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

I treni ad alta velocità, come il TGV, non utilizzano più la frenata pneumatica.

Oggi parleremo della modernità, ovvero dei diversi approcci alla creazione dei sistemi di frenata dei materiali rotabili utilizzati nel XXI secolo, che tra un mese compiranno il loro terzo decennio.

1. Classificazione dei freni dei materiali rotabili

In base al principio fisico di creazione della forza frenante, tutti i freni ferroviari possono essere divisi in due tipi principali: freni a frizione, che utilizzano la forza di attrito, e freni dinamici, che utilizzano un motore di trazione per generare il momento frenante.

I freni a frizione comprendono freni a pattino di tutte le configurazioni, compresi quelli a disco, e freni a induzione magnetica, che vengono utilizzati nel trasporto ad alta velocità, principalmente in Europa occidentale. Sulla scartamento 1520, questo tipo di freno è stato utilizzato esclusivamente sul treno elettrico ER200. Per quanto riguarda il "Sapsan", RZD ha rinunciato all'uso del freno a induzione magnetica, sebbene il prototipo di questo treno elettrico, il tedesco ICE3, sia dotato di questo freno.

Carrello del treno ICE3 con freno a induzione magnetica

Carrello del treno "Sapsan"

I freni dinamici, e più precisamente freni elettrodinamici , comprendono tutti i freni la cui azione si basa sulla conversione dei motori elettrici di trazione nella modalità generatori (frenatura rigenerativa e frenatura a reostato), così come la frenatura per ricircolo di corrente.

Con il freno di recupero e quello a resistenza, tutto è relativamente chiaro: i motori vengono in un modo o nell'altro portati in modalità generatore e, nel caso del recupero, restituiscono energia alla rete di contatto, mentre nel caso della resistenza, l'energia prodotta viene dissipata su resistori speciali. Entrambi i freni vengono utilizzati sia sui treni a trazione locomotiva che sui treni automotori, dove il freno elettrodinamico è il freno principale, a causa del gran numero di motori elettrici di trazione distribuiti su tutto il treno. L'unico svantaggio del freno elettrodinamico (EDT) è l'incapacità di fermarsi completamente. Quando l'efficacia dell'EDT diminuisce, viene sostituito automaticamente da un freno a frizione pneumatica.

Per quanto riguarda la frenata per inversione, essa garantisce la fermata completa, poiché consiste nell'invertire il motore di trazione mentre è in movimento. Tuttavia, questo regime è nella maggior parte dei casi considerato un'emergenza: il suo uso regolare rischia di danneggiare il sistema di trazione. Prendendo ad esempio un motore a collettore, al cambiamento della polarità della tensione applicata, la forza contro-elettromotrice generata dal motore in rotazione non viene sottratta dalla tensione di alimentazione, ma si somma ad essa: le ruote continuano a girare nella stessa direzione in cui giravano in modalità trazione! Questo porta a un aumento esponenziale della corrente e la cosa migliore che può succedere è che scattino i dispositivi di protezione elettrici.

Per questa ragione, sui locomotori e sugli elettrotreni vengono adottate tutte le misure per impedire l'inversione dei motori in movimento. La leva di inversione viene meccanicamente bloccata quando il controller del macchinista si trova nelle posizioni di marcia. Sui "Sapsan" e "Lastochka", il movimento dell'interruttore di inversione a una velocità superiore a 5 km/h porta a un immediato freno d'emergenza.

Tuttavia, alcuni locomotori nazionali, come il locomotore elettrico VL65, utilizzano la frenata inversa come modalità normale a basse velocità.

La frenata inversa è una modalità normale fornita dal sistema di controllo del locomotore elettrico VL65.

È importante sottolineare che, nonostante l'alta efficacia della frenata elettrodinamica, ogni treno è sempre, sottolineo sempre, dotato di un freno pneumatico ad azione automatica, ossia che si attiva grazie al rilascio dell'aria dalla condotta del freno. Sia in Russia che nel resto del mondo, i vecchi e buoni freni a ganascia a frizione sono sempre in guardia per la sicurezza del movimento.

In base alla loro funzione, i freni di tipo a frizione si suddividono in

1. Freni di sosta, manuali o automatici
2. Freni da treno — freni pneumatici (PT) o elettropneumatici (EPT) installati su ciascuna unità del materiale rotabile nel treno e controllati centralmente dalla cabina del macchinista
3. Freni locomotive — freni pneumatici ad azione diretta, destinati a fermare la locomotiva senza fermare il treno. Sono gestiti separatamente dai freni del treno.

