Energia kinetyczna «Sapsana» przy maksymalnej prędkości wynosi ponad 1500 megadżuli. Aby całkowicie się zatrzymać, cała ta energia musi być rozproszona na urządzeniach hamującyh.

Było tak, proszono mnie o dokładniejsze rozwinięcie tego tematu właśnie tutaj, na Habra. Publikuje się tutaj dość dużo artykułów przeglądowych na temat kolejnictwa, jednak ten temat nie został jeszcze szczegółowo omówiony. Myślę, że byłoby dość interesujące napisać na ten temat artykuł, a być może nawet nie jeden. Dlatego proszę tych, którzy są ciekawi, jak działają systemy hamulcowe transportu kolejowego i z jakich powodów są one właśnie tak zaprojektowane.

1. Historia powstania hamulca pneumatycznego

Zarządzanie każdym rodzajem transportu obejmuje regulację prędkości jego ruchu. Transport kolejowy nie jest wyjątkiem, co więcej, jego cechy konstrukcyjne wnoszą istotne niuanse do tego procesu. Pociąg składa się z dużej liczby połączonych ze sobą wagonów, a powstały system ma znaczne długości i masę przy dość wysokiej prędkości.

Według definicji, hamulce to zespół urządzeń zasadniczo przeznaczonych do wytwarzania sztucznych, regulowanych sił oporu, które służą do kontrolowanego zmniejszania prędkości ruchu pojazdu transportowego.

Najbardziej oczywistym, oczywistym sposobem wytwarzania siły hamującej jest wykorzystanie siły tarcia. Od samego początku aż do dziś stosuje się hamulec cierny z klockami. Specjalne urządzenia — klocki hamulcowe, wykonane z materiału o wysokim współczynniku tarcia, mechanicznie przyciskane są do powierzchni toczonego koła (lub do specjalnych tarcz zamontowanych na osi pary kołowej). Między klockami a kołem powstaje siła tarcia, która generuje moment hamujący.

Regulacja siły hamującej odbywa się poprzez zmianę siły docisku klocków do koła — docisku hamulcowego. Pytanie brzmi, jakie urządzenie jest używane do docisku klocków, a historia hamulców jest, częściowo, historią rozwoju tego urządzenia.

Pierwsze hamulce kolejowe były mechaniczne i były uruchamiane ręcznie, oddzielnie w każdym wagonie przez specjalnych ludzi — hamulcowych lub konduktorów. Konduktorzy znajdowali się na tzw. platformach hamulcowych, którymi był wyposażony każdy wagon, i uruchamiali hamulce na sygnał maszynisty lokomotywy. Wymiana sygnałów między maszynistą a konduktorami odbywała się za pomocą specjalnej liny sygnalizacyjnej, ciągnącej się wzdłuż całego pociągu, uruchamiającej specjalny gwizdek.

Stary, dwuosiowy wagon towarowy z platformą hamulcową. Widać korbkę ręcznego hamulca.


Sam hamulec z mechanicznym napędem ma niską moc. Wartość nacisku hamulca zależała od siły i zręczności konduktora. Ponadto w pracę takiego systemu hamulcowego wkraczał czynnik ludzki — konduktorzy nie zawsze wykonywali swoje obowiązki prawidłowo. O wysokiej efektywności takich hamulców, a także o zwiększeniu prędkości ruchu pociągów, które były nimi wyposażone, nie można było mówić.

Dalszy rozwój hamulców wymagał, po pierwsze, zwiększenia nacisku hamulca, a po drugie — zapewnienia możliwości zdalnego sterowania nim we wszystkich wagonach z miejsca pracy maszynisty.

