L'energia cinetica del Sapsan alla massima velocità è di oltre 1500 megajoule. Per un arresto completo è necessario che tutto venga dissipato dai dispositivi di frenatura.
Era un affare proprio qui su Habré. Qui vengono pubblicati molti articoli di revisione su argomenti ferroviari, ma questo argomento non è stato ancora trattato in dettaglio. Penso che sarebbe molto interessante scrivere un articolo su questo, e forse più di uno. Chiedo quindi al gatto di chi è interessato a come sono progettati gli impianti frenanti del trasporto ferroviario e per quali ragioni sono progettati in questo modo.
1. La storia del freno ad aria compressa
Il compito di controllare qualsiasi veicolo include la regolazione della sua velocità. Il trasporto ferroviario non fa eccezione, inoltre le sue caratteristiche progettuali introducono sfumature significative in questo processo. Il treno è costituito da un gran numero di carrozze interconnesse e il sistema risultante ha una lunghezza e un peso significativi a una velocità molto decente.
Per definizione, i freni sono un insieme di dispositivi progettati per creare forze di resistenza artificiali e regolabili utilizzate per ridurre in modo controllabile la velocità di un veicolo.
Il modo più ovvio, in superficie, per creare forza frenante è utilizzare l'attrito. Fin dall'inizio fino ad oggi sono stati utilizzati freni a ganasce. Dispositivi speciali: le pastiglie dei freni, realizzate in materiale ad alto coefficiente di attrito, vengono premute meccanicamente contro la superficie di rotolamento della ruota (o contro dischi speciali montati sull'asse della sala). Tra le pastiglie e la ruota si crea una forza di attrito che crea una coppia frenante.
La forza frenante viene regolata modificando la forza di pressione delle pastiglie contro la ruota - pressione dei freni. L'unica domanda è quale unità viene utilizzata per premere le pastiglie e, in parte, la storia dei freni è la storia dello sviluppo di questa unità.
I primi freni ferroviari erano meccanici e venivano azionati manualmente, separatamente su ogni carrozza, da persone speciali: frenatori o conduttori. I conduttori erano posizionati sulle cosiddette piattaforme dei freni di cui ogni carrozza era dotata e azionavano i freni al segnale del macchinista. Lo scambio di segnali tra il macchinista e i conduttori è stato effettuato utilizzando una speciale fune segnaletica tesa lungo tutto il treno, che attivava uno speciale fischio.
Carro merci vintage a due assi con pastiglia freno. Pomello del freno a mano visibile
Il freno ad azionamento meccanico stesso ha poca potenza. La quantità di pressione del freno dipendeva dalla forza e dalla destrezza del conduttore. Inoltre, il fattore umano ha interferito con il funzionamento di un tale sistema di frenatura: i conduttori non sempre hanno svolto correttamente i loro compiti. Non c'era bisogno di parlare dell'elevata efficienza di tali freni, così come dell'aumento della velocità dei treni che ne sono dotati.
L'ulteriore sviluppo dei freni ha richiesto, in primo luogo, un aumento della pressione dei freni e, in secondo luogo, la possibilità di controllo remoto su tutte le auto dalla postazione di lavoro del conducente.
L'azionamento idraulico utilizzato nei freni delle automobili è diventato molto diffuso grazie al fatto che fornisce alta pressione con attuatori compatti. Tuttavia, quando si utilizza un tale sistema su un treno, apparirà il suo principale inconveniente: la necessità di un fluido di lavoro speciale: il liquido dei freni, la cui perdita è inaccettabile. La grande lunghezza delle linee idrauliche dei freni in un treno, insieme agli elevati requisiti di tenuta, rendono impossibile e irrazionale la creazione di un freno ferroviario idraulico.
Un'altra cosa è l'azionamento pneumatico. L'uso di aria ad alta pressione consente di ottenere pressioni di frenata elevate con dimensioni accettabili degli attuatori - cilindri dei freni. Il fluido di lavoro non manca: l'aria è ovunque intorno a noi e, anche se si verifica una perdita di fluido di lavoro dal sistema frenante (e certamente accade), può essere reintegrato con relativa facilità.
