sehingga membuka jalan bagi udara dari CM ke TC. Jika tekanan di TM menjadi lebih besar daripada tekanan di SZ, piston bergerak ke kanan, menghubungkan TC dengan atmosfer, dan pada saat yang sama menghubungkan TM dan SZ, memastikan SZ terisi dengan udara bertekanan dari atmosfer. TM.
Jadi, jika tekanan di TM berkurang karena sebab apapun, baik itu tindakan pengemudi, kebocoran udara yang berlebihan dari TM, atau pecahnya kereta, maka rem akan bekerja. Artinya, rem seperti itu punya tindakan otomatis. Sifat rem ini memungkinkan untuk menambah kemungkinan lain untuk mengendalikan rem kereta api, yang masih digunakan pada kereta penumpang hingga saat ini - pemberhentian darurat kereta oleh penumpang dengan mengkomunikasikan saluran rem dengan atmosfer melalui katup khusus - rem darurat (9).
Bagi yang familiar dengan fitur sistem pengereman kereta ini, lucu rasanya menonton film di mana para pencuri-koboi terkenal melepaskan kaitan gerbong berisi emas dari kereta. Agar hal ini dapat terjadi, sebelum melepaskan kopling, para koboi harus menutup katup ujung pada saluran rem yang memisahkan saluran rem dari selang penghubung antar mobil. Tapi mereka tidak pernah melakukannya. Di sisi lain, katup ujung yang tertutup telah lebih dari satu kali menyebabkan bencana mengerikan terkait dengan kegagalan rem, baik di sini (Kamensk pada tahun 1987, Eral-Simskaya pada tahun 2011) maupun di luar negeri.
Karena pengisian silinder rem terjadi dari sumber sekunder udara terkompresi (tangki cadangan), tanpa kemungkinan pengisian ulang secara konstan, rem semacam itu disebut bertindak secara tidak langsung. Pengisian rem dengan udara terkompresi hanya terjadi ketika rem dilepaskan, yang mengarah pada fakta bahwa dengan seringnya pengereman diikuti dengan pelepasan, jika waktu setelah pelepasan tidak mencukupi, rem tidak akan punya waktu untuk mengisi daya hingga tekanan yang diperlukan. Hal ini dapat mengakibatkan rem habis dan hilangnya kendali rem kereta.
Rem pneumatik juga memiliki kelemahan lain terkait dengan fakta bahwa penurunan tekanan pada saluran rem, seperti gangguan lainnya, merambat di udara dengan kecepatan tinggi, namun tetap terbatas - tidak lebih dari 340 m/s. Mengapa tidak lebih? Karena kecepatan suaranya ideal. Namun pada sistem pneumatik kereta api terdapat sejumlah kendala yang mengurangi kecepatan rambat penurunan tekanan yang berhubungan dengan hambatan aliran udara. Oleh karena itu, kecuali tindakan khusus diambil, laju penurunan tekanan di TM akan semakin rendah, semakin jauh jarak gerbong dari lokomotif. Dalam kasus rem Westinghouse, kecepatan yang disebut gelombang pengereman tidak melebihi 180 - 200 m/s.
Namun, munculnya rem pneumatik memungkinkan peningkatan kekuatan rem dan efisiensi pengendaliannya langsung dari tempat kerja pengemudi. Hal ini menjadi dorongan kuat bagi perkembangan transportasi kereta api, meningkatkan kecepatan dan bobot. kereta api, dan sebagai akibatnya, peningkatan besar-besaran dalam perputaran barang di jalur kereta api, peningkatan panjang jalur kereta api di seluruh dunia.
George Westinghouse bukan hanya seorang penemu, tetapi juga seorang pengusaha yang giat. Dia mematenkan penemuannya pada tahun 1869, yang memungkinkan dia meluncurkan produksi massal peralatan rem. Dengan cepat, rem Westinghouse menyebar luas di AS, Eropa Barat, dan Kekaisaran Rusia.
Di Rusia, rem Westinghouse berkuasa hingga Revolusi Oktober, dan cukup lama setelahnya. Perusahaan Westinghouse membangun pabrik remnya sendiri di St. Petersburg, dan juga dengan terampil menyingkirkan pesaing dari pasar Rusia. Namun, rem Westinghouse memiliki sejumlah kelemahan mendasar.