Napęd hydrauliczny, stosowany w hamulcach samochodowych, zyskał szerokie zastosowanie dzięki temu, że zapewnia wysokie ciśnienie przy kompaktowości urządzeń wykonawczych. Jednak przy zastosowaniu takiego systemu w pociągu ujawni się jego podstawowa wada: konieczność posiadania specjalnego czynnika roboczego — płynu hamulcowego, którego wyciek jest niedopuszczalny. Duża długość hydraulicznych linii hamulcowych w pociągu, w połączeniu z wysokimi wymaganiami co do ich szczelności, uniemożliwia i czyni nieekonomicznym stworzenie hydraulicznego hamulca kolejowego.

Inną sprawą jest napęd pneumatyczny. Wykorzystanie powietrza pod wysokim ciśnieniem pozwala uzyskać wysokie naciski hamulca przy akceptowalnych gabarytach urządzeń wykonawczych — cylindrów hamulcowych. Nie ma niedoboru czynnika roboczego — powietrza wokół nas, a nawet jeśli wystąpi wyciek czynnika roboczego z systemu hamulcowego (a to nieuchronnie się zdarza), stosunkowo łatwo można go uzupełnić.

Najprostszym systemem hamulcowym, wykorzystującym energię sprężonego powietrza, jest hamulec bezpośredniego działania nieautomatyczny

Schemat hamulca bezpośredniego działania nieautomatycznego: 1 — sprężarka; 2 — zbiornik główny; 3 — przewód zasilający; 4 — zawór hamulcowy maszynisty; 5 — przewód hamulcowy; 6 — cylinder hamulcowy; 7 — sprężyna zwolnienia; 8, 9 — mechaniczne przeniesienie hamulca; 10 — klocki hamulcowe.


Aby taki hamulec działał, potrzebny jest zapas sprężonego powietrza, przechowywanego w lokomotywie w specjalnym zbiorniku, który nazywa się zbiornikiem głównym (2). Sprężanie powietrza do zbiornika głównego i utrzymywanie w nim stałego ciśnienia wykonuje sprężarka (1), napędzana przez jednostkę energetyczną lokomotywy. Doprowadzanie sprężonego powietrza do urządzeń sterujących hamulcami odbywa się poprzez specjalny przewód, zwany przewodem zasilającym (PZ) lub ciśnieniowym przewodem (3).

Zarządzanie hamulcami wagonów i dostarczanie do nich sprężonego powietrza odbywa się za pomocą długiego przewodu, który przechodzi przez cały pociąg i nazywa się przewodem hamulcowym (PH) (5). Podczas dostarczania sprężonego powietrza przez PH napełnia ono cylindry hamulcowe (CH) (6) podłączone bezpośrednio do PH. Sprężone powietrze wywiera nacisk na tłok, dociskając klocki hamulcowe 10 do kół, zarówno w lokomotywie, jak i w wagonach. Dochodzi do hamowania.

Aby zakończyć hamowanie, to znaczy zwolnić hamulce, należy wypuścić powietrze z przewodu hamulcowego do atmosfery, co spowoduje powrót mechanizmów hamulcowych do pozycji wyjściowej dzięki sile sprężyn zwolnienia znajdujących się w CH.

Aby hamować, należy połączyć przewód hamulcowy (PH) z przewodem zasilającym (PZ). Aby zwolnić — połączyć przewód hamulcowy z atmosferą. Te funkcje realizuje specjalne urządzenie — zawór hamulcowy maszynisty (4) — podczas hamowania łączy PZ i PH, a przy zwolnieniu — rozdziela te przewody, jednocześnie wypuszczając powietrze z PH do atmosfery.

W tym systemie istnieje także trzecia, pośrednia pozycja zaworu maszynisty — zamknięcie Gdy PM i TM są rozdzielone, ale nie dochodzi do wypuszczania powietrza z TM do atmosfery — zawór maszynisty w pełni ją izoluje. Ciśnienie zgromadzone w TM i TC jest utrzymywane, a czas jego utrzymania na ustalonym poziomie określa wielkość wycieków powietrza przez różne nieszczelności, jak również termiczna odporność klocków hamulcowych, które nagrzewają się w wyniku tarcia o obręcze kół. Ustawienie w przełączniku, zarówno podczas hamowania, jak i podczas zwalniania, pozwala regulować siłę hamowania stopniowo. Taki hamulec zapewnia zarówno stopniowe hamowanie, jak i stopniowe zwalnianie.