2. Freno di sosta

Il freno manuale con azionamento meccanico non è scomparso dal materiale rotabile; è installato sia sulle locomotive che sui vagoni — ha semplicemente cambiato funzione, trasformandosi in un freno di sosta che permette di evitare il movimento involontario del materiale rotabile in caso di fuoriuscita dell'aria dal suo sistema pneumo. La ruota rossa, simile a un timone navale, è il comando del freno manuale, una delle sue varianti.

Timone del freno manuale di sosta nella cabina dell'elettrolocomotiva VL60pk

Freno manuale nel corridoio di un vagone passeggeri

Freno manuale su un moderno vagone merci

Il freno manuale, tramite azionamento meccanico, preme sulle ruote le stesse ganasce utilizzate nella frenata normale.

Sui moderni materiali rotabili, in particolare sugli elettrotreni EVS1/EVS2 "Sapsan", ES1 "Lastochka", e anche sull'elettrolocomotiva EP20, il freno di sosta è automatico e la pressione delle ganasce sul disco del freno è eseguita da accumulatori a molla. Una parte dei meccanismi a ghiera che premono le pastiglie contro i dischi dei freni è dotata di potenti molle, così potenti che il rilascio avviene tramite un attuatore pneumatico con una pressione di 0,5 MPa. L'attuatore pneumatico, in questo caso, oppone resistenza alle molle che premono le pastiglie. Il controllo di tale freno di stazionamento avviene tramite pulsanti sul pannello del macchinista.

Pulsanti di controllo del freno a molle di stazionamento (SPT) sull'elettrotreno ES1 «Lastochka»

Dal punto di vista della sua struttura, questo freno è simile a quello utilizzato sui potenti camion. Ma come freno principale nei treni, tale sistema è completamente inadeguato, e perché, lo spiegherò in dettaglio dopo aver descritto il funzionamento dei freni pneumatici dei treni.

3. Freni pneumatici di tipo merci

Ogni vagone merci è equipaggiato con il seguente complesso di attrezzatura per i freni

Attrezzatura per i freni del vagone merci: 1 — tubo di collegamento del freno; 2 — rubinetto finale; 3 — rubinetto di stop; 5 — filtro antipolvere; 6, 7, 9 — moduli del distributore d'aria a n. 483; 8 — rubinetto separatore; VR — distributore d'aria; TM — condotta freni; ZR — serbatoio di riserva; TC — cilindro del freno; AR — modalità automatica di carico


Condotta freni (TM) — tubo di diametro 1,25” che percorre tutto il vagone, alle estremità è dotato di rubinetti finali, per separare la condotta freni durante la disconnessione del vagone prima di scollegare i tubi di collegamento flessibili. Nella condotta freni, in condizioni normali, viene mantenuta la cosiddetta pressione di carica di 0,50 — 0,54 MPa, così che scollegare i tubi senza chiudere i rubinetti finali è un'operazione dubbiosa che, nel senso letterale, può farvi perdere la testa.

Il serbatoio d'aria, direttamente fornito nei cilindri del freno, è conservato in un serbatoio di riserva (ZR), il cui volume è nella maggior parte dei casi 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 troverebbe nella linea dei freni del locomotore. E più ci si allontana dal locomotore, minore è la pressione nella linea dei freni, perché in essa ci sono inevitabilmente perdite che portano a fughe d'aria. Quindi la pressione nella linea dei freni dell'ultimo carro del treno sarà leggermente inferiore alla carica.

Cilindro del freno, e nella maggior parte dei carri è uno solo, riempiendolo dal serbatoio di riserva, attraverso il sistema di leve dei freni preme su tutte le ganasce presenti sul carro. Il volume del cilindro del freno è di circa 8 litri, quindi durante una frenata completa la pressione in esso non supera 0,4 MPa. Anche la pressione nel serbatoio di riserva scende a quel valore.

Il principale "protagonista" di questo sistema è distributore dell'aria. Questo dispositivo reagisce alle variazioni di pressione nella linea dei freni, eseguendo determinate operazioni a seconda della direzione e del ritmo della variazione di tale pressione.

Con la diminuzione della pressione nella linea dei freni avviene la frenata. Ma non con qualsiasi diminuzione della pressione: la diminuzione della pressione deve avvenire a un ritmo specifico, chiamato ritmo della 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 attiva la frenata. Questo è stato fatto affinché i freni non si attivassero in caso di perdite normali dalla linea dei freni, e anche per evitare attivazioni nella fase di eliminazione della sovra-pressurizzazione, di cui parleremo più avanti.

