Vedo che prima, la parte storica del mio racconto è piaciuta al pubblico, quindi non è un peccato continuare.

I treni ad alta velocità, come il TGV, non utilizzano più i freni pneumatici

Oggi parleremo della modernità, e in particolare degli approcci attuali alla creazione dei sistemi frenanti dei veicoli nel XXI secolo, che sta per entrare nel suo terzo decennio.

1. Classificazione dei freni dei veicoli

Secondo il principio fisico alla base della creazione della forza frenante, tutti i freni ferroviari possono essere suddivisi in due categorie principali: freni a frizione, che utilizzano la forza di attrito, e freni dinamici, che utilizzano una trazione per generare il momento frenante.

I freni a frizione comprendono i freni a ganascia di tutte le costruzioni, inclusi quelli a disco, e il freno a rulli magnetici, che è utilizzato nel trasporto su alta velocità, principalmente in Europa occidentale. Sulla linea a scartamento 1520 questo tipo di freno è stato impiegato esclusivamente sul treno elettrico ER200. Per quanto riguarda il «Sapsan», RZD ha rinunciato all'uso del freno a magneti sullo stesso, sebbene il prototipo di questo treno elettrico, il tedesco ICE3, sia dotato di tale freno.

Carrello del treno ICE3 con freno a magneti

Carrello del treno «Sapsan»

Ai freni dinamici, e più precisamente ai freni elettrodinamici appartengono tutti i freni il cui funzionamento si basa sulla conversione dei motori elettrici in modalità generatore (recuperativo e freno a reostato), così come la frenata per controcircuitazione

Con il sistema di frenatura rigenerativa e il freno a resistenza, tutto è relativamente chiaro: i motori vengono in un modo o nell'altro messi in modalità generatore. Nel caso della rigenerazione, restituiscono energia alla rete elettrica; nel caso del freno a resistenza, l'energia generata viene dissipata su resistenze speciali. Entrambi i sistemi di frenatura sono utilizzati sia sui treni con trazione locomotiva che sui veicoli a motore, dove il freno elettrodinamico rappresenta il principale sistema di frenatura, data l'elevata quantità di motori elettrici distribuiti lungo il treno. L'unico svantaggio della frenatura elettrodinamica (FDE) è l'impossibilità di fermarsi completamente. Quando l'efficacia della FDE diminuisce, viene automaticamente sostituita da un freno pneumatico a attrito.

Per quanto riguarda il freno per inversione, esso consente di fermare completamente il veicolo, poiché implica la reversibilità del motore di trazione durante il movimento. Tuttavia, questa modalità è per la maggior parte dei casi di emergenza — il suo utilizzo normale comporta il rischio di danni al sistema di trazione. Prendiamo, ad esempio, un motore a collettore: quando si cambia la polarità della tensione applicata, l'contro-EMF generato nel motore in rotazione non viene sottratto dalla tensione di alimentazione ma si somma ad essa — le ruote continuano a ruotare nella stessa direzione come in modalità di trazione! Questo porta a un'improvvisa eccessiva crescita della corrente, e la cosa migliore che può accadere è l'attivazione dei dispositivi di protezione elettrica.

Per questo motivo, sui locomotori e treni elettrici vengono adottate tutte le misure per prevenire la reversibilità dei motori durante il funzionamento. La leva reversibile viene bloccata meccanicamente quando il controller del macchinista si trova in posizione di marcia. Sui treni «Sapsan» e «Lastochka», la rotazione dell'interruttore reversibile a una velocità superiore ai 5 km/h porterà a un'immediata frenata di emergenza.

Tuttavia, alcuni locomotori nazionali, come il locomotore elettrico VL65, usano il freno rigenerativo come modalità standard a basse velocità.

Il freno rigenerativo è il sistema di frenata standard, gestito dal sistema di controllo, nel locomotore elettrico VL65.

Va detto che, nonostante l'alta efficienza della frenata elettrodinamica, ogni treno è sempre, sottolineo — sempre, dotato di freno pneumatico automatico, attivato dal rilascio dell'aria dalla linea dei freni. Sia in Russia che nel resto del mondo, i tradizionali freni a cinghia sono a guardia della sicurezza del movimento.

