L'energia cinetica del «Sapsan» alla massima velocità supera i 1500 megajoule. Per una fermata completa, tutta questa energia deve essere dissipata attraverso i dispositivi di frenata.
È successo, proprio qui, su Habr. Vengono pubblicati molti articoli di revisione sul tema ferroviario, tuttavia questo particolare argomento non è stato trattato in dettaglio. Penso che sarebbe interessante scrivere un articolo al riguardo, e forse anche più di uno. Pertanto, invito coloro che sono interessati a come funzionano i sistemi di frenata del trasporto ferroviario e per quali motivi sono progettati in questo modo a proseguire.
1. Storia dell'arrivo dei freni pneumatici
Il compito di gestire qualsiasi trasporto implica la regolazione della velocità del suo movimento. Il trasporto ferroviario non fa eccezione; anzi, le sue caratteristiche costruttive introducono sfumature significative 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, con una velocità di movimento piuttosto elevata.
Per definizione, i freni sono un complesso di dispositivi progettati per creare forze di resistenza artificiali e regolamentate utilizzate per una riduzione controllata della velocità di movimento del veicolo.
Il modo più ovvio e diretto per generare forza frenante è l'utilizzo della forza di attrito. Fin dall'inizio e fino ad oggi, si utilizza il freno a ganasce con attrito. Dispositivi speciali — le ganasce, fabbricate con materiali ad alto coefficiente di attrito, vengono premute meccanicamente sulla superficie di rotolamento della ruota (o su dischi speciali montati sull'asse della coppia di ruote). Tra la ganascia e la ruota si genera una forza di attrito che produce un momento frenante.
La regolazione della forza frenante avviene mediante la modifica della forza di pressione delle ganasce sulla ruota — pressione del freno. La questione è solo quale tipo di azionamento viene utilizzato per premere le ganasce, e la storia dei freni è in parte la storia dello sviluppo di questo azionamento.
I primi freni ferroviari erano meccanici e azionati a mano, separatamente per ogni carro, da persone speciali — freni o conducenti. I conducenti si trovavano sulle cosiddette piattaforme di frenata, equipaggiate in 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 corda segnaletica speciale tesa lungo tutto il treno, che azionava un fischietto.
Un antico carro merci a due assi con piattaforma dei freni. Si vede la manovella del freno a mano.
Un freno meccanico possiede di per sé una bassa potenza. L'entità della pressione del freno dipendeva dalla forza e dalla destrezza del conducente. Inoltre, il funzionamento di tale sistema frenante era influenzato dal fattore umano — i conducenti non sempre svolgevano correttamente le loro funzioni. Non si poteva parlare di alta efficienza di questi freni e nemmeno dell'aumento della velocità dei treni dotati di essi.
Lo sviluppo successivo dei freni richiedeva, da un lato, un aumento della pressione del freno e, dall'altro, la possibilità di controllarli a distanza su tutti i vagoni dal posto di lavoro del macchinista.
L'azionamento idraulico, utilizzato nei freni automobilistici, ha avuto una larga diffusione grazie al fatto chefornisce alta pressione in dispositivi esecutivi compatti. Tuttavia, l'applicazione di tale sistema nel treno manifesterebbe il suo principale svantaggio: la necessità di un corpo di lavoro speciale — il fluido frenante, la cui perdita è inaccettabile. La grande estensione delle linee idrauliche frenanti nel treno, insieme ad elevati requisiti di tenuta, rendono impossibile e poco razionale la creazione di un freno ferroviario idraulico.
Un'altra questione è l'azionamento pneumatico. L'uso dell'aria ad alta pressione consente di ottenere alte pressioni di frenata a dimensioni accettabili degli dispositivi esecutivi — i cilindri freni. Non c'è carenza del corpo di lavoro — l'aria è intorno a noi e anche se si verifica una perdita del corpo di lavoro dal sistema frenante (e accade certamente), è relativamente facile da ripristinare.
Il sistema di freno più semplice, che utilizza l'energia dell'aria compressa, è il freno non automatico a azione diretta.
