L'energia cinetica del 'Sapsan' alla massima velocità supera i 1500 megajoule. Per una fermata completa, tutta questa energia deve essere dissipata sui dispositivi di frenata.
È successo che proprio qui, su Habr. Qui vengono pubblicati molti articoli di revisione sulla tematica ferroviaria, ma questo argomento non è stato ancora trattato in modo dettagliato. Penso che sarebbe molto interessante scrivere un articolo su questo, e forse anche più di uno. Pertanto, chiedo a chi è interessato a capire come sono strutturati i sistemi di frenata del trasporto ferroviario e per quali motivi sono strutturati in questo modo di continuare a leggere.
1. Storia dell'invenzione del freno pneumatico
Il compito di gestire qualsiasi mezzo di trasporto include la regolazione della velocità del suo movimento. Il trasporto ferroviario non fa eccezione, anzi, le sue caratteristiche costruttive introducono aspetti significativi in questo processo. Un treno è composto da un gran numero di carrozze collegate tra loro, e il sistema risultante ha una lunghezza e una massa considerevoli a una velocità di movimento piuttosto elevata.
Per definizione, i freni sono un insieme di dispositivi progettati per generare forze di resistenza artificiali e regolabili, utilizzate per ridurre controllatamente la velocità di un mezzo di trasporto.
Il modo più ovvio, che si trova sotto gli occhi di tutti, per creare forza frenante è utilizzare la forza di attrito. Fin dall'inizio e fino ad oggi viene impiegato il freno a tamburo. Dispositivi speciali — le ganasce, realizzate in materiale con elevato coefficiente di attrito, vengono meccanicamente premute sulla superficie di rotolamento della ruota (o su dischi speciali installati sull'asse del carrello). Tra le ganasce e la ruota si genera una forza di attrito che produce un momento frenante.
La regolazione della forza frenante avviene variando la forza di pressione delle ganasce sulla ruota — pressione del freno. La questione è solo quale azionamento venga utilizzato per la pressione delle ganasce, e la storia dei freni è in parte la storia dello sviluppo di questo azionamento.
I primi freni ferroviari erano meccanici e venivano azionati manualmente, separatamente su ogni carro, da persone speciali: i freni o i conducenti. I conducenti si trovavano nelle cosiddette piattaforme dei freni, attrezzate per ogni carro, e azionavano i freni su segnale del macchinista della locomotiva. Lo scambio di segnali tra il macchinista e i conducenti avveniva tramite una speciale corda di segnalazione, tesa lungo tutto il treno, che azionava un fischietto speciale.
Un antico carro merci a due assi con piattaforma dei freni. Si vede il pomello del freno manuale.
Il freno meccanico stesso ha una potenza limitata. L'intensità della pressione del freno dipendeva dalla forza e dall'abilità del conducente. Inoltre, la funzionalità di tale sistema frenante era influenzata dal fattore umano: i conducenti non sempre svolgevano correttamente i loro doveri. Non si poteva parlare di alta efficienza di tali freni, né di un aumento della velocità dei treni dotati di essi.
Lo sviluppo ulteriore dei freni richiedeva, da un lato, un aumento della pressione del freno e, dall'altro, la possibilità di controllarli a distanza su tutti i carri dal posto di lavoro del macchinista.
Il comando idraulico, utilizzato nei freni delle automobili, ha trovato una vasta applicazione perché garantisce un'alta pressione a fronte di una compattezza degli attuatori. Tuttavia, applicando tale sistema nel treno si manifesta il suo principale difetto: la necessità di un fluido di lavoro speciale — il liquido frenante, la cui fuoriuscita è inaccettabile. La grande lunghezza delle linee idrauliche del freno nel treno, insieme alle elevate esigenze di tenuta, rende impossibile e poco pratico creare un freno ferroviario idraulico.
Un altro discorso è il comando pneumatico. L'uso dell'aria ad alta pressione consente di ottenere elevate pressioni di frenata a dimensioni accettabili degli attuatori — i cilindri frenanti. Non c'è carenza del fluido di lavoro: l'aria è attorno a noi, e anche se si verifica una perdita del fluido di lavoro dal sistema frenante (e ciò accade inevitabilmente), è relativamente facile da reintegrare.
