De kinetische energie van de 'Sapsan' bij maximale snelheid is meer dan 1500 megajoule. Om volledig tot stilstand te komen, moet al deze energie worden afgevoerd via de remsystemen.
Er was eens precies hier, op Habré. Hier worden veel overzichtsartikelen over treinonderwerpen gepubliceerd, maar dit specifieke onderwerp is nog niet uitgebreid behandeld. Ik denk dat het interessant zou zijn om hierover een artikel te schrijven, en misschien zelfs meer dan één. Daarom vraag ik degenen die geïnteresseerd zijn in hoe remsystemen van treinverkeer werken en om welke redenen ze zo zijn ingericht om verder te lezen.
1. De geschiedenis van de pneumatische rem
Het doel van het beheren van elk transport omvat het reguleren van de snelheid ervan. Spoorvervoer vormt hierop geen uitzondering; sterker nog, de constructieve kenmerken brengen aanzienlijke nuances met zich mee in dit proces. Een trein bestaat uit een groot aantal aan elkaar gekoppelde voertuigen, en het resulterende systeem heeft een aanzienlijke lengte en massa bij een behoorlijke rijsnelheid.
Bij de definitie zijn remmen een complex van apparaten die zijn ontworpen om kunstmatige, regelbare weerstandskrachten te genereren, gebruikt voor gecontroleerde snelheidsreductie van een voertuig.
De meest voor de hand liggende, oppervlakkige manier om remkracht te creëren, is door het gebruik van wrijving. Van het begin tot op heden wordt de rem met remblokken gebruikt. Speciale apparaten - remblokken, gemaakt van materiaal met een hoge wrijvingscoëfficiënt, worden mechanisch tegen het loopvlak van het wiel gedrukt (of tegen speciale schijven die op de as van de wielset zijn gemonteerd). Tussen de remblokken en het wiel ontstaat een wrijvingskracht die een remmoment creëert.
De regulering van de remkracht gebeurt door de kracht waarmee de remblokken op het wiel worden gedrukt te variëren - de remdruk. De enige vraag is welke aandrijving wordt gebruikt om de remblokken aan te drukken, en de geschiedenis van de remmen is gedeeltelijk de geschiedenis van de ontwikkeling van deze aandrijving.
De eerste spoorwegremmen waren mechanisch en werden handmatig bediend, apart op elke wagon door speciale mensen - remmersen of conducteurs. De conducteurs bevonden zich op zogenaamde remplatforms, die aan elke wagon waren bevestigd, en bedienden de remmen op signaal van de machinist van de locomotief. De communicatie tussen de machinist en de conducteurs gebeurde via een speciale signaallijn, die langs de hele trein was gespannen en een speciale fluit in werking stelde.
Een oude tweeassige vrachtwagen met een remplatform. De hendel voor de handrem is zichtbaar.
Een rem met mechanische bediening heeft van zichzelf een lage kracht. De kracht van de remdruk hing af van de sterkte en vaardigheid van de conducteur. Bovendien werd de werking van zo'n remsysteem beïnvloed door de menselijke factor - conducteurs voerden niet altijd hun taken correct uit. Het was niet mogelijk om te spreken van de hoge effectiviteit van zulke remmen, laat staan van een toename van de snelheid van treinen die ermee waren uitgerust.
De verdere ontwikkeling van remmen vereiste, ten eerste, een toename van de remdruk, en ten tweede, de mogelijkheid van afstandsbediening op alle wagons vanuit de werkplek van de machinist.
Hydraulische aandrijving, toegepast in autobremmen, heeft brede verspreiding gekregen omdat het hoge druk biedt met compacte uitvoeringselementen. Echter, bij toepassing van zo'n systeem in een trein komt het belangrijkste nadeel naar voren: de noodzaak van een speciaal werkmedium - remvloeistof, waarvan een lek onaanvaardbaar is. De grote lengte van de hydraulische remleidingen in de trein, samen met strenge eisen aan hun dichtheid, maakt de creatie van een hydraulische spoorwegrem onmogelijk en onraadzamer.
Een ander verhaal is de pneumatische aandrijving. Het gebruik van hoge druklucht maakt het mogelijk om hoge remdrukken te verkrijgen met acceptabele afmetingen van de uitvoeringsmechanismen - remcilinders. Er is geen gebrek aan werkmedium - lucht om ons heen, en zelfs als er een lek in het werkmedium van het remsysteem optreedt (wat onvermijdelijk is), kan dit relatief eenvoudig worden aangevuld.
