Energia kinetyczna Sapsana przy maksymalnej prędkości wynosi ponad 1500 megadżuli. Aby doszło do całkowitego zatrzymania, całość musi zostać rozproszona przez urządzenia hamujące.
To była sprawa właśnie tutaj, na Habré. Publikujemy tutaj sporo artykułów poglądowych na tematykę kolejową, jednakże temat ten nie został jeszcze szczegółowo omówiony. Myślę, że całkiem interesująco byłoby napisać o tym artykuł, a może i więcej niż jeden. Dlatego proszę o kota tych, którzy interesują się tym, jak i z jakich powodów projektuje się układy hamulcowe transportu kolejowego.
1. Historia hamulca pneumatycznego
Zadaniem sterowania dowolnym pojazdem jest regulacja jego prędkości. Transport kolejowy nie jest wyjątkiem, a jego cechy konstrukcyjne wprowadzają istotne niuanse w tym procesie. Pociąg składa się z dużej liczby połączonych ze sobą wagonów, a powstały układ ma znaczną długość i masę przy bardzo przyzwoitej prędkości.
a-priorytet, hamulce to zespół urządzeń służących do wytwarzania sztucznych, regulowanych sił oporu, służących do kontrolowanego zmniejszania prędkości pojazdu.
Najbardziej oczywistym, na pozór, sposobem wytworzenia siły hamowania jest użycie tarcia. Od samego początku aż do dzisiaj stosowane są hamulce cierne szczękowe. Urządzenia specjalne – klocki hamulcowe wykonane z materiału o wysokim współczynniku tarcia, dociskane są mechanicznie do powierzchni tocznej koła (lub do specjalnych tarcz zamontowanych na osi zestawu kołowego). Pomiędzy klockami a kołem powstaje siła tarcia, tworząc moment hamowania.
Siłę hamowania reguluje się poprzez zmianę siły docisku klocków do koła - ciśnienie hamulca. Pytanie tylko jaki napęd służy do dociskania klocków i po części historia hamulców to historia rozwoju tego napędu.
Pierwsze hamulce kolejowe były mechaniczne i obsługiwane były ręcznie, w każdym wagonie oddzielnie przez specjalne osoby – hamulcowych lub konduktorów. Konduktorzy umieszczeni byli na tzw. platformach hamulcowych, w które wyposażony był każdy wagon i uruchamiali hamulce na sygnał maszynisty lokomotywy. Wymiana sygnałów pomiędzy maszynistą a konduktorami odbywała się za pomocą specjalnej liny sygnalizacyjnej rozciągniętej wzdłuż całego pociągu, która uruchamiała specjalny gwizdek.
Zabytkowy dwuosiowy wagon towarowy z klockiem hamulcowym. Widoczne pokrętło hamulca ręcznego
Sam hamulec napędzany mechanicznie ma niewielką moc. Wielkość siły hamowania zależała od wytrzymałości i zręczności przewodnika. Dodatkowo w działaniu takiego układu hamulcowego zakłócił się czynnik ludzki – konduktorzy nie zawsze wywiązywali się ze swoich obowiązków prawidłowo. O wysokiej skuteczności takich hamulców, a także o wzroście prędkości wyposażonych w nie pociągów, nie trzeba było mówić.
Dalszy rozwój hamulców wymagał, po pierwsze, zwiększenia ciśnienia w hamulcach, a po drugie, możliwości zdalnego sterowania wszystkimi samochodami z miejsca pracy kierowcy.
Napęd hydrauliczny stosowany w hamulcach samochodowych stał się powszechny dzięki temu, że zapewnia wysokie ciśnienie za pomocą kompaktowych siłowników. Jednak podczas stosowania takiego układu w pociągu pojawi się jego główna wada: potrzeba specjalnego płynu roboczego - płynu hamulcowego, którego wyciek jest niedopuszczalny. Duża długość przewodów hydraulicznych hamulca w pociągu w połączeniu z wysokimi wymaganiami dotyczącymi ich szczelności powodują, że wykonanie hydraulicznego hamulca kolejowego jest niemożliwe i nieracjonalne.
Kolejną rzeczą jest napęd pneumatyczny. Zastosowanie powietrza pod wysokim ciśnieniem umożliwia uzyskanie wysokich ciśnień hamowania przy akceptowalnych wymiarach siłowników – cylindrów hamulcowych. Płynu roboczego nie brakuje – powietrze jest wszędzie wokół nas i nawet jeśli dojdzie do wycieku płynu roboczego z układu hamulcowego (a na pewno ma miejsce), można go stosunkowo łatwo uzupełnić.