Il sistema di frenatura più semplice che utilizza l'energia dell'aria compressa è freno diretto non automatico
Schema del freno diretto non automatico: 1 — compressore; 2 — serbatoio principale; 3 — condotta di alimentazione; 4 — rubinetto del macchinista; 5 — condotta dei freni; 6 — cilindro del freno; 7 — molla di rilascio; 8, 9 — trasmissione meccanica dei freni; 10 — ganascia del freno.
Per il funzionamento di questo freno è necessaria una scorta di aria compressa, conservata sulla locomotiva in un serbatoio speciale, chiamato serbatoio principale (2). La compressione dell'aria nel serbatoio principale e il mantenimento di una pressione costante all'interno di esso sono eseguiti dal compressore (1), azionato dall'installazione energetica della locomotiva. La fornitura di aria compressa agli strumenti di controllo dei freni avviene attraverso un tubo speciale, chiamato alimentazione (PM) o potabile condotta (3).
Il controllo dei freni dei vagoni e la fornitura di aria compressa avvengono tramite un lungo tubo che attraversa tutto il treno e viene chiamato condotta dei freni (TM) (5). Quando l'aria compressa viene inviata attraverso la TM, essa riempie i cilindri del freno (TC) (6) collegati direttamente alla TM. L'aria compressa spinge il pistone, premendo le ganasce del freno 10 contro le ruote, sia della locomotiva che dei vagoni. Si verifica la frenata.
Per interrompere la frenata, cioè rilascio dei freni, è necessario rilasciare l'aria dalla condotta dei freni nell'atmosfera, il che porterà al ripristino delle meccaniche dei freni nella posizione iniziale grazie alla forza delle molle di rilascio installate nei TC.
Per frenare è necessario collegare la condotta dei freni (TM) con quella di alimentazione (PM). Per il rilascio — collegare la condotta dei freni con l'atmosfera. Queste funzioni sono svolte da uno strumento speciale — rubinetto del macchinista (4) — durante la frenata collega PM e TM, durante il rilascio scollega queste condotte, rilasciando contemporaneamente aria dalla TM nell'atmosfera.
In questo sistema esiste anche una terza posizione intermedia del rubinetto del macchinista — chiusura quando PM e TM sono disuniti, ma non avviene la fuoriuscita d'aria da TM nell'atmosfera — la valvola dell'operatore isola completamente il sistema. La pressione accumulata in TM e TC viene mantenuta e il tempo di mantenimento a un livello stabilito è determinato dalla quantità di perdite d'aria attraverso diverse tenute, nonché dalla resistenza termica delle pastiglie dei freni, che si riscaldano per attrito con i cerchi delle ruote. La regolazione nella sovrapposizione, sia in fase di frenata che di rilascio, consente di controllare la forza frenante in gradi. Questo freno garantisce sia una frenata graduale che un rilascio graduale.
Nonostante la semplicità di questo sistema frenante, presenta un difetto fatale: durante lo sganciamento del treno si verifica la rottura della condotta frenante, l'aria fuoriesce e il treno rimane senza freni. Proprio per questo motivo, questo freno non può essere utilizzato nel trasporto ferroviario, il costo del suo guasto è troppo elevato. Anche senza la rottura del treno, in presenza di una grande perdita d'aria, l'efficacia del freno diminuirà.
Alla luce di quanto detto, sorge la necessità che la frenata del treno venga avviata non da un aumento, ma da una diminuzione della pressione in TM. Ma come si riempiono allora i cilindri del freno? Questo porta a un secondo requisito: su ogni unità mobile del treno deve esserci una riserva d'aria compressa, che deve essere rapidamente reintegrata dopo ogni frenata.
Ragionamenti simili furono formulati dalla mente ingegneristica della fine del XIX secolo, che si espresse nella creazione da parte di George Westinghouse nel 1872 del primo freno ferroviario automatico.
Dispositivo del freno di Westinghouse: 1 — compressore; 2 — serbatoio principale; 3 — condotta di alimentazione; 4 — valvola dell'operatore del treno; 5 — condotta del freno; 6 — distributore d'aria (valvola tripla) del sistema di Westinghouse; 7 — cilindro del freno; 8 — serbatoio di riserva; 9 — valvola di arresto.