In base alla loro funzionalità, i freni di tipo frizionale si suddividono in

1. Freni di sosta, manuali o automatici
2. Freni da treno — pneumatici (PT) o elettropneumatici (EPT) installati su ogni unità di veicoli nel treno e gestiti centralmente dalla cabina del macchinista.
3. I freni pneumatici diretti per locomotive sono progettati per rallentare la locomotiva senza frenare il treno. Vengono azionati separatamente rispetto ai freni del convoglio.

2. Freni di stazionamento

Il freno manuale a funzionamento meccanico non è scomparso dai veicoli, viene installato sia sulle locomotive che nei vagoni — ha semplicemente cambiato funzione, diventando il freno di stazionamento, che impedisce il movimento involontario del materiale rotabile in caso di perdita d'aria dal suo sistema pneumatico. La ruota rossa, simile a un timone, è il comando del freno manuale, una delle sue varianti.

Il timone del freno manuale di stazionamento nella cabina dell'elettrotreno VL60pk

Freno manuale nel vestibolo di un vagone passeggeri

Freno manuale su un moderno vagone merci

Il freno manuale, tramite azionamento meccanico, preme sulle stesse pastiglie utilizzate per la frenata ordinaria.

Sui composti mobili moderni, in particolare sui treni elettrici Evs1/Evs2 "Sapsan", Es1 "Lastochka", così come sulla locomotiva EП20, il freno di sosta è automatico e la pressione delle pastiglie sui dischi dei freni viene effettuata da accumulatori a molla. Parte dei meccanismi a pinza che premendo le pastiglie sui dischi dei freni è dotata di potenti molle, tanto potenti che il rilascio avviene tramite un attuatore pneumatico con una pressione di 0,5 MPa. L'attuatore pneumatico, in questo caso, contrasta le molle che premendo le pastiglie. Il controllo di tale freno di sosta avviene tramite pulsanti sulla console del macchinista.

I pulsanti di controllo del freno di sosta a molla (SPT) sul treno elettrico Es1 "Lastochka"

Per il suo funzionamento, questo freno è analogo a quello utilizzato nei potenti camion. Ma come freno principale sui treni, tale sistema è completamente inadeguato, e per quale motivo lo spiegherò dettagliatamente dopo aver descritto il funzionamento dei freni pneumatici del treno.

3. Freni pneumatici di tipo merci

Ogni carro merci è dotato del seguente complesso di attrezzature frenanti

Attrezzatura frenante del vagone merci: 1 — tubo di collegamento del freno; 2 — rubinetto terminale; 3 — valvola di arresto; 5 — filtro antipolvere; 6, 7, 9 — moduli del distributore d'aria n. 483; 8 — rubinetto di disconnessione; VR — distributore d'aria; TM — condotta del freno; ZR — serbatoio di riserva; TC — cilindro del freno; AR — modalità automatica del carico


Condotta del freno (TM) — tubo di 1,25» di diametro che percorre tutto il vagone, alle estremità è dotato di rubinetti terminali, per disconnettere la condotta del freno durante la separazione del vagone prima di scollegare i tubi di collegamento flessibili. Nella condotta del freno, in condizioni normali, viene mantenuta quella che viene chiamata pressione di carica di 0,50 — 0,54 MPa, quindi scollegare i tubi senza chiudere i rubinetti terminali è un'operazione rischiosa che potrebbe letteralmente costarvi la vita.

La riserva d'aria, direttamente fornita nei cilindri del freno, è conservata nel serbatoio di riserva (ЗР), il cui volume nella maggior parte dei casi è di 78 litri. La pressione nel serbatoio di riserva è esattamente uguale alla pressione nella linea dei freni. Ma no, non è 0,50 — 0,54 MPa. Il fatto è che tale pressione si riscontra nella linea dei freni della locomotiva. E più ci si allontana dalla locomotiva, minore è la pressione nella linea dei freni, poiché inevitabilmente ci sono perdite d'aria. Pertanto, la pressione nella linea dei freni dell'ultimo vagone del treno sarà leggermente inferiore a quella di carica.