Quando il distributore dell'aria si attiva per la frenata, esegue una scarica supplementare della linea dei freni a ritmo di servizio di 0,05 MPa. Questo viene fatto per garantire una diminuzione stabile della pressione lungo tutto il treno. Se non si esegue questa scarica supplementare, gli ultimi carri di un lungo treno potrebbero non frenare affatto. La scarica supplementare della linea dei freni è eseguita da tutti distributori dell'aria moderni, inclusi quelli passeggeri.

Quando si attiva il freno, il distributore d’aria disconnette il serbatoio di riserva dalla linea dei freni e lo collega al cilindro del freno. Si verifica il riempimento del cilindro del freno. Ciò avviene esattamente per il tempo in cui continua a scendere la pressione nella linea dei freni. Quando smette di scendere la pressione nella linea dei freni, il riempimento del cilindro del freno si interrompe. Si attiva la modalità di sovraccarico. La pressione accumulata nel cilindro del freno dipende da due fattori:

1. la profondità dello scarico della linea dei freni, cioè la quantità di abbassamento della pressione in essa rispetto al
2. modo di funzionamento del distributore d’aria

Il distributore d’aria per carico ha tre modalità di funzionamento: carico (C), medio (M) e scarico (S). Queste modalità si differenziano per la pressione massima accumulata nei cilindri del freno. Il passaggio tra le modalità avviene manualmente ruotando un’apposita manopola di selezione della modalità.

In sintesi, la dipendenza della pressione nel cilindro del freno dalla profondità dello scarico della linea dei freni con il distributore d’aria 483 in diverse modalità è la seguente

Un inconveniente dell’utilizzo dell’interruttore della modalità è che il personale della funzionalità del vagone deve camminare lungo l’intero convoglio, arrampicarsi sotto ogni vagone e impostare l'interruttore della modalità nella posizione corretta. Questo, secondo notizie provenienti dall’operatività, non avviene sempre. Un eccessivo riempimento dei cilindri del freno su un vagone vuoto è fonte di slittamento, diminuzione dell’efficacia del freno e danneggiamento delle coppie di ruote. Per uscire da una situazione del genere, nei vagoni merci tra il distributore d’aria e il cilindro del freno viene inserito il cosiddetto modo automatico (MA), che, determinando meccanicamente il peso del vagone, regola dolcemente la pressione massima nel cilindro del freno. Se il vagone è dotato del modo automatico, allora l'interruttore della modalità sul DA viene impostato nella posizione “carico”.

La frenata viene solitamente eseguita in modo graduale. La minima fase di scarico del circuito frenante per il VR483 sarà di 0,06 – 0,08 MPa. In questo caso, nei cilindri dei freni si stabilisce una pressione di 0,1 MPa. Il macchinista quindi posiziona la valvola in modalità di chiusura, mantenendo la pressione stabilita dopo la frenata all'interno del circuito frenante. Se l'efficacia della frenata di un singolo gradino non è sufficiente, si procede al gradino successivo. In questo caso, per il distributore dell'aria non importa come avviene la scarica: la pressione diminuisce in qualunque modo e i cilindri dei freni vengono riempiti in modo proporzionale all'entità della diminuzione della pressione.

Il rilascio completo dei freni (completa svuotatura dei cilindri dei freni su tutto il treno) avviene aumentando la pressione nel circuito frenante oltre il livello di carica. Inoltre, nei treni merci, si verifica un notevole aumento della pressione nella TM rispetto a quella di carica, per fare in modo che l'onda di aumento della pressione arrivi fino agli ultimi vagoni. Il rilascio completo dei freni in un treno merci è un processo lungo e può richiedere fino a un minuto.

Il VR483 ha due modalità di rilascio: piano e in salita. In modalità piano, l'aumento della pressione nel circuito frenante comporta un rilascio completo e senza gradini. In modalità salita è possibile un rilascio graduale dei freni, che non prevede la completa svuotatura dei cilindri. Questa modalità viene utilizzata quando si viaggia su profili complessi con una grande inclinazione.

Il distributore dell'aria 483 è un dispositivo molto interessante. Un'analisi approfondita della sua struttura e funzionamento è un argomento per un grande articolo separato. Qui abbiamo esaminato i principi generali di funzionamento del freno merci.