Najprostszym układem hamulcowym wykorzystującym energię sprężonego powietrza jest hamulec nieautomatyczny działający bezpośrednio
Schemat hamulca nieautomatycznego bezpośredniego działania: 1 - sprężarka; 2 - zbiornik główny; 3 - linia zasilająca; 4 — dźwig maszynisty; 5 - przewód hamulcowy; 6 — cylinder hamulcowy; 7 — sprężyna zwalniająca; 8, 9 — przekładnia hamulca mechanicznego; 10 - klocek hamulcowy.
Do działania takiego hamulca niezbędny jest dopływ sprężonego powietrza, magazynowanego na lokomotywie w specjalnym zbiorniku tzw główny zbiornik (2). Następuje wtłaczanie powietrza do zbiornika głównego i utrzymywanie w nim stałego ciśnienia kompresor (1), napędzany przez elektrownię lokomotywową. Sprężone powietrze dostarczane jest do urządzeń sterujących hamulcami specjalnym rurociągiem tzw żywieniowe (NM) lub ciśnienie autostrada (3).
Hamulce wagonów są kontrolowane, a sprężone powietrze dostarczane jest do nich długim rurociągiem biegnącym przez cały pociąg i tzw przewód hamulcowy (TM) (5). Gdy sprężone powietrze jest dostarczane przez TM, napełnia się cylindry hamulcowe (TC) (6) podłączony bezpośrednio do TM. Sprężone powietrze naciska na tłok, dociskając klocki hamulcowe 10 do kół, zarówno lokomotywy, jak i wagonów. Następuje hamowanie.
To znaczy przestać hamować święta hamulce konieczne jest wypuszczenie powietrza z przewodu hamulcowego do atmosfery, co doprowadzi do powrotu mechanizmów hamulcowych do ich pierwotnego położenia pod wpływem siły sprężyn zwalniających zainstalowanych w TC.
Aby zahamować należy połączyć przewód hamulcowy (TM) z przewodem zasilającym (PM). Na wakacje podłącz przewód hamulcowy do atmosfery. Funkcje te realizuje specjalne urządzenie - dźwig maszynisty (4) - podczas hamowania łączy PM z PM, po zwolnieniu rozłącza te rurociągi, jednocześnie wypuszczając powietrze z PM do atmosfery.
W takim systemie istnieje trzecie, pośrednie położenie dźwigu kierowcy - ponowny dach gdy PM i TM zostaną rozdzielone, ale nie nastąpi uwolnienie powietrza z TM do atmosfery, dźwig kierowcy całkowicie go izoluje. Ciśnienie zgromadzone w TM i TC jest utrzymywane, a czas jego utrzymywania się na zadanym poziomie zależy od wielkości wycieku powietrza przez różne nieszczelności, a także od oporu cieplnego klocków hamulcowych, które nagrzewają się podczas tarcia o opony koła. Umieszczenie go w suficie zarówno podczas hamowania, jak i podczas zwalniania pozwala na stopniową regulację siły hamowania. Ten typ hamulca zapewnia zarówno hamowanie stopniowe, jak i zwalnianie stopniowe.
Pomimo prostoty takiego układu hamulcowego ma on fatalną wadę - po odłączeniu pociągu następuje pęknięcie przewodu hamulcowego, ulatnia się z niego powietrze i pociąg pozostaje bez hamulców. Z tego powodu taki hamulec nie może być stosowany w transporcie kolejowym, koszt jego awarii jest zbyt wysoki. Nawet bez pęknięcia pociągu, w przypadku dużego wycieku powietrza, skuteczność hamulców zostanie zmniejszona.
W związku z powyższym powstaje wymóg, aby hamowanie pociągu było inicjowane nie wzrostem, lecz spadkiem ciśnienia w TM. Ale jak w takim razie napełnić cylindry hamulcowe? Rodzi to drugi wymóg – każda poruszająca się jednostka w pociągu musi posiadać zapas sprężonego powietrza, który należy niezwłocznie uzupełniać po każdym hamowaniu.
Do podobnych wniosków doszła myśl inżynierska końca XIX wieku, co zaowocowało stworzeniem w 1872 roku przez George’a Westinghouse’a pierwszego automatycznego hamulca kolejowego.
Urządzenie hamulcowe Westinghouse: 1 - sprężarka; 2 - zbiornik główny; 3 - linia zasilająca; 4 — dźwig maszynisty; 5 - przewód hamulcowy; 6 — rozdzielacz powietrza (potrójny zawór) systemu Westinghouse; 7 — cylinder hamulcowy; 8 — zbiornik zapasowy; 9 - zawór odcinający.