Pomimo całej prostoty takiego systemu hamulca, ma on fatalną wadę — podczas rozłączenia pociągu dochodzi do przerwania przewodu hamulcowego, powietrze z niego wypływa, a pociąg pozostaje bez hamulców. Właśnie z tego powodu taki hamulec nie może być stosowany w transporcie kolejowym, zbyt duża jest cena jego awarii. Nawet bez przerwania pociągu, w przypadku dużego wycieku powietrza, skuteczność hamulca zostanie zmniejszona.

Na podstawie powyższego pojawia się wymóg, aby hamowanie pociągu inicjowane było nie przez wzrost, lecz przez spadek ciśnienia w TM. Ale jak wtedy napełnić cylindry hamulcowe? To stawia drugie wymaganie — na każdym pojeździe w pociągu powinien być przechowywany zapas sprężonego powietrza, który należy szybko uzupełnić po każdym hamowaniu.

Podobne wnioski zostały wyciągnięte przez inżynieryjną myśl końca XIX wieku, co zaowocowało stworzeniem przez George'a Westinghouse'a w 1872 roku pierwszego automatycznego hamulca kolejowego.

Urządzenie hamulca Westinghouse'a: 1 — sprężarka; 2 — zbiornik główny; 3 — przewód zasilający; 4 — zawór pociągu maszynisty; 5 — przewód hamulcowy; 6 — rozdzielacz powietrza (zawór potrójny) systemu Westinghouse'a; 7 — cylider hamulcowy; 8 — zbiornik zapasowy; 9 — zawór bezpieczeństwa.

Na rysunku pokazano budowę tego hamulca (rysunek a — praca hamulca podczas zwalniania; b — praca hamulca podczas hamowania). Głównym elementem hamulca Westinghouse'a stał się rozdzielacz powietrza hamulca lub, jak go czasami nazywają, zawór potrójny. Ta rozdzielacz powietrza (6) ma wrażliwy organ — tłok, działający na różnicy dwóch ciśnień — w w torze hamulcowym (TH) i zbiorniku rezerwy (ZR). Jeśli ciśnienie w TH spada poniżej ciśnienia w ZR, tłok przemieszcza się w lewo, otwierając drogę powietrzu z ZR do TC. Jeśli ciśnienie w TH staje się większe niż ciśnienie w ZR — tłok przemieszcza się w prawo, łącząc TC z atmosferą, a zarazem łącząc TH i ZR, zapewniając napełnienie tego ostatniego sprężonym powietrzem z TH.

W ten sposób, gdy ciśnienie w TH spada z jakiegokolwiek powodu, czy to z winy maszynisty, czy z powodu nadmiernego wycieku powietrza z TH lub zerwania pociągu — hamulce zadziałają. To znaczy, że takie hamulce mają automatyzm działania. Ta cecha hamulców pozwoliła dodać jeszcze jedną możliwość zarządzania hamulcami pociągu, używaną w pociągach pasażerskich do dziś — awaryjne zatrzymanie pociągu przez pasażera, poprzez połączenie toru hamulcowego z atmosferą przez specjalny zawór — zawór awaryjny (9).

Dla tych, którzy znają tę cechę systemu hamulcowego pociągu, zabawnie jest oglądać filmy, w których złodzieje-kowboje zgrabnie odpinają od pociągu wagon z złotem. Aby coś takiego mogło się zdarzyć, kowboje muszą przed odpięciem zamknąć zawory końcowe na torze hamulcowym, odcinające tor hamulcowy od węży łączących między wagonami. Ale nigdy tego nie robią. Z drugiej strony, zamknięte zawory końcowe niejednokrotnie były przyczyną strasznych katastrof związanych z awarią hamulców, zarówno u nas (Kamenk w 1987 roku, Eral-Simska w 2011), jak i za granicą.