Cilindro del freno, e nella maggior parte dei vagoni ce n'è uno solo, che, riempiendosi dal serbatoio di riserva, attraverso la trasmissione a leva del freno preme contro le ruote tutte le ganasce presenti sul vagone. Il volume del cilindro del freno è di circa 8 litri, quindi durante la frenata completa la pressione al suo interno non supera 0,4 MPa. La pressione nel serbatoio di riserva scende fino allo stesso valore.

Il principale "protagonista" di questo sistema è distributore d'aria. Questo dispositivo reagisce alle variazioni di pressione nel circuito dei freni, eseguendo un'operazione specifica a seconda della direzione e della velocità di cambiamento di questa pressione.

Quando la pressione nel circuito dei freni diminuisce, si verifica l'azione di frenata. Tuttavia, non in caso di qualsiasi diminuzione della pressione: la riduzione deve avvenire a un certo ritmo, noto come ritmo di frenata di servizio. Questo ritmo è garantito dal rubinetto del macchinista nella cabina del locomotore e varia da 0,01 a 0,04 MPa al secondo. Se la diminuzione della pressione avviene a un ritmo inferiore, non si verifica la frenata. Questo è stato previsto affinché i freni non si attivino in caso di perdite normali dal circuito dei freni, e per evitare attivazioni nel caso di una riduzione della sovrapressione, di cui parleremo più tardi.

Quando il distributore d'aria agisce per la frenata, esegue una scarica supplementare del circuito frenante a una pressione di 0,05 MPa. Questo viene fatto per garantire una riduzione uniforme della pressione lungo l'intera lunghezza del treno. Se non si effettua la scarica supplementare, gli ultimi vagoni di un lungo treno potrebbero non frenare affatto. La scarica supplementare del circuito frenante è eseguita da tutti distributori d'aria moderni, compresi quelli passeggeri.

Quando il distributore d'aria agisce per la frenata, scollega il serbatoio di riserva dal circuito frenante e lo connette al cilindro freno. Si riempie il cilindro freno. Questo avviene esattamente per il tempo necessario a far diminuire la pressione nel circuito frenante. Al termine della riduzione della pressione nel circuito, il riempimento del cilindro freno si interrompe. Inizia la modalità di sovrapposizione. La pressione accumulata nel cilindro freno dipende da due fattori:

1. la profondità di scarica del circuito frenante, ovvero la quantità di caduta di pressione in esso rispetto alla carica.
2. modo di funzionamento del distributore d'aria

Il distributore d'aria per camion ha tre modalità di funzionamento: carico (C), medio (M) e vuoto (V). Queste modalità si differenziano per la massima pressione raggiunta nei cilindri dei freni. Il passaggio tra le modalità avviene manualmente ruotando una manopola di selezione.

In sintesi, la dipendenza della pressione nel cilindro del freno dalla profondità di scarico della linea dei freni per il distributore d'aria 483 in diverse modalità appare così

Uno svantaggio dell'uso dell'interruttore di modalità è che il personale della manutenzione dei vagoni deve percorrere l'intero convoglio, arrampicarsi sotto ogni vagone e impostare l'interruttore di modalità nella posizione corretta. A quanto pare, ciò non avviene sempre. Un riempimento eccessivo dei cilindri dei freni su un vagone vuoto può comportare slittamenti, riduzione dell'efficacia della frenata e danni agli assi. Per uscire da tale situazione, nei vagoni merci viene inserito il cosiddetto modo automatico (AR), che, determinando meccanicamente la massa del vagone, regola dolcemente la massima pressione nel cilindro del freno. Se il vagone è dotato di modalità automatica, il selettore di modalità viene impostato sulla posizione "carico".