Het eenvoudigste remsysteem dat gebruik maakt van samengeperste lucht is een direct werkende niet-automatische rem
Schema van de direct werkende niet-automatische rem: 1 — compressor; 2 — hoofdreservoir; 3 — voedingsleiding; 4 — remkraan van de machinist; 5 — remleiding; 6 — remcilinder; 7 — terugveerpunt; 8, 9 — mechanische removerdracht; 10 — remblok.
Voor de werking van deze rem is een voorraad samengeperste lucht noodzakelijk, die op de locomotief wordt opgeslagen in een speciaal reservoir dat hoofdreservoir (2) wordt genoemd. Het aanvoeren van lucht naar het hoofdreservoir en het handhaven van een constante druk daarin wordt uitgevoerd door een compressor (1), aangedreven door de energie-installatie van de locomotief. De levering van samengeperste lucht aan de bedieningsapparaten van de remmen gebeurt via een speciale pijpleiding, genaamd de voeding (PМ) of drukleiding (3).
De bediening van de remmen van de wagons en de toevoer van samengeperste lucht daarin geschiedt via een lange pijpleiding die door de hele trein loopt en die de remleiding (TМ) (5) wordt genoemd. Bij het aanvoeren van samengeperste lucht via de TМ vult deze remcilinders (TЦ) (6) die direct op de TМ zijn aangesloten. De samengeperste lucht duwt op de zuiger en drukt de remblokken 10 tegen de wielen, zowel op de locomotief als op de wagons. Dit leidt tot remmen.
Om te stoppen met remmen, dat wil zeggen de vrijgave van de remmen, moet lucht uit de remleiding in de atmosfeer worden afgevoerd, wat zal leiden tot het terugkeren van de remmechanismen naar hun oorspronkelijke positie door de kracht van de terugveerspringen die in de TЦ zijn geïnstalleerd.
Voor remmen is het nodig om de remleiding (TМ) met de voeding (PМ) te verbinden. Voor vrijgave — om de remleiding met de atmosfeer te verbinden. Deze functies worden uitgevoerd door een speciaal apparaat — de remkraan van de machinist (4) — bij het remmen verbindt deze PМ en TМ, bij vrijgave — ontkoppelt deze pijpleidingen terwijl tegelijkertijd lucht uit de TМ in de atmosfeer wordt afgevoerd.
In zo'n systeem bestaat er ook een derde, tussenpositie van de kraan van de machinist — de afsluiter Wanneer de PM en TM zijn gescheiden, maar er vindt geen luchtafvoer van TM naar de atmosfeer plaats — sluit de machinistkraan deze volledig af. De druk in TM en TC blijft behouden en de tijd dat deze op het ingestelde niveau wordt gehouden, wordt bepaald door de hoeveelheid luchtlekkage door verschillende openingen, evenals door de thermische stabiliteit van de remblokken die opwarmen door wrijving met de banden van de wielen. Het aanbrengen van de overdruk tijdens zowel het remmen als het vrijgeven maakt het mogelijk om de remkracht in stappen te regelen. Deze rem zorgt zowel voor stapsgewijze remming als voor stapsgewijs vrijgeven.
Ondanks de eenvoud van een dergelijk remsysteem heeft het een fatale tekortkoming — bij het loskoppelen van de trein breekt de remleiding, lucht ontsnapt en de trein blijft zonder remmen. Om deze reden kan deze rem niet worden toegepast op het spoorvervoer, de prijs van falen is te hoog. Zelfs zonder een breuk van de trein, zal de effectiviteit van de rem verminderd worden bij een grote luchtlekkage.
Op basis van het bovenstaande ontstaat de vereiste dat het remmen van de trein niet wordt geïnitieerd door een toename, maar door een afname van de druk in TM. Maar hoe vullen we dan de remcilinders? Dit leidt tot een tweede vereiste — op elke mobiele eenheid in de trein moet een reserve gecomprimeerde lucht worden opgeslagen, die snel moet worden aangevuld na elke remming.
Soortgelijke conclusies werden getrokken door de ingenieursgeest aan het einde van de 19de eeuw, wat resulteerde in de creatie van de eerste automatische spoorwegrem door George Westinghouse in 1872.