Rysunek przedstawia budowę tego hamulca (Rysunek a - działanie hamulca podczas zwalniania; b - działanie hamulca podczas hamowania). Głównym elementem hamulca Westigauze był rozdzielacz powietrza hamulcowego lub, jak to się czasem nazywa, potrójny zawór. Ten rozdzielacz powietrza (6) ma wrażliwy organ – tłok, który działa na podstawie różnicy pomiędzy dwoma ciśnieniami – w przewodzie hamulcowym (TM) i zbiorniku rezerwowym (R). Jeśli ciśnienie w TM stanie się mniejsze niż w TC, wówczas tłok przesunie się w lewo, otwierając drogę dla powietrza z CM do TC. Jeśli ciśnienie w TM staje się większe niż ciśnienie w SZ, tłok przesuwa się w prawo, komunikując TC z atmosferą, a jednocześnie komunikując TM i SZ, zapewniając napełnienie tego ostatniego sprężonym powietrzem z TM.
Zatem jeśli z jakiegokolwiek powodu ciśnienie w TM spadnie, czy to na skutek działań maszynisty, nadmiernego wycieku powietrza z TM, czy też pęknięcia pociągu, hamulce zadziałają. Oznacza to, że takie hamulce mają automatyczne działanie. Ta właściwość hamulca umożliwiła dodanie kolejnej możliwości sterowania hamulcami pociągu, stosowanej do dziś w pociągach pasażerskich - awaryjnego zatrzymania pociągu przez pasażera poprzez komunikację przewodu hamulcowego z atmosferą poprzez specjalny zawór - hamulec bezpieczeństwa (9).
Dla tych, którzy są zaznajomieni z tą cechą układu hamulcowego pociągu, zabawnie będzie oglądać filmy, w których słynni złodzieje-kowboje odłączają od pociągu wagon ze złotem. Aby było to możliwe kowboje muszą przed rozłączeniem zamknąć zawory końcowe na przewodzie hamulcowym oddzielające przewód hamulcowy od przewodów łączących samochody. Ale nigdy tego nie robią. Z drugiej strony zamknięte zawory końcowe niejednokrotnie powodowały straszliwe katastrofy związane z awarią hamulców, zarówno tutaj (Kamieńsk w 1987 r., Eral-Simskaja w 2011 r.), jak i za granicą.
Ze względu na fakt, że napełnianie cylindrów hamulcowych odbywa się z wtórnego źródła sprężonego powietrza (zbiornik zapasowy), bez możliwości stałego uzupełniania, taki hamulec nazywany jest działając pośrednio. Doładowanie hamulca sprężonym powietrzem następuje dopiero po zwolnieniu hamulca, co powoduje, że przy częstym hamowaniu, a następnie zwolnieniu, jeśli po zwolnieniu nie będzie wystarczającego czasu, hamulec nie będzie miał czasu naładować się do wymaganego ciśnienia. Może to skutkować całkowitym wyczerpaniem hamulca i utratą kontroli nad hamulcami pociągu.
Hamulec pneumatyczny ma jeszcze jedną wadę, związaną z tym, że spadek ciśnienia w przewodzie hamulcowym, jak każde zaburzenie, rozchodzi się w powietrzu z dużą, choć skończoną, prędkością - nie większą niż 340 m/s. Dlaczego nie więcej? Ponieważ prędkość dźwięku jest idealna. Jednak w układzie pneumatycznym pociągu występuje szereg przeszkód, które zmniejszają prędkość propagacji spadku ciśnienia związanego z oporami przepływu powietrza. Dlatego też, o ile nie zostaną podjęte specjalne środki, tempo redukcji ciśnienia w TM będzie tym mniejsze, im dalej wagon będzie od lokomotywy. W przypadku hamulca Westinghouse prędkość tzw fala hamowania nie przekracza 180 - 200 m/s.
Jednak pojawienie się hamulca pneumatycznego umożliwiło zwiększenie zarówno mocy hamulców, jak i efektywności ich sterowania bezpośrednio ze stanowiska kierowcy, co stanowiło potężny impuls do rozwoju transportu kolejowego, zwiększając prędkość i masę pojazdów. pociągów, a w efekcie kolosalny wzrost pracy przewozowej na kolei, wzrost długości linii kolejowych na całym świecie.
George Westinghouse był nie tylko wynalazcą, ale także przedsiębiorczym biznesmenem. Już w 1869 roku opatentował swój wynalazek, co umożliwiło mu rozpoczęcie masowej produkcji wyposażenia hamulcowego. Dość szybko hamulec Westinghouse'a stał się powszechny w USA, Europie Zachodniej i Imperium Rosyjskim.