Z powodu tego, że napełnianie cylindrów hamulcowych odbywa się z wtórnego źródła sprężonego powietrza (zbiornika rezerwy), bez możliwości jego stałego uzupełniania, taki hamulec nazywa się niebezpośrednim. Ładowanie ZR sprężonym powietrzem odbywa się tylko podczas zwolnienia hamulca, co prowadzi do sytuacji, w której przy częstych hamowaniach z późniejszym zwolnieniem, przy niewystarczającej odległości czasowej po zwolnieniu, ZR nie zdąży się naładować do odpowiedniego ciśnienia. To może prowadzić do całkowitego wyczerpania hamulca i utraty kontroli nad hamulcami pociągu.

Hamulec pneumatyczny ma jeszcze jedną wadę, związaną z tym, że spadek ciśnienia w przewodach hamulcowych, tak jak każde zakłócenie, w medium powietrznym rozchodzi się z dużą, ale mimo to skończoną prędkością — nie większą niż 340 m/s. Dlaczego nie więcej? Ponieważ prędkość dźwięku to idealny przypadek. Jednak w systemie pneumatycznym pociągu istnieje szereg przeszkód, które zmniejszają prędkość rozprzestrzeniania się skoku ciśnienia, związanych z oporem przepływu powietrza. Dlatego, jeśli nie podejmie się specjalnych działań, prędkość spadku ciśnienia w TМ będzie tym niższa, im dalej od lokomotywy znajduje się wagon. W przypadku hamulca Westinghouse'a prędkość tzw. fali hamulcowej nie przekracza 180 — 200 m/s.

Niemniej jednak, wprowadzenie hamulca pneumatycznego umożliwiło zwiększenie zarówno mocy hamulców, jak i sprawności ich obsługi bezpośrednio z miejsca pracy maszynisty. To stanowiło potężny impuls do rozwoju transportu kolejowego, zwiększenia prędkości ruchu i masy pociągów, a w konsekwencji, kolosalnego wzrostu przewozów towarowych na kolei oraz rozwoju sieci kolejowej na całym świecie.

George Westinghouse był nie tylko wynalazcą, ale i przedsiębiorczym biznesmenem. Swoje wynalazki opatentował już w 1869 roku, co pozwoliło mu na uruchomienie masowej produkcji urządzeń hamulcowych. Dość szybko hamulec Westinghouse'a zyskał szerokie zastosowanie w USA, Zachodniej Europie oraz w Imperium Rosyjskim.

W Rosji hamulec Westinghouse'a dominował bezsprzecznie do rewolucji październikowej, a nawet przez długi czas po niej. Firma „Westinghouse” zbudowała w Petersburgu swoją fabrykę hamulców, a także umiejętnie wyeliminowała konkurencję z rynku rosyjskiego. Niemniej jednak hamulec Westinghouse'a miał szereg istotnych wad.

Po pierwsze, ten hamulec oferował tylko dwa tryby pracy: hamowanie do całkowitego napełnienia cylindrów hamulcowych oraz zwolnienie — opróżnienie cylindrów hamulcowych. Niemożliwe było stworzenie pośredniej wartości nacisku hamulca z jego długotrwałym utrzymywaniem, to znaczy w hamulcu Westinghouse'a brakowało trybu przełączania.To uniemożliwiało realizację precyzyjnego sterowania prędkością pociągu.

Po drugie, hamulec Westinghouse'a słabo działał w długich pociągach, a jeśli w ruchu pasażerskim można było to jakoś zaakceptować, to w towarowym pojawiały się problemy. Pamiętacie o falach hamowania? Otóż hamulec Westinghouse'a nie miał środków do zwiększenia jej prędkości, a w długim pociągu spadek ciśnienia w tamie na ostatnim wagonie mógł rozpocząć się za późno i z tempem znacznie niższym niż na przodzie pociągu, co powodowało dziką nieregularność działania urządzeń hamulcowych w składzie.