Nell'immagine è mostrato il dispositivo di questo freno (figura a — funzionamento del freno in fase di rilascio; b — funzionamento del freno durante la frenata). L'elemento principale del freno di Westinghouse è diventato distributore d'aria del freno o, come talvolta viene chiamato, valvola tripla. Questo distributore d'aria (6) ha un organo sensibile — un pistone, che funziona sulla differenza di due pressioni — nel circuito dei freni (TM) e nel serbatoio di riserva (ZR). Se la pressione nel TM diventa inferiore a quella nel ZR, il pistone si sposta a sinistra, aprendo la via all'aria dal ZR al TC. Se la pressione nel TM diventa superiore a quella nel ZR, il pistone si sposta a destra, collegando il TC con l'atmosfera e contemporaneamente collegando TM e ZR, assicurando il riempimento di quest'ultimo con aria compressa dal TM.
Quindi, in caso di riduzione della pressione nel TM per qualsiasi motivo, sia per l'azione del macchinista, una perdita eccessiva d'aria dal TM o il deragliamento di un treno, i freni si attiveranno. Cioè, tali freni possiedono automaticità di azione. Questa caratteristica dei freni ha permesso di aggiungere un'ulteriore possibilità di gestione dei freni del treno, utilizzata ancora oggi nei treni passeggeri — l'arresto di emergenza del treno da parte di un passeggero, tramite il collegamento del circuito freni con l'atmosfera attraverso una valvola speciale — valvola di emergenza (9).
Per chi è familiare con questa caratteristica del sistema frenante del treno è divertente guardare film in cui i ladri cowboy sganciano con disinvoltura un vagone con oro dal treno. Per poter realizzare ciò, i cowboy devono, prima di sganciare, chiudere le valvole terminali sul circuito dei freni, disconnettendo il circuito freni dai tubi di collegamento tra i vagoni. Ma non lo fanno mai. D'altro canto, le valvole terminali chiuse sono state causa di gravi incidenti dovuti a guasti dei freni, sia in Russia (Kamenks nel 1987, Yeral-Simskaya nel 2011), sia all'estero.
Poiché il riempimento dei cilindri freno avviene da una fonte secondaria di aria compressa (serbatoio di riserva), senza la possibilità di un continuo rifornimento, tale freno è chiamato a costruzione indiretta. La ricarica del ZR con aria compressa avviene solo quando i freni vengono rilasciati, il che porta al fatto che durante i frequenti arresti seguiti da un rilascio, senza un'adeguata attesa dopo il rilascio, il ZR non riesca a caricarsi alla pressione necessaria. Questo può portare a un completo esaurimento dei freni e alla perdita del controllo sui freni del treno.
Il freno pneumatico ha un altro inconveniente, legato al fatto che la caduta della pressione nella linea freno, così come qualsiasi perturbazione, si propaga in un ambiente aereo con una velocità elevata, ma comunque finita — non superiore a 340 m/s. Perché non oltre? Perché la velocità del suono è l'opzione ideale. Ma nel sistema pneumatico del treno esistono una serie di ostacoli che riducono la velocità di propagazione dell’impulso di caduta della pressione, legati alla resistenza del flusso d’aria. Pertanto, se non si prendono misure speciali, la velocità di caduta della pressione nel TM sarà tanto più bassa quanto più lontano dal locomotore si trova il vagone. Nel caso del freno di Westinghouse, la velocità della cosiddetta onda di frenata non supera i 180 — 200 m/s.
Tuttavia, l’introduzione del freno pneumatico ha permesso di aumentare sia la potenza dei freni che la prontezza di gestione direttamente dal posto di lavoro del macchinista. Ciò ha dato un forte impulso allo sviluppo del trasporto ferroviario, all’aumento della velocità di movimento e del peso dei treni, e come conseguenza, a un colossale incremento del traffico merci sulle ferrovie e alla crescita della lunghezza delle linee ferroviarie in tutto il mondo.
George Westinghouse non era solo un inventore, ma anche un imprenditore intraprendente. La sua invenzione fu brevettata già nel 1869, il che gli permise di avviare una produzione di massa di attrezzature per freni. Piuttosto rapidamente, il freno di Westinghouse ottenne una vasta diffusione negli Stati Uniti, in Europa occidentale e nell'Impero Russo.