W Rosji hamulec Westinghouse’a panował aż do rewolucji październikowej i przez dłuższy czas po niej. Firma Westinghouse zbudowała w Petersburgu własną fabrykę hamulców, a także umiejętnie wyparła konkurentów z rynku rosyjskiego. Hamulec Westinghouse miał jednak szereg zasadniczych wad.
Po pierwsze, hamulec ten zapewniał tylko dwa tryby pracy: hamowanie aż do całkowitego napełnienia cylindrów hamulcowych, oraz wakacje — opróżnianie cylindrów hamulcowych. Niemożliwe było wytworzenie pośredniego ciśnienia hamulca przy jego długotrwałej konserwacji, to znaczy hamulec Westinghouse nie miał trybu ponowny dach. Nie pozwalało to na precyzyjną kontrolę prędkości pociągu.
Po drugie, hamulec Westinghouse nie działał dobrze w długich pociągach i o ile w ruchu pasażerskim dało się to jakoś tolerować, o tyle w ruchu towarowym pojawiły się problemy. Pamiętacie falę hamowania? Hamulec Westinghouse nie miał więc środków na zwiększenie prędkości, a w długim pociągu spadek ciśnienia płynu hamulcowego w ostatnim wagonie mógł rozpocząć się zbyt późno i w tempie znacznie mniejszym niż na czele pociągu, co spowodowało dziką nierówną pracę urządzeń hamulcowych w całym pociągu.
Trzeba powiedzieć, że cała działalność firmy Westinghouse, zarówno w ówczesnej Rosji, jak i na całym świecie, jest całkowicie przesiąknięta kapitalistycznym zapachem wojen patentowych i nieuczciwej konkurencji. To właśnie zapewniało tak niedoskonałemu systemowi tak długie życie, przynajmniej w tamtym okresie historycznym.
Przy tym wszystkim należy uznać, że hamulec Westinghouse położył podwaliny nauki o hamowaniu, a zasada jego działania pozostała niezmieniona we współczesnych hamulcach taboru kolejowego.
2. Od hamulca Westinghouse'a do hamulca Matrosowa - tworzenie krajowej nauki o hamowaniu.
Niemal natychmiast po pojawieniu się hamulca Westinghouse i uświadomieniu sobie jego wad podjęto próby ulepszenia tego systemu lub stworzenia innego, zasadniczo nowego. Nasz kraj nie był wyjątkiem. Na początku XX wieku Rosja posiadała rozwiniętą sieć kolei, która odegrała znaczącą rolę w zapewnieniu rozwoju gospodarczego i zdolności obronnych kraju. Zwiększanie efektywności transportu wiąże się ze wzrostem prędkości jego ruchu oraz masy jednocześnie przewożonych ładunków, co powoduje, że pilnie podniesiono kwestie usprawnienia układów hamulcowych.
Istotnym impulsem dla rozwoju nauki o hamulcach w RFSRR, a później ZSRR, było zmniejszenie wpływu dużego kapitału zachodniego, w szczególności firmy Westinghouse, na rozwój krajowego przemysłu kolejowego po październiku 1917 roku.
F.P. Kazantsev (po lewej) i I.K. Żeglarze (po prawej) - twórcy krajowego hamulca kolejowego
Pierwszym znakiem, pierwszym poważnym osiągnięciem młodej krajowej nauki o hamowaniu, był rozwój inżyniera Florenty'ego Pimenowicza Kazantseva. W 1921 roku Kazantsev zaproponował system hamulec automatyczny działający bezpośrednio. Poniższy schemat opisuje wszystkie główne pomysły wprowadzone nie tylko przez Kazantseva, a jego celem jest wyjaśnienie podstawowych zasad działania ulepszonego hamulca automatycznego
Hamulec automatyczny bezpośredniego działania: 1 - sprężarka; 2 - zbiornik główny; 3 - linia zasilająca; 4 — dźwig maszynisty; 5 — urządzenie zasilające nieszczelność przewodu hamulcowego; 6 — przewód hamulcowy; 7 — podłączenie przewodów hamulcowych; 8 - zawór końcowy; 9 - zawór odcinający; 10 - zawór zwrotny; 11 — zbiornik zapasowy; 12 — dystrybutor powietrza; 13 — cylinder hamulcowy; 14 — przekładnia dźwigni hamulca.