De samenstelling van de Westinghouse-rem: 1 — compressor; 2 — hoofdreservoir; 3 — voedingsleiding; 4 — treinmachinistkraan; 5 — remleiding; 6 — luchtafvloeiingsventiel (drie-wegklep) van het Westinghouse-systeem; 7 — remcilinder; 8 — reserve reservoir; 9 — stopkraan.
De afbeelding toont de constructie van deze rem (afbeelding a — werking van de rem bij vrijgeven; b — werking van de rem bij remmen). Het belangrijkste element van de Westinghouse-rem werd de remluchtverdeler of, zoals het soms ook wordt genoemd, de drie-wegklepDeze luchtverdelers (6) hebben een gevoelige organen – een zuiger die werkt op het verschil tussen twee drukken – in de remleiding (RM) en het reservereservoir (RR). Wanneer de druk in de RM lager wordt dan in de RR, verschuift de zuiger naar links, waardoor de lucht uit de RR naar de TC kan stromen. Als de druk in de RM hoger wordt dan de druk in de RR, verschuift de zuiger naar rechts, waardoor de TC met de atmosfeer wordt verbonden, en tegelijkertijd de RM en RR worden verbonden, waardoor de laatste wordt gevuld met samengeperste lucht uit de RM.
Dus, bij een drukdaling in de RM om welke reden dan ook, hetzij door acties van de machinist, overmatige luchtlekkage uit de RM of het loskoppelen van een trein – zullen de remmen in werking treden. Dit betekent dat dergelijke remmen automatische werking. Deze eigenschap van de rem heeft het mogelijk gemaakt om een andere manier van rembeheer toe te voegen die nog steeds wordt gebruikt op passagierstreinen – een noodgeval stop van de trein door een passagier, door de remleiding met de atmosfeer te verbinden via een speciaal ventiel – noodstopkraan (9).
Voor degene die bekend is met deze eigenschap van het remsysteem van de trein, is het lachwekkend om films te bekijken waarin cowboys vrolijk een wagon met goud van de trein loskoppelen. Voor een dergelijke actie moeten cowboys echter voordat ze loskoppelen de uiteindelijke kranen van de remleiding afsluiten, waardoor de remleiding wordt gescheiden van de verbindingsslangen tussen de wagons. Maar dat doen ze nooit. Aan de andere kant hebben afgesloten uiteindelijke kranen vaak geleid tot verschrikkelijke rampen die verband houden met remstoringen, zowel bij ons (Kamensk in 1987, Yeral-Simskaya in 2011) als in het buitenland.
Omdat de vulling van de remcilinders gebeurt vanuit een secundaire bron van samengeperste lucht (reservereservoir), zonder de mogelijkheid van continue aanvulling, wordt zo'n rem genoemd niet-direct werkend. Het laden van de RR met samengeperste lucht gebeurt alleen bij het loslaten van de rem, wat ertoe leidt dat bij frequente remacties met daaropvolgend loslaten, en bij onvoldoende tijd na loslaten, de RR niet genoeg kan opladen tot de vereiste druk. Dit kan leiden tot volledige uitputting van de rem en verlies van controle over de remmen van de trein.
De pneumatische rem heeft ook een ander nadeel, namelijk dat de drukval in de remleiding, net als elke verstoring, zich in de lucht verspreidt met een grote, maar toch eindige snelheid — niet meer dan 340 m/s. Waarom niet meer? Omdat de geluidssnelheid de ideale variant is. Maar in het pneumatische systeem van de trein zijn er een aantal obstakels die de snelheid van de drukval verlagen, gerelateerd aan de weerstand van de luchtstroom. Daarom, als er geen speciale maatregelen worden genomen, zal de snelheid van drukval in de RM des te lager zijn, naarmate de wagon verder van de locomotief staat. In het geval van de Westinghouse-rem is de snelheid van de zogenaamde remgolf niet hoger dan 180 - 200 m/s.
Desondanks heeft de introductie van de pneumatische rem de kracht van de remmen en de operationele controle direct vanuit de cabine van de machinist verbeterd. Dit heeft een krachtige impuls gegeven aan de ontwikkeling van het spoorvervoer, de verhoging van de snelheid van treinen en hun gewicht, en bijgevolg een kolossale toename van het vrachtverkeer op de spoorwegen en een groei in de lengte van spoorlijnen wereldwijd.
George Westinghouse was niet alleen een uitvinder, maar ook een ondernemende man. Hij patenteerde zijn uitvinding al in 1869, wat hem in staat stelde om massaproductie van remapparatuur op te zetten. Vrij snel kreeg de Westinghouse-rem brede verspreiding in de VS, West-Europa en het Russische Rijk.