In Russia, il freno di Westinghouse regnò incontrastato fino alla rivoluzione ottobre, e anche per un lungo periodo dopo. La compagnia 'Westinghouse' costruì a San Pietroburgo la sua fabbrica di freni e riuscì anche a estromettere dalla realtà russa i concorrenti. Tuttavia, il freno di Westinghouse presentava una serie di difetti fondamentali.
Innanzitutto, questo freno forniva solo due modalità operative: frenata fino al riempimento completo dei cilindri freno, e rilascio - svuotamento dei cilindri freno. Creare una grandezza intermedia della pressione di frenata con un mantenimento prolungato era impossibile, quindi nel freno di Westinghouse mancava la modalità di sovraccarico. Ciò non permetteva di realizzare un controllo preciso della velocità del treno.
In secondo luogo, il freno Westinghouse funzionava male nei treni lunghi e, se nel traffico passeggeri si poteva in qualche modo tollerare, in quello merci si presentavano problemi. Ricordate l'onda di frenata? Ebbene, il freno Westinghouse non aveva i mezzi per aumentarne la velocità, e in un treno lungo la diminuzione della pressione nel TМ nell'ultimo vagone poteva iniziare troppo tardi e con un ritmo sensibilmente inferiore rispetto alla testa del treno, creando una folle irregolarità nell'attivazione dei dispositivi di frenata lungo il convoglio.
È importante dire che tutta l'attività dell'azienda «Westinghouse», sia in Russia in quel periodo che in tutto il mondo, era completamente intrisa del cattivo odore capitalistico delle guerre brevettuali e della concorrenza sleale. Questo ha garantito a un sistema così imperfetto una vita così lunga, almeno in quel periodo storico.
Detto ciò, occorre riconoscere che il freno Westinghouse ha posto le basi della scienza della frenata e il principio del suo funzionamento è rimasto invariato nei freni moderni dei mezzi di trasporto.
2. Dal freno Westinghouse al freno Matrosov: l'emergere della scienza della frenata nazionale.
Praticamente subito dopo l'introduzione del freno Westinghouse e la consapevolezza delle sue lacune, sono sorte tentativi di perfezionare questo sistema o di crearne uno nuovo di zecca. Il nostro paese non era un'eccezione. All'inizio del XX secolo, la Russia disponeva di una rete ferroviaria sviluppata, che svolgeva un ruolo significativo nello sviluppo economico e nella difesa del paese. L'aumento dell'efficienza dei trasporti è legato all'incremento della velocità di movimento e della massa del carico trasportato contemporaneamente, il che ha sollevato urgentemente questioni di miglioramento dei sistemi di frenata.
Un significativo impulso allo sviluppo della scienza della frenata nella RSFSR e in seguito nell'URSS è stato dato dalla riduzione dell'influenza del grande capitale occidentale, in particolare dell'azienda «Westinghouse», sullo sviluppo del settore ferroviario nazionale dopo l'ottobre 1917.
F.P. Kazancev (a sinistra) e I.K. Matrosov (a destra) — creatori del freno ferroviario nazionale
La prima avvisaglia, il primo serio traguardo della giovane scienza della frenata nazionale, furono gli sviluppi dell'ingegnere Florentiij Pimenovič Kazancev. Nel 1921 Kazancev propose un sistema freno automatico a azione diretta. Lo schema riportato di seguito descrive tutte le idee principali introdotte non solo da Kazancev, e il suo compito è spiegare i principi di base del funzionamento del freno automatico migliorato
Freno automatico a azione diretta: 1 — compressore; 2 — serbatoio principale; 3 — condotta di alimentazione; 4 — rubinetto del macchinista; 5 — dispositivo di alimentazione per le perdite della condotta freno; 6 — condotta freno; 7 — maniche di collegamento per freni; 8 — rubinetto terminale; 9 — rubinetto di fermo; 10 — valvola di non ritorno; 11 — serbatoio di riserva; 12 — distributore d'aria; 13 — cilindro del freno; 14 — riduttore del freno.