Pertama, rem ini hanya menyediakan dua mode pengoperasian: pengereman sampai silinder rem terisi penuh, dan liburan — mengosongkan silinder rem. Tidak mungkin menciptakan tekanan rem dalam jumlah sedang dengan perawatan jangka panjangnya, yaitu rem Westinghouse tidak memiliki mode atap ulang. Hal ini tidak memungkinkan pengendalian kecepatan kereta secara tepat.
Kedua, rem Westinghouse tidak bekerja dengan baik pada kereta api yang panjang, dan meskipun hal ini dapat ditoleransi dalam lalu lintas penumpang, masalah muncul dalam lalu lintas barang. Ingat gelombang pengereman? Jadi, rem Westinghouse tidak memiliki sarana untuk meningkatkan kecepatannya, dan dalam kereta yang panjang, penurunan tekanan minyak rem pada gerbong terakhir bisa dimulai terlambat, dan dengan laju yang jauh lebih rendah dibandingkan pada saat pertama. kereta, yang menciptakan pengoperasian perangkat rem yang tidak merata di seluruh kereta.
Harus dikatakan bahwa seluruh aktivitas perusahaan Westinghouse, baik di Rusia pada saat itu maupun di seluruh dunia, sepenuhnya dipenuhi dengan aroma kapitalis berupa perang paten dan persaingan tidak sehat. Inilah yang memastikan sistem yang tidak sempurna ini bisa bertahan lama, setidaknya selama periode sejarah itu.
Dengan semua ini, harus diakui bahwa rem Westinghouse meletakkan dasar bagi ilmu pengereman dan prinsip pengoperasiannya tetap tidak berubah pada rem rolling stock modern.
2. Dari rem Westinghouse hingga rem Matrosov - pembentukan ilmu pengereman dalam negeri.
Hampir segera setelah munculnya rem Westinghouse dan realisasi kekurangannya, muncul upaya untuk memperbaiki sistem ini, atau untuk menciptakan sistem lain yang baru secara fundamental. Negara kita tidak terkecuali. Pada awal abad ke-XNUMX, Rusia memiliki jaringan kereta api yang berkembang, yang memainkan peran penting dalam menjamin pembangunan ekonomi dan kemampuan pertahanan negara. Peningkatan efisiensi transportasi dikaitkan dengan peningkatan kecepatan pergerakannya dan massa muatan yang diangkut secara bersamaan, yang berarti bahwa isu-isu perbaikan sistem pengereman menjadi sangat mendesak.
Dorongan yang signifikan bagi pengembangan ilmu pengereman di RSFSR dan kemudian Uni Soviet adalah berkurangnya pengaruh modal besar Barat, khususnya perusahaan Westinghouse, terhadap perkembangan industri perkeretaapian dalam negeri setelah Oktober 1917.
F.P. Kazantsev (kiri) dan I.K. Pelaut (kanan) - pencipta rem kereta api domestik
Tanda pertama, pencapaian serius pertama ilmu pengereman muda dalam negeri, adalah pengembangan insinyur Florenty Pimenovich Kazantsev. Pada tahun 1921, Kazantsev mengusulkan sebuah sistem rem otomatis kerja langsung. Diagram di bawah ini menjelaskan semua gagasan utama yang diperkenalkan tidak hanya oleh Kazantsev, dan tujuannya adalah untuk menjelaskan prinsip dasar pengoperasian rem otomatis yang ditingkatkan
Rem otomatis kerja langsung: 1 - kompresor; 2 - tangki utama; 3 - jalur suplai; 4 — derek kereta pengemudi; 5 — perangkat suplai kebocoran saluran rem; 6 — saluran rem; 7 — menghubungkan selang rem; 8 - katup ujung; 9 - katup penghenti; 10 - katup periksa; 11 — tangki cadangan; 12 — distributor udara; 13 — silinder rem; 14 — transmisi tuas rem.