Trzeba powiedzieć, że działalność firmy „Westinghouse”, zarówno w Rosji w tamtych czasach, jak i na całym świecie, była przesycona kapitalistycznym smrodem wojen patentowych i nieuczciwej konkurencji. To właśnie zapewniło tej tak niedoskonałej systemowi tak długą żywotność, przynajmniej w tym historycznym okresie.

Przy wszystkich tych kwestiach należy przyznać, że hamulec Westinghouse'a położył podwaliny nauki o hamulcach, a zasada jego działania pozostała niezmieniona w nowoczesnych hamulcach taboru kolejowego.

2. Od hamulca Westinghouse'a do hamulca Matrosowa — powstanie krajowej nauki o hamulcach.

Praktycznie zaraz po pojawieniu się hamulca Westinghouse'a i uświadomieniu sobie jego niedociągnięć zaczęły się próby doskonalenia tego systemu lub stworzenia innego, zasadniczo nowego. Nasz kraj nie był wyjątkiem. Na początku XX wieku Rosja miała rozwiniętą sieć kolei, która odgrywała znaczącą rolę w zapewnieniu rozwoju gospodarczego i obronności kraju. Zwiększenie efektywności transportu wiązało się ze wzrostem prędkości jego ruchu i masy przewożonego ładunku, co z kolei stawiało na porządku dziennym kwestie doskonalenia systemów hamulcowych.

Znaczącym impulsem do rozwoju nauki o hamulcach w RFSRR, a później w ZSRR, było zmniejszenie wpływu dużego zachodniego kapitału, w szczególności firmy „Westinghouse”, na rozwój krajowego sektora kolejowego po październiku 1917 roku.

F.P. Kazancew (po lewej) i I.K. Matrosow (po prawej) — twórcy krajowego hamulca kolejowego


Pierwszą jaskółką, pierwszym poważnym osiągnięciem młodej krajowej nauki o hamulcach, były opracowania inżyniera Florentego Pimenowicza Kazancewa. W 1921 roku Kazancew zaproponował system bezpośredni automatyczny hamulecPoniższy schemat przedstawia wszystkie główne idee, które zostały wprowadzone nie tylko przez Kazancewa, a jej celem jest wyjaśnienie podstawowych zasad działania ulepszonego automatycznego hamulca.

Bezpośredni automatyczny hamulec: 1 — sprężarka; 2 — zbiornik główny; 3 — przewód zasilający; 4 — zawór hamulcowy maszynisty; 5 — urządzenie zasilające z wycieków przewodu hamulcowego; 6 — przewód hamulcowy; 7 — łączniki przewodów hamulcowych; 8 — zawór końcowy; 9 — zawór stop; 10 — zawór zwrotny; 11 — zbiornik zapasowy; 12 — rozdzielacz powietrza; 13 — cylinder hamulcowy; 14 — mechanizm dźwigni hamulcowej.


Pierwszą główną ideą jest to, że regulacja ciśnienia w TM odbywa się pośrednio — poprzez obniżenie/podniesienie ciśnienia w specjalnym zbiorniku zwanym zbiornikiem wyrównawczym (ZŁ). Jest on pokazany na rysunku po prawej stronie zaworu maszynisty (4) i powyżej urządzenia zasilającego z wycieków z TM (5). Utrzymanie szczelności tego zbiornika jest technicznie znacznie łatwiejsze niż utrzymanie szczelności przewodu hamulcowego — rury o długości sięgającej kilometrów, biegnącej przez cały pociąg. Względna stabilność ciśnienia w ZŁ pozwala na utrzymanie ciśnienia w TM, wykorzystując ciśnienie w ZŁ jako ciśnienie sterujące. Faktycznie, tłok w urządzeniu (5) przy obniżeniu ciśnienia w TM opada w dół, otwierając zawór, który napełnia TM z przewodu zasilającego, dzięki czemu ciśnienie w TM utrzymuje się na poziomie równym ciśnieniu w ZŁ. Ta idea miała jeszcze długą drogę do rozwoju, ale teraz ciśnienie w TM nie zależało od obecności zewnętrznych wycieków z niej (do znanych granic). Urządzenie 5 przeniosło się do zaworu maszynisty i pozostaje w nim w zmodyfikowanej formie do dziś.