La frenata viene solitamente eseguita in modo scalato. La minima fase di scarico della condotta del freno per il VR483 sarà 0,06 – 0,08 MPa. In questo caso, la pressione nei cilindri del freno è impostata a 0,1 MPa. A questo punto, il macchinista posiziona la valvola nella posizione di chiusura, in cui la pressurizzazione della condotta del freno mantiene il valore di pressione stabilito dopo la frenata. Se l'efficacia del freno di un singolo passo non è sufficiente, viene eseguita la fase successiva. In questo caso, alla distribuzione dell'aria non importa con quale ritmo avvenga lo scarico: con la diminuzione della pressione, i cilindri del freno si riempiono proporzionalmente alla grandezza della diminuzione della pressione.

Il rilascio completo dei freni (svuotamento totale dei cilindri freno su tutto il treno) viene effettuato aumentando la pressione nella condotta freno al di sopra di quella di carica. Inoltre, nei treni merci, si realizza un significativo innalzamento della pressione nella CF rispetto a quella di carica, per garantire che l'onda di pressione raggiunga i vagoni più lontani. Il rilascio completo dei freni in un treno merci è un processo lungo e può richiedere fino a un minuto.

Il VР483 ha due modalità di rilascio: pianeggiante e in salita. Nella modalità pianeggiante, all'aumento della pressione nella condotta freno si verifica un rilascio completo e senza gradini. Nella modalità in salita è possibile un rilascio graduale dei freni, che non comporta lo svuotamento totale dei cilindri freno. Questa modalità è utilizzata durante la corsa su profili complessi con una notevole pendenza.

Il distributore d'aria 483 è in generale un dispositivo molto interessante. Un'analisi dettagliata della sua struttura e funzionamento è un tema per un articolo di approfondimento separato. Qui abbiamo esaminato i principi generali del funzionamento del freno merci.

3. Freni pneumatici di tipo passeggeri

Apparecchiature di arresto per i vagoni passeggeri: 1 — manicotto di collegamento; 2 — valvola terminale; 3, 5 — scatole di collegamento della linea del freno elettropneumatico; 4 — freno di emergenza; 6 — tubo con cablaggio per il freno elettropneumatico; 7 — sospensione isolata del manicotto di collegamento; 8 — filtro antipolvere; 9 — derivazione per il distributore d'aria; 10 — valvola di isolamento; 11 — camera di lavoro del distributore elettro-pneumatico; TM — condotta del freno; VR — distributore d'aria; EVR — distributore elettropneumatico; TC — cilindro del freno; ZR — serbatoio di riserva

Colpisce subito la quantità maggiore di attrezzature, a partire dal fatto che ci sono addirittura tre freni di emergenza (uno in cada vestibolo e uno nella cuccetta del conduttore), fino ad arrivare al punto che i vagoni passeggeri nazionali sono dotati sia di freno pneumatico che di freno elettropneumatico (FEP).

Un attento lettore noterà subito il principale svantaggio del controllo pneumatico dei freni: la velocità finale di propagazione dell'onda di frenata, limitata dalla velocità del suono. In pratica, tuttavia, questa velocità è inferiore e si attesta a 280 m/s in condizioni di emergenza e 300 m/s durante una frenata d'emergenza. Inoltre, tale velocità dipende fortemente dalla temperatura dell'aria, risultando quindi inferiore in inverno. Per questo motivo, il compagno eterno dei freni pneumatici è l'irregolarità della loro attivazione in base alla composizione.

L'irregolarità dell'attivazione porta a due conseguenze: la creazione di significative reazioni longitudinali nel treno e l'aumento della distanza di frenata. La prima non è così caratteristica per i treni passeggeri, anche se le bevande che saltano sui tavolini nei compartimenti non saranno gradite a nessuno. L'aumento della distanza di frenata rappresenta invece un problema serio, specialmente nel traffico passeggeri.