In Rusland was de Westinghouse-rem onbetwistbaar dominant tot de Oktoberrevolutie, en ook een lange tijd erna. De firma 'Westinghouse' bouwde in St. Petersburg zijn eigen remfabriek en wist concurrerende bedrijven effectief van de Russische markt te verdrijven. Echter, de Westinghouse-rem had een aantal fundamentele nadelen.
Ten eerste bood deze rem slechts twee werkingsmodi: remming tot de volledige vulling van de remcilinders, en ontspanning — de leegmaking van de remcilinders. Het was onmogelijk om een tussenliggende remkracht te creëren en deze langdurig te handhaven, wat betekende dat de Westinghouse-rem geen modus had voor de overstap. Dit maakte een nauwkeurige controle over de snelheid van de trein onmogelijk.
Ten tweede werkte de Westinghouse-rem slecht in lange treinen. En hoewel dit met passagiersvervoer te vergoed was, ontstonden er problemen bij vrachtvervoer. Herinnert u zich de remgolf? De Westinghouse-rem had geen middelen om de snelheid hiervan te verhogen, en in een lange trein kon de drukverlaging in de TM van de laatste wagon te laat beginnen, en met een tempo dat aanzienlijk lager was dan aan de voorkant van de trein, wat leidde tot een totale onregelmatigheid in de werking van de remapparaten door de samenstelling.
Het moet worden gezegd dat de activiteiten van het bedrijf 'Westinghouse', zowel in Rusland die tijd als wereldwijd, doordrenkt waren met de kapitalistische geur van patentrechten en oneerlijke concurrentie. Dit zorgde ervoor dat zo'n onvolmaakte systeem zo'n lange levensduur had, althans in dat historische tijdperk.
Niettemin moet worden erkend dat de Westinghouse-rem de fundamenten van de remtechniek heeft gelegd, en het principe van zijn werking is in moderne remsystemen ongewijzigd gebleven.
2. Van de Westinghouse-rem naar de Matrosov-rem — de ontwikkeling van de binnenlandse remtechniek.
Bijna onmiddellijk na de opkomst van de Westinghouse-rem en het besef van de tekortkomingen ervan, werden er pogingen ondernomen om dit systeem te perfectioneren, of een nieuwe, fundamenteel andere te creëren. Ons land was hierop geen uitzondering. Begin 20e eeuw had Rusland een ontwikkelde spoorwegnetwerk dat een belangrijke rol speelde in de economische ontwikkeling en defensiecapaciteit van het land. De verbetering van de transportefficiëntie hangt samen met de verhoging van de snelheid van het verkeer en de massa van de tegelijkertijd vervoerde lading, wat leidde tot dringende vragen over de verbetering van remsystemen.
Een belangrijke impuls voor de ontwikkeling van de remtechniek in de RSFSR en later de USSR was de vermindering van de invloed van grootwesters kapitaal, in het bijzonder van het bedrijf 'Westinghouse', op de ontwikkeling van de binnenlandse spoorwegsector na oktober 1917.
F.P. Kazantsev (links) en I.K. Matrosov (rechts) — de oprichters van de binnenlandse spoorwegrem.
De eerste stap, de eerste serieuze prestatie van de jonge binnenlandse remtechniek, waren de ontwikkelingen van ingenieur Florenti Pimenovich Kazantsev. In 1921 stelde Kazantsev een systeem voor. directe automatische rem. Het onderstaande schema beschrijft alle belangrijkste ideeën, ingebracht door nicht alleen Kazantsev, en het doel ervan is om de basisprincipes van de geavanceerde automatische rem uit te leggen
Directe automatische rem: 1 — compressorpomp; 2 — hoofdreservoir; 3 — voedingsleiding; 4 — treinremkraan van de machinist; 5 — lekbemonsteringsapparaat van de remleiding; 6 — remleiding; 7 — verbindingremslangen; 8 — eindkraan; 9 — stopkraan; 10 — terugslagklep; 11 — reserve-reservoir; 12 — luchtverdeler; 13 — remcilinder; 14 — remkraanoverdracht.