Jadi, gagasan utama pertama adalah bahwa tekanan di TM dikontrol secara tidak langsung - melalui penurunan/peningkatan tekanan di reservoir khusus yang disebut tangki lonjakan (UR). Hal ini ditunjukkan pada gambar di sebelah kanan keran pengemudi (4) dan di atas perangkat catu daya untuk kebocoran dari TM (5). Kepadatan reservoir ini secara teknis jauh lebih mudah untuk dipastikan daripada kepadatan saluran rem - sebuah pipa yang panjangnya mencapai beberapa kilometer dan melewati seluruh kereta. Stabilitas relatif dari tekanan di UR memungkinkan untuk mempertahankan tekanan di TM, dengan menggunakan tekanan di UR sebagai acuan. Memang benar, piston pada alat (5), ketika tekanan di TM berkurang, membuka katup yang mengisi TM dari jalur suplai, sehingga menjaga tekanan di TM sama dengan tekanan di UR. Ide ini masih memiliki jalan panjang dalam pengembangannya, namun kini tekanan pada TM tidak bergantung pada adanya kebocoran eksternal (sampai batas tertentu). Perangkat 5 bermigrasi ke derek operator dan tetap di sana, dalam bentuk yang dimodifikasi, hingga hari ini.
Ide penting lainnya yang mendasari perancangan rem jenis ini adalah suplai tenaga dari minyak rem melalui check valve 10. Ketika tekanan di dalam katup rem melebihi tekanan di dalam katup rem, maka katup ini terbuka, mengisi katup dari rem. cairan. Dengan cara ini, kebocoran terus menerus diisi ulang dari reservoir cadangan dan rem tidak habis.
Ide penting ketiga yang diajukan oleh Kazantsev adalah desain distributor udara yang beroperasi berdasarkan perbedaan bukan dua tekanan, tetapi tiga tekanan di saluran rem, tekanan di silinder rem, dan tekanan di ruang kerja khusus (WC), yang, selama pelepasan, diberi tekanan dari saluran rem, bersama dengan tangki cadangan. Dalam mode pengereman, tekanan pengisian terputus dari reservoir cadangan dan saluran rem, mempertahankan nilai tekanan pengisian awal. Properti ini banyak digunakan dalam rem rolling stock baik untuk memberikan pelepasan bertahap dan untuk mengontrol keseragaman pengisian TC di sepanjang kereta di kereta barang, karena ruang kerja berfungsi sebagai standar untuk tekanan pengisian awal. Berdasarkan nilainya, dimungkinkan untuk memberikan pelepasan bertahap dan mengatur pengisian pusat perbelanjaan lebih awal di gerbong belakang. Saya akan meninggalkan penjelasan rinci tentang hal-hal ini untuk artikel lain tentang topik ini, tetapi untuk saat ini saya hanya akan mengatakan bahwa karya Kazantsev berfungsi sebagai insentif untuk pengembangan sekolah ilmiah di negara kita, yang mengarah pada pengembangan yang asli. sistem rem rolling stock.
Penemu Soviet lainnya yang secara radikal mempengaruhi pengembangan rem kereta api dalam negeri adalah Ivan Konstantinovich Matrosov. Idenya pada dasarnya tidak berbeda dengan ide Kazantsev, namun pengujian operasional selanjutnya terhadap sistem rem Kazantsev dan Matrosov (bersama dengan sistem rem lainnya) menunjukkan keunggulan signifikan dari sistem kedua dalam hal karakteristik kinerja bila digunakan terutama pada kereta barang. Jadi, rem Matrosov dengan distributor udara bersifat kondisional. Nomor 320 menjadi dasar untuk pengembangan lebih lanjut dan desain peralatan pengereman untuk rel kereta api ukuran 1520 mm. Rem otomatis modern yang digunakan di Rusia dan negara-negara CIS berhak menyandang nama rem Matrosov, karena rem tersebut menyerap, pada tahap awal pengembangannya, ide dan solusi desain Ivan Konstantinovich.
Alih-alih sebuah kesimpulan
Apa kesimpulannya? Mengerjakan artikel ini meyakinkan saya bahwa topik tersebut layak untuk dijadikan serangkaian artikel. Dalam artikel percontohan ini, kami menyinggung sejarah perkembangan rem rolling stock. Berikut ini kita akan membahas detail menarik, tidak hanya menyentuh rem domestik, tetapi juga perkembangan rekan-rekan dari Eropa Barat, menyoroti desain rem dari berbagai jenis dan tipe layanan rolling stock. Jadi, semoga topiknya menarik, dan sampai jumpa lagi di hub!
Terima kasih atas perhatian Anda!
Sumber: www.habr.com