Inoltre, il distributore d'aria passeggeri nazionale—sia il vecchio modello n. 292 che il nuovo modello n. 242 (di cui, per inciso, ci sono sempre di più nei vagoni passeggeri)—entrambi questi dispositivi sono diretti discendenti della storica valvola tripla di Westinghouse e funzionano in base alla differenza di due pressioni—nella linea del freno e nella riserva di emergenza. La loro differenza rispetto alla valvola tripla è la presenza della modalità di chiusura, ovvero la possibilità di una frenata graduale; la presenza di una scarica aggiuntiva nella linea del freno durante la frenata; e l'inclusione di un'accelerazione per la frenata di emergenza nella loro costruzione. Questi distributori d'aria non consentono una liberazione graduale—assicureranno una liberazione totale non appena la pressione nella linea del freno supera la pressione nella riserva di emergenza, stabilitasi dopo la frenata. E la liberazione graduale è molto utile durante le frenate di regolazione per un arresto preciso alla banchina di imbarco.

Entrambe le problematiche — l'irregolarità dell'azionamento dei freni e l'assenza di rilascio graduale, sulla rotaia di 1520 mm vengono risolte installando sui vagoni un distributore d'aria con controllo elettrico — distributore d'aria elettrico (DAE), n. 305.

L'EPD nazionale — freno elettropneumatico — a azione diretta, non automatica. Sui treni passeggeri con trazione locomotive, l'EPD opera con uno schema a due fili.

Schema strutturale dell'EPD a due fili: 1 — controller di gestione sulla manopola del macchinista; 2 — batteria accumulatrice; 3 — convertitore statico di alimentazione; 4 — pannello delle spie di controllo; 5 — unità di controllo; 6 — morsettiera; 7 — teste di collegamento sui tubi; 8 — sospensione isolata; 9 — valvola a semiconduttore; 10 — valvola elettromagnetica di rilascio; 11 — valvola elettromagnetica dei freni.

Lungo tutto il treno si estendono due fili: n. 1 e n. 2 nell'illustrazione. Nel vagone di coda, questi fili sono elettricamente collegati tra loro e attraverso il circuito risultante passa una corrente alternata con frequenza di 625 Hz. Questo viene fatto per controllare l'integrità della linea di comando dell'EPD. In caso di interruzione del filo, il circuito della corrente alternata si interrompe, e il macchinista riceve un segnale sotto forma di spegnimento della lampada di controllo "O" (rilascio) nella cabina.

La gestione avviene tramite corrente continua di polarità variabile. In questo caso, le rotaie fungono da conduttore a potenziale nullo. Quando viene applicata una tensione positiva sul conduttore EPT (rispetto alle rotaie), entrambi i valvoli elettromagnetici installati nel distributore d'aria elettrica si attivano: il valvola di rilascio (OV) e il valvola di freno (TV). Il primo isola la camera di lavoro (RK) del distributore d'aria elettrica dall'atmosfera, mentre il secondo la riempie con aria prelevata dal serbatoio di riserva. Successivamente, entra in funzione il relè di pressione installato nel EVR, che opera sulla differenza di pressione tra la camera di lavoro e il cilindro del freno. Quando la pressione nella RK supera quella nel TC, quest'ultimo viene riempito d'aria dal serbatoio di riserva, fino a raggiungere la pressione accumulata nella camera di lavoro.

Quando viene applicato un potenziale negativo sul conduttore, il valvola di freno si disattiva, poiché la corrente ad esso viene interrotta dal diodo. Rimane attivo solo il valvola di rilascio, che mantiene la pressione nella camera di lavoro. In questo modo si realizza la posizione di chiusura.

Quando l'alimentazione viene interrotta, la valvola di rilascio perde tensione e apre la camera di lavoro all'atmosfera. Quando la pressione nella camera di lavoro diminuisce, il relè di pressione rilascia l'aria dai cilindri dei freni. Se dopo una breve pausa si posiziona nuovamente la valvola del macchinista in posizione di chiusura, la diminuzione della pressione nella camera di lavoro si interrompe e viene interrotto anche il rilascio dell'aria dal cilindro del freno. In questo modo si ottiene la possibilità di un rilascio graduale del freno.