Dus het eerste belangrijke idee is dat het drukbeheer in de TM indirect plaatsvindt — door de druk in een speciaal reservoir te verlagen/verhogen, dat evenwichtsreservoir (ER). Dit wordt rechts van de machinistkraan (4) en boven het lekbemonsteringsapparaat van de TM (5) getoond. De dichtheid van dit reservoir is technisch veel gemakkelijker te waarborgen dan de dichtheid van de remleiding — buizen van enkele kilometers lang die door de hele trein lopen. De relatieve drukstabiliteit in het ER stelt ons in staat om de druk in de TM te handhaven, waarbij we de druk in het ER als referentie gebruiken. Inderdaad, de zuiger in het apparaat (5) zakt omlaag, openend de klep die de TM van de voedingsleiding vult wanneer de druk in de TM daalt, en zo houdt het de druk in de TM gelijk aan de druk in het ER. Dit idee moest nog een lange ontwikkeling doormaken, maar nu hing de druk in de TM niet meer af van het bestaan van externe lekken daaruit (tot bekende limieten). Het apparaat 5 is verhuisd naar de machinistkraan en blijft daar in gemodificeerde vorm tot op heden.
Een ander belangrijk idee dat aan de basis van dit type remontwerp ligt, is de voeding van het ER via de TM door de terugslagklep 10. Wanneer de druk in de TM hoger is dan de druk in het ER, opent deze klep, waardoor het ER van de TM wordt gevuld. Zo vindt er een continue aanvulling van lekken uit het reserve-reservoir plaats en wordt de onuitputtelijkheid van de rem gewaarborgd.
Het derde belangrijke idee dat door Kazantsev werd voorgesteld, is de constructie van de luchtverdelers, die werkt op basis van het verschil van niet twee, maar drie drukken — de druk in de remleiding, de druk in de remcilinder en de druk in een speciale werkruimte (RW), die bij het loslaten van druk krijgt van de remleiding, samen met een reserve tank. In de remmodus wordt de RW losgekoppeld van de reserve tank en de remleiding, waarbij de oorspronkelijke laaddruk behouden blijft. Deze eigenschap wordt veel gebruikt in de remsystemen van rollend materieel, zowel om gefaseerd loslaten mogelijk te maken als om de gelijkmatigheid van de vulling van de TC langs de trein te regelen in goederentreinen, omdat de werkruimte dient als referentie voor de oorspronkelijke laaddruk. Afhankelijk van de grootte ervan kan zowel gefaseerd loslaten als een vroegere vulling van de TC in de achterste wagons worden verzorgd. Een gedetailleerde beschrijving van deze zaken laat ik over aan andere artikelen over dit onderwerp; ik zal alleen zeggen dat het werk van Kazantsev een stimulans heeft gegeven voor de ontwikkeling van een school van wetenschap in ons land, wat heeft geleid tot de ontwikkeling van originele remsystemen voor rollend materieel.
Een andere Sovjet-uitvinder die een fundamentele invloed had op de ontwikkeling van binnenlandse remsystemen voor rollend materieel was Ivan Konstantinovich Matrosov. Zijn ideeën waren principieel niet verschillend van die van Kazantsev, echter de daaropvolgende operationele tests van de remsystemen van Kazantsev en Matrosov (samen met andere remsystemen) toonden een aanzienlijk voordeel van het tweede systeem op het gebied van operationele kenmerken, vooral bij de toepassing op goederentreinen. aldus werd de rem van Matrosov met luchtverdeler nr. 320 de basis voor verdere ontwikkeling en het ontwerp van remapparatuur voor spoorwegen met een spoorbreedte van 1520 millimeter. De moderne automatische rem die in Rusland en de GOS-landen wordt gebruikt, kan met recht de naam van de rem van Matrosov dragen, aangezien zij in de begintijd van haar ontwikkeling de ideeën en ontwerpoplossingen van Ivan Konstantinovich heeft opgenomen.
Ter afsluiting
En wat is de conclusie? Het werken aan dit artikel heeft me overtuigd dat het onderwerp een cyclus van artikelen waard is. In dit eerste artikel hebben we de geschiedenis van de ontwikkeling van remmen voor voertuigen aangekaart. In de volgende artikelen zullen we dieper ingaan op pikante details, waarbij we niet alleen de binnenlandse remmen bespreken, maar ook de ontwikkelingen van onze collega's uit West-Europa, en de constructie van verschillende soorten remmen en hun toepassingen. Dus ik hoop dat het onderwerp interessant zal zijn, en tot de volgende keer op Habr!
Bedankt voor uw aandacht!
Bron: habr.com