Il sistema frenante più semplice che utilizza l'energia dell'aria compressa è freno non automatico ad azione diretta
Schema di un freno non automatico ad azione diretta: 1 - compressore; 2 - serbatoio principale; 3 - linea di alimentazione; 4 — gru del macchinista; 5 - linea del freno; 6 — cilindro del freno; 7 — molla di rilascio; 8, 9 - trasmissione del freno meccanico; 10 - pastiglia freno.
Per azionare tale freno è necessaria una fornitura di aria compressa, immagazzinata sulla locomotiva in un serbatoio speciale chiamato serbatoio principale (2). Viene effettuata l'iniezione di aria nel serbatoio principale e il mantenimento di una pressione costante al suo interno compressore (1), azionato dalla centrale locomotiva. L'aria compressa viene fornita ai dispositivi di controllo dei freni attraverso una tubazione speciale chiamata nutrizionale (NM) o pressione autostrada (3).
I freni dei vagoni sono controllati e l'aria compressa viene loro fornita attraverso una lunga tubazione che attraversa l'intero treno e viene chiamata linea del freno (TM) (5). Quando l'aria compressa viene fornita attraverso il TM, si riempie cilindri freno (TC) (6) collegato direttamente al TM. L'aria compressa preme sul pistone, premendo le pastiglie dei freni 10 contro le ruote, sia della locomotiva che delle carrozze. Si verifica la frenata.
Per smettere di frenare, ovviamente partire freni, è necessario rilasciare aria dalla linea del freno nell'atmosfera, il che porterà al ritorno dei meccanismi del freno nella loro posizione originale a causa della forza delle molle di rilascio installate nel TC.
Per frenare è necessario collegare la linea del freno (TM) con la linea di alimentazione (PM). Per le vacanze, collega la linea del freno all'atmosfera. Queste funzioni sono eseguite da un dispositivo speciale - gru del treno del macchinista (4) - in frenata collega PM e PM, quando rilasciato scollega queste tubazioni, rilasciando contemporaneamente aria dal PM nell'atmosfera.
In un tale sistema, c'è una terza posizione intermedia della gru del conducente - rifacimento del tetto quando PM e TM sono separati, ma non avviene il rilascio di aria dal TM nell’atmosfera, la gru del conducente lo isola completamente. La pressione accumulata nel TM e nel TC viene mantenuta e il tempo in cui viene mantenuta al livello impostato è determinato dalla quantità di perdita d'aria attraverso varie perdite, nonché dalla resistenza termica delle pastiglie dei freni, che si riscaldano durante l'attrito contro i pneumatici delle ruote. Posizionandolo nel soffitto sia in fase di frenata che in fase di rilascio permette di regolare la forza frenante a scatti. Questo tipo di freno fornisce sia la frenatura che il rilascio del passo.
Nonostante la semplicità di un tale sistema frenante, presenta un difetto fatale: quando il treno viene sganciato, la linea del freno si rompe, l'aria fuoriesce da essa e il treno rimane senza freni. È per questo motivo che un tale freno non può essere utilizzato nel trasporto ferroviario, il costo del suo guasto è troppo alto. Anche senza rottura del treno, se c'è una grande perdita d'aria, l'efficienza del freno sarà ridotta.
Sulla base di quanto sopra, sorge il requisito che la frenatura del treno non venga avviata da un aumento, ma da una diminuzione della pressione nel TM. Ma come riempire allora i cilindri dei freni? Da qui il secondo requisito: ogni unità mobile del treno deve immagazzinare una fornitura di aria compressa, che deve essere prontamente reintegrata dopo ogni frenata.
Il pensiero ingegneristico della fine del XIX secolo arrivò a conclusioni simili, che portarono alla creazione del primo freno ferroviario automatico da parte di George Westinghouse nel 1872.
Dispositivo frenante Westinghouse: 1 - compressore; 2 - serbatoio principale; 3 - linea di alimentazione; 4 — gru del macchinista; 5 - linea del freno; 6 — distributore d'aria (tripla valvola) del sistema Westinghouse; 7 — cilindro del freno; 8 — serbatoio di riserva; 9 - valvola di arresto.