3. Freni pneumatici di tipo passeggeri

Apparecchiature frenanti del vagone passeggeri: 1 — tubo di collegamento; 2 — valvola finale; 3, 5 — scatole di connessione della linea del freno elettropneumatico; 4 — valvola di arresto; 6 — tubo con cablaggio del freno elettropneumatico; 7 — sospensione isolata del tubo di collegamento; 8 — raccoglitore di polvere; 9 — deviazione verso il distributore d'aria; 10 — valvola di disconnessione; 11 — camera di lavoro del distributore elettropneumatico; TM — linea frenante; VR — distributore d'aria; EVR — distributore elettropneumatico; TC — cilindro frenante; ZR — serbatoio di riserva

Salta subito all'occhio la maggiore quantità di attrezzature, a cominciare dal fatto che qui ci sono addirittura tre valvole di arresto (una in ogni vestibolo e una nel compartimento del conducente), fino al fatto che i vagoni passeggeri nazionali sono equipaggiati sia con freni pneumatici che freni elettropneumatici (FEP).

Il lettore attento noterà subito il principale svantaggio del comando pneumatico dei freni: la velocità finale di propagazione dell'onda frenante, limitata dalla velocità del suono. In pratica, tuttavia, questa velocità è inferiore e si attesta a 280 m/s in frenata normale e 300 m/s in frenata d'emergenza. Inoltre, questa velocità dipende fortemente dalla temperatura dell'aria e in inverno, ad esempio, è inferiore. Pertanto, il compagno di lunga data dei freni pneumatici è l'irregolarità della loro attivazione nel convoglio.

L'irregolarità dell'attivazione porta a due problemi: la generazione di importanti reazioni longitudinali nel treno e l'aumento della distanza di frenata. La prima non è così caratteristica per i treni passeggeri, anche se le tazze di tè e altre bevande che saltano sui tavolini nei compartimenti non faranno felici nessuno. L'aumento della distanza di frenata, invece, rappresenta un problema serio, specialmente nel trasporto passeggeri.

Inoltre, il distributore d'aria passeggeri nazionale — sia il vecchio modello n. 292 che il nuovo modello n. 242 (di cui, per inciso, nel parco dei vagoni passeggeri ce ne sono sempre di più) — entrambi questi dispositivi sono diretti discendenti della stessa valvola tripla di Westinghouse, e funzionano sulla differenza di due pressioni — nella linea di frenatura e nel serbatoio di riserva. A differenza della valvola tripla, sono dotati di una modalità di bypass, cioè la possibilità di frenare a scatti; la presenza di un'ulteriore scarica della linea di frenatura durante la frenata; la presenza, nella costruzione, di un acceleratore di frenata d'emergenza. Questi distributori d'aria non forniscono un rilascio a scatti — rilasciano immediatamente non appena la pressione nella linea di frenatura supera quella nel serbatoio di riserva, stabilitasi lì dopo la frenata. E il rilascio a scatti è molto utile durante le frenate di regolazione per un arresto preciso presso la piattaforma di imbarco.

Entrambi i problemi — l'irregolarità dell'azione dei freni e l'assenza di rilascio a scatti, sulla carreggiata di 1520 mm si risolvono con l'installazione di distributori d'aria elettrici sui vagoni — distributore d'aria elettrico (DAE), modello n. 305.

Il sistema di frenatura pneumatico-elettrico nazionale — il freno elettropneumatico — è a azione diretta, non automatica. Sui treni passeggeri con trazione a locomotiva, il freno elettropneumatico funziona secondo uno schema a due conduttori.

Schema strutturale del freno elettropneumatico a due conduttori: 1 — controllo del sistema sulla valvola del macchinista; 2 — batteria; 3 — convertitore statico di alimentazione; 4 — pannello di lampade di controllo; 5 — blocco di controllo; 6 — morsetto di connessione; 7 — teste di collegamento sui manicotti; 8 — sospensione isolata; 9 — valvola semiconduttore; 10 — valvola elettromagnetica di rilascio; 11 — valvola elettromagnetica di freno.

