A energia cinética do 'Sapsan' na velocidade máxima é superior a 1500 megajoules. Para uma parada completa, toda essa energia deve ser dissipada nos dispositivos de freio.
Já houve um tempo em que exatamente aqui, no Habr. Muitas publicações sobre ferrovia são postadas aqui, mas este tópico ainda não foi abordado em detalhes. Acredito que seria bastante interessante escrever um artigo sobre isso, talvez até mais de um. Portanto, peço aos interessados em entender como funcionam os sistemas de freios ferroviários e por que são projetados dessa forma para continuar lendo.
1. História da invenção do freio pneumático
A tarefa de controlar qualquer meio de transporte envolve regular a velocidade de seu movimento. O transporte ferroviário não é uma exceção; na verdade, suas características construtivas acrescentam nuances significativas a esse processo. Um trem é composto por muitas unidades acopladas entre si, resultando em um sistema longo e pesado que se desloca a uma velocidade considerável.
Por definição, os freios são um conjunto de dispositivos projetados para criar forças de resistência artificiais e reguláveis, usadas para a redução controlada da velocidade de um veículo de transporte.
A maneira mais óbvia e evidente de gerar força de frenagem é através da utilização da força de atrito. Desde o início até hoje, o freio de fricção por sapata tem sido usado. Dispositivos especiais — as sapatas de freio, feitas de um material com alto coeficiente de atrito, são pressionados mecanicamente contra a superfície circular da roda (ou contra discos especiais instalados no eixo do par de rodas). Entre as sapatas e a roda, uma força de atrito é gerada, criando o momento de frenagem.
A regulação da força de frenagem é realizada através da alteração da força de pressão das sapatas contra a roda — pressão de freio. A única questão é qual tipo de acionamento é utilizado para pressionar as sapatas, e a história dos freios é, em parte, a história do desenvolvimento desse acionamento.
Os primeiros freios ferroviários eram mecânicos e acionados manualmente, separadamente em cada vagão por pessoas especiais — freios ou condutores. Os condutores estavam localizados nas chamadas plataformas de freio, que equipavam cada vagão, e acionavam os freios em resposta ao sinal do maquinista da locomotiva. A troca de sinais entre o maquinista e os condutores era realizada através de uma corda sinalizadora especial, estendida ao longo de todo o trem, que ativava um apito especial.
Um antigo vagão de carga de dois eixos com plataforma de freio. É visível a alavanca do freio manual.
O freio mecânico por si só possui baixa potência. A força de pressão do freio dependia da força e habilidade do condutor. Além disso, na operação desse sistema de freio, o fator humano interferia — os condutores nem sempre executavam suas funções corretamente. Não se podia falar em alta eficiência desses freios, assim como no aumento da velocidade dos trens equipados com eles.
O desenvolvimento posterior dos freios exigia, por um lado, um aumento na pressão de frenagem e, por outro, a possibilidade de controle remoto disso em todos os vagões a partir do local de trabalho do maquinista.
O acionamento hidráulico, aplicado em freios de automóveis, ganhou ampla utilização devido ao fato de proporcionar alta pressão em dispositivos executores compactos. No entanto, ao aplicar tal sistema em um trem, manifestar-se-á sua principal desvantagem: a necessidade de um meio de trabalho especial — o fluido de freio, cuja perda é inadmissível. A grande extensão das linhas hidráulicas de freio em um trem, juntamente com as altas exigências de sua estanqueidade, tornam impossível e inviável a criação de um freio ferroviário hidráulico.
Por outro lado, o acionamento pneumático. O uso de ar comprimido de alta pressão permite obter altas pressões de freio em dimensões aceitáveis para os dispositivos executores — cilindros de freio. Não há falta de meio de trabalho — o ar está ao nosso redor, e mesmo que ocorra uma fuga do meio de trabalho do sistema de freio (o que certamente ocorrerá), pode-se repô-la relativamente fácil.
O sistema mais simples de freio que utiliza energia de ar comprimido é o freio direto não automático
Esquema do freio direto não automático: 1 — compressor; 2 — reservatório principal; 3 — tubo de alimentação; 4 — válvula do maquinista; 5 — linha de freio; 6 — cilindro de freio; 7 — mola de liberação; 8, 9 — transmissão mecânica de freio; 10 — sapata de freio.
Para o funcionamento desse freio, é necessário um reservatório de ar comprimido, armazenado na locomotiva em um reservatório especial chamado reservatório principal (2). A compressão de ar no reservatório principal e a manutenção de uma pressão constante é realizada pelo compressor (1), acionado pela instalação de energia da locomotiva. O fornecimento de ar comprimido para os dispositivos de controle de freio é realizado através de um tubo especial, chamado linha de alimentação (PM) ou de pressão (3).
O controle dos freios dos vagões e o fornecimento de ar comprimido a eles é feito por meio de um longo tubo que percorre todo o trem e é chamado linha de freio (TM) (5). Quando o ar comprimido é fornecido pela TM, ele enche os cilindros de freio (TC) (6) conectados diretamente à TM. O ar comprimido empurra o pistão, pressionando as sapatas de freio (10) contra as rodas, tanto na locomotiva quanto nos vagões. O freio é acionado.