Schema del freno a comando diretto non automatico: 1 — compressore; 2 — serbatoio principale; 3 — condotto di alimentazione; 4 — rubinetto del conduttore; 5 — condotto del freno; 6 — cilindro del freno; 7 — molla di rilascio; 8, 9 — trasmissione meccanica del freno; 10 — ganascia del freno.
Per il funzionamento di questo freno è necessaria una riserva di aria compressa, conservata sulla locomotiva in un serbatoio speciale chiamato serbatoio principale (2). La pressione dell'aria nel serbatoio principale e il mantenimento di una pressione costante viene effettuato dal compressore (1), azionato dall'impianto energetico della locomotiva. L'alimentazione di aria compressa agli strumenti di controllo dei freni avviene tramite un condotto speciale, chiamato condotto di alimentazione (PМ) o pressurizzato (3).
Il controllo dei freni dei vagoni e l'alimentazione di aria compressa avviene tramite un lungo condotto che attraversa l'intero treno e si chiama condotto del freno (ТМ) (5). Quando l'aria compressa viene fornita attraverso il ТМ, essa riempie i cilindri del freno (ТЦ) (6) collegati direttamente al ТМ. L'aria compressa spinge il pistone, premiando le ganasce del freno 10 sulle ruote, sia sulla locomotiva che sui vagoni. Si verifica l'arresto.
Per interrompere l'arresto, cioè il rilascio dei freni, è necessario rilasciare l'aria dal condotto del freno nell'atmosfera, il che porterà al ritorno dei meccanismi dei freni nella posizione iniziale grazie alla forza delle molle di rilascio, poste nei ТЦ.
Per l'arresto è necessario collegare il condotto del freno (ТМ) con il condotto di alimentazione (PМ). Per il rilascio — collegare il condotto del freno all'atmosfera. Queste funzioni sono svolte da un dispositivo speciale — rubinetto del conduttore (4) — durante l'arresto collega il PМ e il ТМ, durante il rilascio — separa questi condotti, rilasciando contemporaneamente l'aria dal ТМ nell'atmosfera.
In questo sistema esiste anche una terza posizione intermedia del rubinetto del conduttore — parzialmente chiuso quando il PМ e il ТМ sono separati, ma non avviene il rilascio dell'aria dal ТМ nell'atmosfera — il rubinetto del conduttore isola completamente il sistema. La pressione accumulata nel ТМ e nel ТЦ viene mantenuta e il tempo di mantenimento a un livello stabilito è determinato dalla quantità di perdite d'aria attraverso varie tenute e dalla resistenza termica delle ganasce del freno, che si surriscaldano per attrito con gli anelli delle ruote. La posizione parzialmente chiusa, sia durante l'arresto che durante il rilascio, permette di regolare la forza del freno a gradini. Questo freno offre sia un arresto graduale che un rilascio graduale.
Nonostante la semplicità di questo sistema di freno, esso presenta un difetto fatale — in caso di separazione del treno si verifica la rottura del condotto del freno, l'aria esce e il treno rimane senza freni. Proprio per questo motivo, questo freno non può essere utilizzato nei trasporti ferroviari, poiché il costo di un guasto è troppo elevato. Anche senza la rottura del treno, in presenza di grosse perdite d'aria, l'efficacia del freno sarà ridotta.
Alla luce di quanto sopra, emerge la necessità che l'arresto del treno sia attivato non da un aumento, ma da una diminuzione della pressione nel ТМ. Ma come riempire allora i cilindri del freno? Questo porta alla seconda necessità: su ciascun veicolo in movimento nel treno deve essere conservata una riserva di aria compressa, che deve essere rapidamente ripristinata dopo ogni arresto.
Conclusioni simili furono raggiunte dal pensiero ingegneristico 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 — condotto di alimentazione; 4 — rubinetto del conduttore; 5 — condotto del freno; 6 — distributore d'aria (valvola tripla) del sistema di Westinghouse; 7 — cilindro del freno; 8 — serbatoio di riserva; 9 — rubinetto di arresto.