Zatem pierwszą główną ideą jest to, że ciśnienie w TM jest kontrolowane pośrednio - poprzez spadek/wzrost ciśnienia w specjalnym zbiorniku zwanym Zbiornik wyrównawczy (UR). Pokazano to na rysunku po prawej stronie kranu sterownika (4) i na górze urządzenia zasilającego pod kątem wycieków z TM (5). Gęstość tego zbiornika jest technicznie znacznie łatwiejsza do zapewnienia niż gęstość przewodu hamulcowego – rury sięgającej kilka kilometrów i biegnącej przez cały pociąg. Względna stabilność ciśnienia w UR umożliwia utrzymanie ciśnienia w TM, przyjmując ciśnienie w UR jako ciśnienie odniesienia. Rzeczywiście, tłok w urządzeniu (5), gdy ciśnienie w TM spada, otwiera zawór, który napełnia TM z przewodu zasilającego, utrzymując w ten sposób ciśnienie w TM równe ciśnieniu w UR. Pomysł ten miał jeszcze długą drogę rozwoju, ale teraz ciśnienie w TM nie zależało od obecności z niego zewnętrznych wycieków (do pewnych granic). Urządzenie nr 5 przeniosło się na dźwig operatora i pozostaje tam w zmodyfikowanej formie do dziś.
Kolejną ważną ideą leżącą u podstaw konstrukcji tego typu hamulca jest zasilanie z płynu hamulcowego poprzez zawór zwrotny 10. Gdy ciśnienie w zaworze hamulcowym przekroczy ciśnienie w zaworze hamulcowym, zawór ten otwiera się, napełniając zawór z hamulca płyn. W ten sposób wycieki są na bieżąco uzupełniane ze zbiornika rezerwowego, a hamulec nie wyczerpuje się.
Trzecią ważną koncepcją zaproponowaną przez Kazantseva jest konstrukcja rozdzielacza powietrza działającego na różnicy nie dwóch, ale trzech ciśnień – ciśnienia w przewodzie hamulcowym, ciśnienia w cylindrze hamulcowym i ciśnienia w specjalnej komorze roboczej (WC), który podczas zwalniania zasilany jest ciśnieniem z przewodu hamulcowego wraz ze zbiornikiem zapasowym. W trybie hamowania ciśnienie ładowania jest odłączane od zbiornika rezerwowego i przewodu hamulcowego, utrzymując wartość początkowego ciśnienia ładowania. Właściwość ta jest szeroko stosowana w hamulcach taboru kolejowego, zarówno w celu zapewnienia stopniowego zwalniania, jak i kontroli równomierności napełniania TC wzdłuż pociągu w pociągach towarowych, ponieważ komora robocza służy jako wzorzec początkowego ciśnienia ładowania. Ze względu na jego wartość istnieje możliwość stopniowego zwalniania i organizowania wcześniejszego zapełnienia centrum handlowego tylnymi wagonami. Szczegółowy opis tych spraw pozostawię do innych artykułów na ten temat, ale na razie powiem tylko, że twórczość Kazantsewa stała się bodźcem do rozwoju szkoły naukowej w naszym kraju, co doprowadziło do opracowania oryginalnych układy hamulcowe taboru.
Kolejnym radzieckim wynalazcą, który radykalnie wpłynął na rozwój hamulców krajowego taboru, był Iwan Konstantinowicz Matrosow. Jego pomysły nie różniły się zasadniczo od pomysłów Kazantsewa, jednak późniejsze próby eksploatacyjne układów hamulcowych Kazantsewa i Matrosowa (wraz z innymi układami hamulcowymi) wykazały znaczną wyższość drugiego układu pod względem właściwości użytkowych, gdy był on stosowany głównie w pociągach towarowych. Zatem hamulec Matrosowa z dystrybutorem powietrza jest warunkowy. Nr 320 stał się podstawą do dalszego rozwoju i projektowania urządzeń hamulcowych dla kolei o torze 1520 mm. Nowoczesny automatyczny hamulec stosowany w Rosji i krajach WNP może słusznie nosić nazwę hamulca Matrosowa, ponieważ w początkowej fazie swojego rozwoju wchłonął pomysły i rozwiązania konstrukcyjne Iwana Konstantinowicza.
Zamiast zawierania
Jaki jest wniosek? Praca nad tym artykułem utwierdziła mnie w przekonaniu, że temat zasługuje na serię artykułów. W tym artykule pilotażowym poruszyliśmy historię rozwoju hamulców taboru kolejowego. Poniżej zajmiemy się soczystymi szczegółami, dotykając nie tylko hamulca krajowego, ale także rozwoju kolegów z Europy Zachodniej, podkreślając konstrukcję hamulców różnych typów i rodzajów obsługi taboru. Mam więc nadzieję, że temat będzie interesujący i do zobaczenia ponownie na hubie!
Dziękuję za uwagę!
Źródło: www.habr.com