In figura è illustrata la struttura di questo freno (Figura a - funzionamento del freno in fase di rilascio; b - funzionamento del freno in frenata). L'elemento principale del freno Westigauze era distributore aria freni o, come talvolta viene chiamato, tripla valvola. Questo distributore d'aria (6) ha un organo sensibile - un pistone che agisce sulla differenza tra due pressioni - nel tubo del freno (TM) e nel serbatoio della riserva (R). Se la pressione nel TM diventa inferiore a quella nel TC, il pistone si sposta verso sinistra, aprendo la strada all'aria dal CM al TC. Se la pressione nella TM diventa maggiore della pressione nella SZ, il pistone si sposta verso destra, mettendo in comunicazione la TC con l'atmosfera, e contemporaneamente mettendo in comunicazione la TM e la SZ, garantendo a quest'ultima il riempimento di aria compressa da la TM.
Pertanto, se la pressione nel TM diminuisce per qualsiasi motivo, che si tratti delle azioni del macchinista, di un'eccessiva perdita d'aria dal TM o di una rottura del treno, i freni funzioneranno. Cioè, tali freni hanno azione automatica. Questa proprietà del freno ha permesso di aggiungere un'altra possibilità di controllo dei freni del treno, che viene utilizzata ancora oggi sui treni passeggeri - un arresto di emergenza del treno da parte di un passeggero mettendo in comunicazione la linea del freno con l'atmosfera attraverso una valvola speciale - freno di emergenza (9).
Per coloro che hanno familiarità con questa caratteristica del sistema frenante del treno, è divertente guardare i film in cui i ladri-cowboy, notoriamente, sganciano una carrozza piena d'oro da un treno. Affinché ciò sia possibile, i cowboy devono, prima di sganciarsi, chiudere le valvole terminali sulla linea del freno che separano la linea del freno dai tubi di collegamento tra le auto. Ma non lo fanno mai. D’altro canto, le valvole a valvola chiusa hanno causato più di una volta terribili disastri legati al guasto dei freni, sia qui (Kamensk nel 1987, Eral-Simskaya nel 2011) che all’estero.
A causa del fatto che il riempimento dei cilindri dei freni avviene da una fonte secondaria di aria compressa (serbatoio di riserva), senza possibilità di rifornimento costante, tale freno viene chiamato agendo indirettamente. Il caricamento del freno con aria compressa avviene solo quando il freno viene rilasciato, il che fa sì che in caso di frenate frequenti seguite da rilascio, se non c'è tempo sufficiente dopo il rilascio, il freno non avrà il tempo di caricarsi alla pressione richiesta. Ciò può comportare l'esaurimento completo del freno e la perdita di controllo dei freni del treno.
Il freno pneumatico presenta anche un altro inconveniente legato al fatto che la caduta di pressione nella linea del freno, come qualsiasi disturbo, si propaga nell'aria ad una velocità elevata, ma comunque limitata, non superiore a 340 m/s. Perché non di più? Perché la velocità del suono è l'ideale. Ma nel sistema pneumatico del treno sono presenti una serie di ostacoli che riducono la velocità di propagazione della caduta di pressione legata alla resistenza al flusso d'aria. Pertanto, a meno che non vengano adottate misure speciali, il tasso di riduzione della pressione nel TM sarà tanto più basso quanto più lontana è la vettura dalla locomotiva. Nel caso del freno Westinghouse, la velocità del cosiddetto onda frenante non supera i 180 - 200 m/s.
Tuttavia, l'avvento del freno pneumatico ha permesso di aumentare sia la potenza dei freni che l'efficienza del loro controllo direttamente dal posto di guida del conducente, dando un forte impulso allo sviluppo del trasporto ferroviario, aumentando la velocità e il peso dei veicoli. treni e, di conseguenza, un colossale aumento del fatturato delle merci sulla ferrovia, l'aumento della lunghezza delle linee ferroviarie in tutto il mondo.
George Westinghouse non era solo un inventore, ma anche un intraprendente uomo d'affari. Brevettò la sua invenzione nel 1869, che gli permise di avviare la produzione in serie di apparecchiature frenanti. Abbastanza rapidamente, il freno Westinghouse si diffuse negli Stati Uniti, nell'Europa occidentale e nell'impero russo.