Nell'illustrazione è mostrata la struttura di questo freno (figura a — funzionamento del freno durante il rilascio; b — funzionamento del freno durante l'arresto). L'elemento principale del freno di Westinghouse è diventato il distributore d'aria del freno o, come viene talvolta chiamato, valvola tripla. Questo distributore d'aria (6) ha un organo sensibile — un pistone, che opera sulla differenza di due pressioni — nel condotto del freno (ТМ) e nel serbatoio di riserva (ЗР). Se la pressione nel ТМ diventa inferiore a quella nel ЗР, il pistone si sposta a sinistra, aprendo il passaggio dell'aria dal ЗР al ТЦ. Se la pressione nel ТМ diventa superiore a quella nel ЗР, il pistone si sposta a destra, collegando il ТЦ all'atmosfera, e contemporaneamente collegando il ТМ e il ЗР, garantendo il riempimento di quest'ultimo con aria compressa dal ТМ.
Quindi, in caso di riduzione della pressione nella TM per qualsiasi motivo, sia per le azioni del macchinista, una perdita d'aria eccessiva dalla TM, oppure un deragliamento — i freni verranno attivati. In altre parole, tali freni possiedono automazione di funzionamento. Questa caratteristica del freno ha permesso di aggiungere un'altra funzionalità nella gestione dei freni del treno, utilizzata tuttora nei treni passeggeri: l'arresto d'emergenza del treno da parte di un passeggero, tramite la comunicazione della linea frenante con l'atmosfera attraverso una valvola speciale — freno di emergenza (9).
Per chi è familiare con questa caratteristica del sistema frenante del treno, è divertente guardare film in cui i ladri cowboys rapidamente staccano un vagone d'oro dal treno. Affinché ciò possa avvenire, i cowboy devono chiudere le valvole terminali della linea frenante, che separano la linea frenante dai tubi di collegamento tra i vagoni, prima di staccarsi. Ma non lo fanno mai. D'altro canto, le valvole terminali chiuse sono state spesso la causa di terribili catastrofi legate al guasto dei freni, sia qui (Kamenks nel 1987, Yeral-Simsk nel 2011), sia all'estero.
Poiché il riempimento dei cilindri dei freni avviene da una fonte secondaria di aria compressa (serbatoio di riserva), senza possibilità di un continuo rifornimento, questo freno è chiamato non diretta azione. La carica del serbatoio di riserva con aria compressa avviene solo quando il freno viene rilasciato, il che porta al risultato che, durante frenate frequenti seguite da rilascio, e con una scarsa attesa di tempo dopo il rilascio, il serbatoio di riserva non riesca a caricarsi alla pressione necessaria. Ciò potrebbe portare all'esaurimento completo del freno e alla perdita di controllo dei freni del treno.
Il freno pneumatico ha anche un altro svantaggio, legato al fatto che la caduta della pressione nella linea frenante, come qualsiasi perturbazione, si diffonde in un mezzo aereo con una velocità grande, ma comunque finita — non superiore a 340 m/s. Perché non più di così? Perché la velocità del suono rappresenta l'ideale. Ma nel sistema pneumatico del treno ci sono una serie di ostacoli che riducono la velocità di diffusione della caduta di pressione, legati alla resistenza del flusso d'aria. Pertanto, se non si prendono misure speciali, la velocità di caduta della pressione nella TM sarà tanto più bassa quanto più lontano si trova il vagone dalla locomotiva. Nel caso del freno di Westinghouse, la velocità della cosiddetta onda frenante non supera i 180 - 200 m/s.
Tuttavia, l'introduzione del freno pneumatico ha permesso di aumentare sia la potenza dei freni che l'efficacia della loro gestione direttamente dal posto di lavoro del macchinista. Questo ha rappresentato un grande impulso allo sviluppo del trasporto ferroviario, aumentando la velocità di movimento e il peso dei treni, e quindi un colossale incremento del traffico merci sulle ferrovie, con la crescita della lunghezza delle linee ferroviarie in tutto il mondo.
George Westinghouse non era solo un inventore, ma anche un imprenditore intraprendente. Ha brevettato la sua invenzione nel 1869, il che gli ha permesso di avviare una produzione di massa di attrezzature frenanti. Molto rapidamente, il freno di Westinghouse ha ottenuto una vasta diffusione negli Stati Uniti, in Europa occidentale e nell'Impero russo.