Lungo tutto il treno si snodano due fili: n. 1 e n. 2 nel disegno. Sull'ultimo vagone questi fili sono elettricamente connessi tra loro e attraverso l'anello risultante fanno passare una corrente alternata con frequenza di 625 Hz. Questo viene fatto per controllare l'integrità della linea di comando del freno elettropneumatico. In caso di rottura di un filo, il circuito di 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 diversa polarità. In questo caso, i binari fungono da conduttore a potenziale nullo. Quando viene applicata tensione positiva (rispetto ai binari) al conduttore EPT, si attivano entrambe le valvole elettromagnetiche installate nel distributore di aria elettrica: la valvola di rilascio (OV) e la valvola dei freni (TV). La prima isola la camera di lavoro (RK) del distributore di aria elettrica dall'atmosfera, mentre la seconda la riempie dal serbatoio di riserva. Successivamente interviene il relè di pressione installato nel EVR, che funziona sulla differenza di pressione tra la camera di lavoro e il cilindro del freno. Quando la pressione nella RK supera quella nel TC, il cilindro del freno si riempie d'aria dal serbatoio di riserva fino a raggiungere la pressione accumulata nella camera di lavoro.

Quando si applica un potenziale negativo al conduttore, la valvola del freno si spegne poiché la corrente viene interrotta dal diodo. Rimane attiva solo la valvola di rilascio, che mantiene la pressione nella camera di lavoro. Questo realizza la condizione di chiusura.

Quando la tensione sulla valvola di rilascio viene tolta, essa perde alimentazione e apre la camera di lavoro all'atmosfera. Quando la pressione nella camera di lavoro diminuisce, il relè di pressione rilascia aria anche dai cilindri dei freni. Se dopo un breve rilascio si riporta la leva del macchinista sulla posizione di chiusura, la diminuzione della pressione nella camera di lavoro si ferma, e anche il rilascio d'aria dal cilindro del freno si interrompe. In questo modo si consente un rilascio graduale del freno.

Cosa succede in caso di rottura del cavo? Corretto — l'EPT rilascerà. Pertanto, questo freno (sui mezzi di trasporto nazionali) non è automatico. In caso di malfunzionamento dell'EPT, il macchinista ha la possibilità di passare al controllo pneumatico dei freni.

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

Il comando pneumatico dei freni di un treno passeggeri non differisce molto da quello di un freno merci. C'è una differenza nelle modalità di controllo; ad esempio, il rilascio del freno pneumatico avviene fino alla pressione di carica, senza sovrapressurizzazione. In generale, l'eccesso di pressione nella condotta dei freni di un treno passeggeri può causare problemi, quindi durante il rilascio completo dell'EPT la pressione nella TM non supera al massimo 0,02 MPa rispetto al valore della pressione di carica stabilita.

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

Conclusione

Ora mi rivolgo ad alcuni commentatori, che si stupiscono (e a mio avviso, si indignano anche, ma non ho la certezza) della complessità del freno del treno. Nei commenti si propone di applicare uno schema automobilistico con accumulatori di energia. Certamente, da un divano o da una sedia da ufficio, attraverso la finestra del browser, molte problematiche appaiono più chiare e le soluzioni sembrano evidenti, ma mi permetto di far notare che la maggior parte delle soluzioni tecniche adottate nel mondo reale ha una giustificazione chiara.

Come già detto, il principale problema dei freni pneumatici nei treni è la velocità finale di movimento dell'onda di freno, causata dalla caduta della pressione lungo un lungo tubo della condotta freni (fino a 1,5 km in un treno di 100 vagoni). Per accelerare questa onda di freno è necessaria una scarica aggiuntiva, eseguita dal distributore d'aria. Senza distributore d'aria, non ci sarà alcuna scarica aggiuntiva. Ciò significa che i freni a energia accumulata saranno ovviamente peggiori in termini di uniformità di funzionamento, riportandoci ai tempi di Westinghouse. Un treno merci non è un camion, qui ci sono altre scale e quindi altri principi di controllo dei freni. Sono sicuro che non è un caso e che la direzione della scienza globale dei freni non è accidentalmente andata verso questo tipo di costruzioni. Punto.

Questo articolo è una sorta di panoramica dei sistemi frenanti esistenti sui moderni materiali rotabili. In seguito, in altri articoli di questo ciclo, mi soffermerò in dettaglio su ciascuno di essi. Scopriremo quali dispositivi vengono utilizzati per controllare i freni e come sono costruiti i distributori d'aria. Esamineremo più nel dettaglio le questioni riguardanti la frenata rigenerativa e quella a resistenza. E naturalmente esamineremo i freni dei trasporti ad alta velocità. A presto e grazie per l'attenzione!

P.S.: Amici! Voglio dare un ringraziamento speciale per il numero di messaggi personali segnalando errori e refusi nell'articolo. Sì, sono un peccatore che non è in sintonia con la lingua russa e si confonde sui tasti. Ho cercato di correggere le vostre osservazioni.

Fonte: habr.com