In Russia il freno di Westinghouse regnò sovrano fino alla Rivoluzione d’Ottobre e per molto tempo dopo. La società Westinghouse costruì il proprio impianto di freni a San Pietroburgo e estromise abilmente i concorrenti dal mercato russo. Tuttavia, il freno Westinghouse presentava una serie di svantaggi fondamentali.
Innanzitutto, questo freno prevedeva solo due modalità operative: frenata finché i cilindri dei freni non sono completamente pieni, e vacanza — svuotamento dei cilindri dei freni. Era impossibile creare una quantità intermedia di pressione dei freni con la manutenzione a lungo termine, ovvero il freno Westinghouse non aveva una modalità rifacimento del tetto. Ciò non consentiva un controllo preciso della velocità del treno.
In secondo luogo, il freno Westinghouse non funzionava bene sui treni lunghi e, mentre questo poteva in qualche modo essere tollerato nel traffico passeggeri, sorsero problemi nel traffico merci. Ricordi l'onda frenante? Quindi, il freno di Westinghouse non aveva i mezzi per aumentare la sua velocità e, in un lungo treno, la diminuzione della pressione nel liquido dei freni sull'ultima carrozza poteva iniziare troppo tardi e ad un ritmo significativamente inferiore rispetto alla testa del treno. treno, che ha creato un funzionamento irregolare dei dispositivi di frenatura su tutto il treno.
Va detto che tutte le attività della società Westinghouse, sia in Russia in quel momento che in tutto il mondo, sono completamente sature dell'odore capitalista delle guerre sui brevetti e della concorrenza sleale. Questo è ciò che ha assicurato una così lunga vita ad un sistema così imperfetto, almeno in quel periodo storico.
Con tutto ciò, va riconosciuto che il freno Westinghouse ha gettato le basi della scienza della frenatura e il principio del suo funzionamento è rimasto invariato nei moderni freni del materiale rotabile.
2. Dal freno Westinghouse al freno Matrosov: la formazione della scienza della frenata domestica.
Quasi immediatamente dopo la comparsa del freno Westinghouse e la realizzazione delle sue carenze, sono sorti tentativi di migliorare questo sistema o di crearne un altro, fondamentalmente nuovo. Il nostro Paese non ha fatto eccezione. All'inizio del XX secolo, la Russia disponeva di una rete ferroviaria sviluppata, che ha svolto un ruolo significativo nel garantire lo sviluppo economico e la capacità di difesa del paese. L'aumento dell'efficienza del trasporto è associato ad un aumento della velocità del suo movimento e della massa del carico trasportato contemporaneamente, il che significa che sono state sollevate urgentemente questioni relative al miglioramento dei sistemi di frenatura.
Un impulso significativo per lo sviluppo della scienza della frenatura nella RSFSR e successivamente nell'URSS fu la diminuzione dell'influenza del grande capitale occidentale, in particolare della società Westinghouse, sullo sviluppo dell'industria ferroviaria nazionale dopo l'ottobre 1917.
F.P. Kazantsev (a sinistra) e I.K. Marinai (a destra) - creatori del freno ferroviario nazionale
Il primo segno, il primo serio risultato della giovane scienza della frenata domestica, fu lo sviluppo dell'ingegnere Florenty Pimenovich Kazantsev. Nel 1921 Kazantsev propose un sistema freno automatico ad azione diretta. Il diagramma seguente descrive tutte le idee principali introdotte non solo da Kazantsev, e il suo scopo è spiegare i principi di base del funzionamento del freno automatico migliorato
Freno automatico ad azione diretta: 1 - compressore; 2 - serbatoio principale; 3 - linea di alimentazione; 4 — gru del macchinista; 5 - dispositivo di alimentazione delle perdite della linea del freno; 6 — linea del freno; 7 — collegamento dei tubi dei freni; 8 - valvola terminale; 9 - valvola di arresto; 10 - valvola di ritegno; 11 — serbatoio di riserva; 12 - distributore d'aria; 13 - cilindro del freno; 14 — trasmissione leva freno.