In Russia, il freno di Westinghouse è stato dominante fino alla Rivoluzione d'Ottobre e anche per un lungo periodo dopo. La società "Westinghouse" costruì a San Pietroburgo la propria fabbrica di freni e riuscì abilmente a far fuori i concorrenti dal mercato russo. Tuttavia, il freno di Westinghouse presentava una serie di gravi difetti.
In primo luogo, questo freno offriva solo due modalità operative: frenata fino al riempimento completo dei cilindri dei freni, e rilascio — svuotamento dei cilindri dei freni. Creare un valore intermedio di pressione frenante con una sua lunga sostenibilità era impossibile, ossia nel freno di Westinghouse mancava una modalità di sovrapposizione. Ciò impediva di realizzare un controllo preciso della velocità del treno.
In secondo luogo, il freno di Westinghouse funzionava male nei treni lunghi, e se nel traffico passeggeri si poteva in qualche modo tollerare, nei treni merci emergono problemi. Ricordate l'onda frenante? Bene, il freno di Westinghouse non aveva i mezzi per aumentare la sua velocità, e in un lungo treno la caduta della pressione nella TM sull'ultimo vagone poteva iniziare troppo tardi, e a un ritmo molto inferiore rispetto alla testa del treno, creando un'enorme irregolarità nell'attivazione degli apparecchi frenanti lungo il convoglio.
È importante sottolineare che tutte le attività della società «Westinghouse», sia in Russia in quel periodo che nel resto del mondo, erano permeate dall'odore del capitalismo delle guerre di brevetto e della concorrenza sleale. Questo ha garantito a un sistema così imperfetto una vita così lunga, almeno in quel periodo storico.
Detto ciò, va riconosciuto che il freno Westinghouse ha posto le basi della scienza dei freni e il suo principio di funzionamento è rimasto invariato nei freni moderni per materiale rotabile.
2. Dal freno Westinghouse al freno Matrosov — l'evoluzione della scienza dei freni nazionale.
Praticamente subito dopo l'introduzione del freno Westinghouse e la consapevolezza delle sue carenze, sono emerse tentativi di migliorare questo sistema, oppure di crearne uno totalmente nuovo. Il nostro paese non era un'eccezione. All'inizio del XX secolo, la Russia possedeva una rete ferroviaria sviluppata, che giocava un ruolo significativo nello sviluppo economico e nella difesa del paese. L'aumento dell'efficienza dei trasporti è collegato all'aumento della velocità di movimento e della massa del carico trasportato simultaneamente, il che ha quindi portato a sollevare urgentemente questioni di miglioramento dei sistemi di frenatura.
Un impulso significativo allo sviluppo della scienza dei freni nella RSFSR e poi nell'URSS è stato dato dalla diminuzione dell'influenza del grande capitale occidentale, in particolare dell'azienda «Westinghouse», sullo sviluppo dell'industria ferroviaria nazionale dopo ottobre 1917.
F.P. Kazancev (a sinistra) e I.K. Matrosov (a destra) — i creatori del freno ferroviario nazionale
Il primo significativo traguardo della giovane scienza dei freni nazionale è stato rappresentato dagli sviluppi dell'ingegnere Florentiy Pimenovich Kazancev. Nel 1921, Kazancev propose un sistema di freno automatico a azione diretta.Lo schema sottostante descrive tutte le principali idee introdotte non solo da Kazancev ed il suo obiettivo è spiegare i principi fondamentali del funzionamento del freno automatico migliorato.
Freno automatico a azione diretta: 1 — compressore; 2 — serbatoio principale; 3 — condotta di alimentazione; 4 — valvola dell'intero treno per il macchinista; 5 — dispositivo di alimentazione per perdite della condotta dei freni; 6 — condotta dei freni; 7 — tubi di collegamento dei freni; 8 — valvola terminale; 9 — valvola di emergenza; 10 — valvola di non ritorno; 11 — serbatoio di riserva; 12 — distributore d'aria; 13 — cilindro dei freni; 14 — trasmissione a leve dei freni.