Inną ważną ideą, na której opiera się konstrukcja tego typu hamulca, jest zasilanie ZR z TM przez zawór zwrotny 10. Przy przekroczeniu ciśnienia w TM nad ciśnieniem w ZR, zawór ten otwiera się, napełniając ZR z TM. W ten sposób następuje ciągłe uzupełnienie wycieków z zbiornika zapasowego i zapewnia się nieosłabialność hamulca.

Trzecią ważną ideą zaproponowaną przez Kazancewa jest konstrukcja rozdzielacza powietrza, który działa na różnicy nie dwóch ciśnień, ale trzech — ciśnienia w magistrali hamulcowej, ciśnienia w cylindrze hamulcowym oraz ciśnienia w specjalnej komorze roboczej (KR), która przy puszczeniu zasilana jest ciśnieniem z magistrali hamulcowej, razem z zapasowym zbiornikiem. W trybie hamowania KR jest oddzielana od zapasowego zbiornika i magistrali hamulcowej, zachowując wartość początkowego ciśnienia ładowania. Ta cecha jest szeroko wykorzystywana w hamulcach taboru kolejowego zarówno do zapewnienia stopniowego puszczenia, jak i do kontrolowania równomierności napełnienia TC wzdłuż pociągu w składach towarowych, ponieważ komora robocza służy jako wzorzec początkowego ciśnienia ładowania. Na podstawie jego wartości można zarówno zapewnić stopniowe puszczenie, jak i zorganizować wcześniejsze napełnienie TC w wagonach towarowych. Szczegółowy opis tych zagadnień zostawiam na inne artykuły na ten temat, póki co powiem tylko, że prace Kazancewa były impulsem do rozwoju naukowej szkoły w naszym kraju, co doprowadziło do opracowania innowacyjnych systemów hamulców taboru kolejowego.

Innym radzieckim wynalazcą, który miał kardynalny wpływ na rozwój krajowych hamulców taboru kolejowego, był Iwan Konstantinowicz Matrosow. Jego pomysły zasadniczo nie różniły się od idei Kazancewa, jednak późniejsze testy eksploatacyjne systemów hamulców Kazancewa i Matrosowa (wraz z innymi systemami hamulcowym) wykazały znaczną przewagę drugiego systemu w zakresie parametrów eksploatacyjnych, stosowanych przede wszystkim w pociągach towarowych. W ten sposób hamulec Matrosowa z rozdzielaczem powietrza wz. nr 320 stał się podstawą do dalszego opracowania i projektowania urządzeń hamulcowych dla kolei o szerokości toru 1520 milimetrów. Nowoczesny automatyczny hamulec używany w Rosji i krajach WNP z powodzeniem może nosić imię hamulca Matrosowa, ponieważ na wczesnym etapie swojego rozwoju zaczerpnął pomysły i rozwiązania konstrukcyjne Iwana Konstantinowicza.

Zamiast zakończenia

Jakie jest podsumowanie? Praca nad tym artykułem przekonała mnie, że temat zasługuje na cykl artykułów. W tym pilotażowym artykule dotknęliśmy historii rozwoju hamulców taboru kolejowego. W następnych szczegółowo omówimy nie tylko krajowe hamulce, ale także badania naszych kolegów z Europy Zachodniej, omówiąc budowę hamulców różnych typów i rodzajów taboru. Mam nadzieję, że temat będzie interesujący, i do zobaczenia na Habrze!

Dziękuję za uwagę!

Źródło: habr.com