Quindi, la prima idea principale è che la gestione della pressione nella condotta freno (TM) avviene in modo indiretto, attraverso la riduzione/aumento della pressione in un serbatoio speciale, chiamato serbatoio di compensazione (UR). Esso è mostrato nella figura a destra del rubinetto del macchinista (4) e sopra il dispositivo di alimentazione per le perdite dalla TM (5). La densità di questo serbatoio è tecnicamente molto più facile da garantire rispetto a quella della condotta freno, che è lunga chilometri e attraversa l'intero treno. La relativa stabilità della pressione nell'UR consente di mantenere la pressione nella TM, utilizzando la pressione nell'UR come riferimento. In effetti, il pistone nel dispositivo (5) si abbassa quando la pressione nella TM diminuisce, aprendo la valvola che riempie la TM dalla condotta di alimentazione, mantenendo così nella TM una pressione pari a quella nell'UR. Questa idea doveva ancora passare attraverso un lungo sviluppo, ma ora la pressione nella TM non dipendeva dalla presenza di perdite esterne (fino a determinati limiti). Il dispositivo 5 si è spostato nel rubinetto del macchinista e vi rimane, in forma modificata, fino ad oggi.
Un'altra idea importante alla base della progettazione di questo tipo di freno è l'alimentazione del serbatoio di riserva dalla TM attraverso la valvola di non ritorno 10. Quando la pressione nella TM supera quella nel serbatoio di riserva, questa valvola si apre, riempiendo il serbatoio di riserva dalla TM. In questo modo si realizza un continuo rifornimento delle perdite dal serbatoio di riserva e si garantisce la non esauribilità del freno.
La terza idea importante proposta da Kazancev è la costruzione del distributore d'aria che funziona sulla base della differenza non di due pressioni, ma di tre: la pressione nella linea dei freni, la pressione nel cilindro del freno e la pressione in una camera di lavoro speciale (RK), che quando si rilascia riceve pressione dalla linea dei freni, insieme al serbatoio di riserva. In modalità di frenata, la RK viene disconnessa dal serbatoio di riserva e dalla linea dei freni, mantenendo il valore della pressione di carica originale. Questa proprietà viene ampiamente utilizzata nei freni dei veicoli ferroviari sia per garantire un rilascio graduale che per controllare l'uniformità del riempimento del cilindro del freno lungo il treno nei convogli merci, poiché la camera di lavoro funge da standard della pressione di carica originale. In base al suo valore, è possibile garantire sia un rilascio graduale che organizzare un riempimento anticipato dei cilindri del freno nei vagoni di coda. Lascerò una descrizione dettagliata di queste cose per altri articoli su questo tema, per ora dirò solo che il lavoro di Kazancev ha stimolato lo sviluppo di una scuola scientifica nel nostro paese, che ha portato alla creazione di sistemi di freni originali per i veicoli ferroviari.
Un altro inventore sovietico che ha influenzato drasticamente lo sviluppo dei freni ferroviari nazionali è stato Ivan Konstantinovich Matrosov. Le sue idee non differivano sostanzialmente da quelle di Kazancev, tuttavia, i successivi test operativi dei sistemi frenanti di Kazancev e Matrosov (insieme ad altri sistemi di frenatura) hanno mostrato un notevole vantaggio del secondo sistema in termini di caratteristiche operative, soprattutto nei treni merci. Pertanto, il freno di Matrosov con distributore d'aria n. 320 è diventato la base per ulteriore sviluppo e progettazione dell'attrezzatura frenante per le ferrovie a scartamento di 1520 millimetri. L'attuale freno automatico, utilizzato in Russia e nei paesi della CSI, può giustamente portare il nome del freno di Matrosov, poiché ha assorbito, nella fase iniziale del suo sviluppo, le idee e le soluzioni progettuali di Ivan Konstantinovich.
In conclusione
E qual è la conclusione? Lavorare su questo articolo mi ha convinto che l'argomento merita un ciclo di articoli. In questo articolo pilota, abbiamo affrontato la storia dello sviluppo dei freni per veicoli ferroviari. Nei prossimi entreremo nei dettagli più piccanti, trattando non solo i freni nazionali, ma anche le realizzazioni dei nostri colleghi dell'Europa occidentale, illuminando il funzionamento dei freni di diversi tipi e delle varie modalità di utilizzo nel servizio ferroviario. Spero quindi che l'argomento sarà interessante, e ci vediamo alla prossima su Habr!
Grazie per la vostra attenzione!
Fonte: habr.com