Quindi, la prima idea fondamentale è che il controllo della pressione nella condotta dei freni avviene indirettamente — attraverso la riduzione/aumento della pressione in un serbatoio speciale chiamato serbatoio compensatore (SC). È mostrato nella figura a destra della valvola del macchinista (4) e sopra il dispositivo di alimentazione per le perdite nella condotta dei freni (5). La densità di questo serbatoio è tecnicamente molto più facile da garantire rispetto alla densità della condotta dei freni — tubi lunghi chilometrici che attraversano l'intero treno. La relativa stabilità della pressione nello SC consente di mantenere la pressione nella condotta dei freni, utilizzando la pressione nello SC come riferimento. Infatti, il pistone nel dispositivo (5) scende quando la pressione nella condotta dei freni diminuisce, aprendo la valvola che riempie la condotta dei freni dalla condotta di alimentazione, mantenendo così la pressione nella condotta dei freni uguale a quella nello SC. Quest'idea ha dovuto affrontare un lungo percorso di sviluppo, ma ora la pressione nella condotta dei freni non dipendeva dalla presenza di perdite esterne (fino a certi limiti). Il dispositivo 5 è stato trasferito alla valvola del macchinista e vi rimane, in forma modificata, fino ad oggi.
Un'altra idea importante alla base della costruzione di questo tipo di freno è l'alimentazione del serbatoio di riserva dalla condotta dei freni attraverso la valvola di non ritorno 10. Quando la pressione nella condotta dei freni supera quella nel serbatoio di riserva, questa valvola si apre, riempiendo il serbatoio di riserva dalla condotta dei freni. In questo modo avviene un continuo rifornimento delle perdite dal serbatoio di riserva e si garantisce l'inestinguibilità del freno.
La terza idea importante proposta da Kazantsev è la costruzione del distributore d'aria, che funziona sulla base della differenza di tre pressioni - la pressione nella linea dei freni, la pressione nel cilindro del freno e la pressione in una speciale camera di lavoro (RK), che durante il rilascio riceve pressione dalla linea dei freni insieme a un serbatoio di riserva. In modalità di frenatura, la RK viene isolata dal serbatoio di riserva e dalla linea dei freni, mantenendo il valore della pressione di carica iniziale. Questa caratteristica è ampiamente utilizzata nei freni dei veicoli sia per garantire il rilascio a gradino sia per controllare l'uniformità del riempimento del TC lungo il treno nei treni merci, poiché la camera di lavoro funge da riferimento della pressione di carica iniziale. Basandosi su questo valore, si possono garantire sia il rilascio a gradino che organizzare un riempimento anticipato del TC nei vagoni di coda. Lascerò una descrizione dettagliata di queste cose per altri articoli su questo tema, per ora dirò solo che i lavori di Kazantsev hanno stimolato lo sviluppo di una scuola scientifica nel nostro paese, portando alla creazione di sistemi originali di frenatura per i veicoli.
Un altro inventore sovietico, che ha avuto un impatto radicale sullo sviluppo dei freni dei veicoli, è stato Ivan Konstantinovich Matrosov. Le sue idee non differivano sostanzialmente da quelle di Kazantsev, tuttavia i successivi test operativi dei sistemi di frenatura di Kazantsev e Matrosov (assieme ad altri sistemi di frenatura) hanno mostrato un notevole superiorità del secondo sistema per quanto riguarda le caratteristiche operative, soprattutto nell'uso su treni merci. Pertanto, il freno di Matrosov con il distributore d'aria n. 320 è diventato la base per il successivo sviluppo e progettazione dell'attrezzatura di frenatura delle ferrovie a scartamento di 1520 millimetri. Il moderno freno automatico, utilizzato in Russia e nei paesi della CSI, può giustamente portare il nome del freno di Matrosov, poiché ha assorbito, nelle sue fasi iniziali di sviluppo, le idee e le soluzioni progettuali di Ivan Konstantinovich.
In conclusion
E quale conclusione? Il lavoro su questo articolo mi ha convinto che l'argomento merita un ciclo di articoli. In questo articolo pilota, abbiamo toccato la storia dello sviluppo dei freni dei veicoli. Nei prossimi articoli andremo nei dettagli piccanti, trattando non solo i freni domestici, ma anche le invenzioni dei colleghi dell'Europa occidentale, delineando la struttura dei freni di diversi tipi e servizi dei veicoli. Quindi, spero che l'argomento risulti interessante e ci rivedremo presto su Habr!
Grazie per la vostra attenzione!
Fonte: habr.com