Quindi, la prima idea principale è che la pressione nel TM sia controllata indirettamente - attraverso una diminuzione/aumento della pressione in un serbatoio speciale chiamato autoclave (UR). È mostrato in figura a destra del rubinetto del driver (4) e sopra il dispositivo di alimentazione perdite dal TM (5). La densità di questo serbatoio è tecnicamente molto più semplice da garantire rispetto alla densità della tubazione del freno, un tubo che raggiunge diversi chilometri di lunghezza e attraversa l'intero treno. La relativa stabilità della pressione nell'UR consente di mantenere la pressione nella TM, utilizzando come riferimento la pressione nell'UR. Infatti il pistone del dispositivo (5) quando la pressione nel TM diminuisce, apre la valvola che riempie il TM dalla linea di alimentazione, mantenendo così una pressione nel TM pari alla pressione nell'UR. Questa idea aveva ancora molta strada da fare in fase di sviluppo, ma ora la pressione nel TM non dipendeva dalla presenza di perdite esterne da esso (fino a certi limiti). Il dispositivo 5 è migrato sulla gru dell'operatore 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 dal liquido dei freni attraverso la valvola di ritegno 10. Quando la pressione nella valvola del freno supera la pressione nella valvola del freno, questa valvola si apre, riempiendo la valvola dal freno fluido. In questo modo le perdite del serbatoio di riserva vengono continuamente ripristinate e il freno non si esaurisce.
La terza importante idea proposta da Kazantsev è la progettazione di un distributore d'aria che funzioni sulla differenza non di due pressioni, ma di tre: pressione nella linea del freno, pressione nel cilindro del freno e pressione in una speciale camera di lavoro (WC), che, durante il rilascio, viene alimentato dalla pressione della linea dei freni, insieme ad un serbatoio di riserva. In modalità frenata la pressione di carica viene scollegata dal serbatoio di riserva e dalla linea del freno, mantenendo il valore della pressione di carica iniziale. Questa proprietà è ampiamente utilizzata nei freni del materiale rotabile sia per fornire un rilascio graduale sia per controllare l'uniformità di riempimento del TC lungo il treno nei treni merci, poiché la camera di lavoro funge da standard per la pressione di carica iniziale. In base al suo valore, è possibile fornire un rilascio graduale e organizzare il riempimento anticipato del centro commerciale nei vagoni di coda. Lascerò una descrizione dettagliata di queste cose per altri articoli su questo argomento, ma per ora dirò solo che il lavoro di Kazantsev è servito da incentivo per lo sviluppo di una scuola scientifica nel nostro paese, che ha portato allo sviluppo di originali sistemi frenanti del materiale rotabile.
Un altro inventore sovietico che influenzò radicalmente lo sviluppo dei freni del materiale rotabile domestico fu Ivan Konstantinovich Matrosov. Le sue idee non erano fondamentalmente diverse da quelle di Kazantsev, tuttavia, i successivi test operativi dei sistemi frenanti Kazantsev e Matrosov (insieme ad altri sistemi frenanti) hanno mostrato la significativa superiorità del secondo sistema in termini di caratteristiche prestazionali quando utilizzato principalmente sui treni merci. Pertanto, il freno Matrosov con distributore d'aria è condizionale. N. 320 divenne la base per l'ulteriore sviluppo e progettazione di apparecchiature di frenatura per ferrovie con scartamento da 1520 mm. Un moderno freno automatico utilizzato in Russia e nei paesi della CSI può giustamente portare il nome di freno di Matrosov, poiché ha assorbito, nella fase iniziale del suo sviluppo, le idee e le soluzioni progettuali di Ivan Konstantinovich.
Invece di una conclusione
Qual è la conclusione? Lavorare su questo articolo mi ha convinto che l'argomento merita una serie di articoli. In questo articolo pilota abbiamo toccato la storia dello sviluppo dei freni del materiale rotabile. Di seguito entreremo nei dettagli succosi, toccando non solo il freno domestico, ma anche gli sviluppi dei colleghi dell'Europa occidentale, evidenziando la progettazione di freni di vari tipi e tipi di servizio del materiale rotabile. Quindi spero che l'argomento sia interessante e ci vediamo di nuovo sull'hub!
Grazie per l'attenzione!
Fonte: habr.com