Cosa succede in caso di rottura del filo? Esatto — l'EPV si rilascerà. Pertanto, questo freno (sui veicoli nazionali) non è automatico. In caso di guasto dell'EPV, il macchinista ha la possibilità di passare al comando pneumatico dei freni.

L'EPT si distingue per il riempimento simultaneo dei cilindri frenanti e il loro svuotamento lungo l'intero treno. La velocità di riempimento e svuotamento è piuttosto elevata, pari a 0,1 MPa al secondo. L'EPT è un freno inesauribile, poiché durante il suo funzionamento il normale distributore d'aria è in modalità di rilascio e alimenta i serbatoi di riserva dalla linea frenante, che a sua volta viene alimentata dalla valvola del macchinista sulla locomotiva dai serbatoi principali. Pertanto, è possibile frenare con l'EPT a qualsiasi frequenza necessaria per la gestione operativa dei freni. La capacità di rilascio graduale consente di controllare la velocità del treno in modo molto preciso e fluido.

Il comando pneumatico dei freni del treno passeggeri differisce poco da quello del freno merci. Ci sono differenze nei metodi di gestione; ad esempio, il rilascio del freno pneumatico avviene fino alla pressione di carica, senza sovraccarico. In effetti, eccessivi sovraccarichi di pressione nella linea frenante del treno passeggeri possono portare a problemi, pertanto durante il rilascio completo dell'EPT la pressione nella TM non supera di più di 0,02 MPa il valore della pressione di carica stabilita.

La profondità minima di scarico del TM durante la frenata con il freno passeggeri è di 0,04 — 0,05 MPa, mentre nei cilindri dei freni si crea una pressione di 0,1 — 0,15 MPa. La pressione massima nel cilindro del freno del vagone passeggeri è limitata dal volume del serbatoio di riserva e di solito non supera i 0,4 MPa.

Conclusione

Ora mi rivolgo ad alcuni commentatori, che sono sorpresi (e a mio avviso, anche indignati, ma non mi sento di affermarlo con certezza) dalla complessità del freno ferroviario. Nei commenti si propone di applicare uno schema automobilistico con accumulatori di energia. Certo, dal divano o dalla poltrona dell'ufficio, attraverso la finestra del browser, molti problemi sembrano più evidenti e le loro soluzioni più chiare, ma mi permetto di osservare che la maggior parte delle soluzioni tecniche adottate nel mondo reale ha una base ben precisa.

Come già detto, il principale problema del freno pneumatico nei treni è la velocità finale del movimento del salto di pressione lungo un tubo del sistema frenante che può arrivare fino a 1,5 km in un convoglio di 100 vagoni. Per accelerare questa onda frenante è necessaria una scarica aggiuntiva, effettuata dal distributore d'aria. Senza il distributore d'aria, non ci sarà nessuna scarica aggiuntiva. Questo significa che i freni con accumulatori di energia avranno caratteristiche di uniformità di attuazione evidentemente peggiori, riportandoci ai tempi di Westinghouse. Un treno merci non è un camion, qui parliamo di altre scale e quindi di principi di gestione dei freni completamente diversi. Sono sicuro che non sia una questione casuale e che la direzione della scienza frenante mondiale non sia frutto del caso, portandoci a costruzioni di questo tipo. Punto.

Questo articolo è una sorta di panoramica dei sistemi frenanti esistenti nei moderni treni. Nelle prossime pubblicazioni di questo ciclo, mi soffermerò su ciascuno di essi in dettaglio. Scopriremo quali strumenti vengono utilizzati per controllare i freni e come sono strutturati i distribuitori d'aria. Analizzeremo anche le questioni relative alla frenata rigenerativa e a quella resistiva. E naturalmente, esamineremo i freni dei trasporti ad alta velocità. A presto e grazie per l'attenzione!

P.S.: Amici! Vorrei ringraziare in particolare per il gran numero di messaggi personali indicanti errori e refusi nell'articolo. Sì, sono un peccatore che non ha dimestichezza con la lingua russa e si confonde sulla tastiera. Ho cercato di correggere le vostre osservazioni.

Fonte: habr.com