Para interromper a frenagem, ou seja, liberar os freios, é necessário liberar o ar da linha de freio para a atmosfera, o que fará com que os mecanismos de freio retornem à posição inicial devido à ação das molas de liberação instaladas nos TC.
Para frear, é necessário conectar a linha de freio (TM) à linha de alimentação (PM). Para liberar — conectar a linha de freio à atmosfera. Essas funções são realizadas por um dispositivo especial — válvula do maquinista (4) — ao frear, ele conecta a PM e a TM, ao liberar, desune esses tubos, liberando simultaneamente o ar da TM para a atmosfera.
Neste sistema, existe também uma terceira posição intermediária da válvula do maquinista — fechadura Quando o PM e o TM estão desconectados, mas a liberação de ar do TM para a atmosfera não ocorre — a válvula do maquinista isola completamente. A pressão acumulada no TM e no TC é mantida, e o tempo para manter esse nível é determinado pela quantidade de vazamentos de ar através de diversas falhas, assim como pela resistência térmica das pastilhas de freio que se aquecem devido ao atrito com os bandas das rodas. A colocação na intersecção, tanto durante a frenagem quanto na liberação, permite regular a força de frenagem em etapas. Esse freio proporciona tanto uma frenagem em etapas quanto uma liberação em etapas.
Apesar de toda a simplicidade desse sistema de freio, ele possui uma grave desvantagem — durante a desconexão do trem ocorre um rompimento da linha de freio, o ar dela escapa e o trem fica sem freios. Por essa razão, esse tipo de freio não pode ser aplicado no transporte ferroviário, pois o custo de sua falha é muito alto. Mesmo sem o rompimento do trem, se houver um grande vazamento de ar, a eficiência do freio será reduzida.
Com base no que foi exposto, surge a exigência de que a frenagem do trem seja iniciada não pelo aumento, mas pela diminuição da pressão no TM. Mas como então encher os cilindros de freio? Isso traz uma segunda exigência — em cada unidade motora do trem deve haver um reservatório de ar comprimido, que deve ser rapidamente reabastecido após cada frenagem.
Pensamentos semelhantes foram desenvolvidos pela engenharia no final do século XIX, o que se traduziu na criação, por George Westinghouse, do primeiro freio ferroviário automático em 1872.
Estrutura do freio de Westinghouse: 1 — compressor; 2 — reservatório principal; 3 — linha de alimentação; 4 — válvula do maquinista; 5 — linha de freio; 6 — distribuidor de ar (válvula tripla) do sistema de Westinghouse; 7 — cilindro de freio; 8 — reservatório reserva; 9 — válvula de parada.
A figura ilustra a estrutura desse freio (figura a — operação do freio na liberação; b — operação do freio na frenagem). O principal elemento do freio de Westinghouse é o distribuidor de ar de freio ou, como às vezes é chamado, válvula tripla. Este distribuidor de ar (6) possui um órgão sensível — um pistão, que opera com a diferença de duas pressões — na linha de freio (LF) e no reservatório de ar comprimido (RA). Se a pressão na LF se torna menor do que no RA, o pistão se desloca para a esquerda, abrindo o caminho para o ar do RA entrar na TC. Se a pressão na LF se torna maior do que a pressão no RA, o pistão se desloca para a direita, conectando a TC com a atmosfera e, ao mesmo tempo, conectando a LF e o RA, garantindo o preenchimento deste último com ar comprimido da LF.
Assim, quando a pressão na LF diminui por qualquer motivo, seja por ação do maquinista, vazamento excessivo de ar da LF ou ruptura do trem — os freios funcionarão. Isso significa que esses freios têm automação de ação. Essa característica do freio permitiu adicionar mais uma possibilidade de controle dos freios do trem, utilizada em trens de passageiros até hoje — a parada de emergência do trem pelo passageiro, conectando a linha de freio com a atmosfera através de uma válvula especial — válvula de emergência (9).
Para aqueles que estão familiarizados com essa característica do sistema de freios do trem, é engraçado assistir a filmes onde ladrões-cowboys desatam facilmente um vagão cheio de ouro do trem. Para que isso fosse possível, os cowboys deveriam, antes de desatar, fechar as válvulas finais na linha de freio, desconectando a linha de freio dos mangueiras de conexão entre os vagões. Mas eles nunca fazem isso. Por outro lado, as válvulas finais fechadas já causaram várias catástrofes graves relacionadas à falha dos freios, tanto aqui (Kamenks em 1987, Yeral-Sim em 2011) quanto no exterior.
Devido ao fato de que o preenchimento dos cilindros de freio ocorre a partir de uma fonte secundária de ar comprimido (reservatório de ar), sem a possibilidade de reabastecimento constante, esse freio é chamado de não diretamente atuante. O carregamento do RA com ar comprimido ocorre apenas quando os freios são liberados, o que resulta no fato de que, em frenagens frequentes seguidas de liberações, se não houver tempo de espera adequado após a liberação, o RA não consegue ser carregado até a pressão necessária. Isso pode levar ao esgotamento completo dos freios e à perda de controle sobre os freios do trem.
O freio pneumático tem uma outra desvantagem relacionada ao fato de que a queda de pressão na tubulação de freio, assim como qualquer perturbação, se espalha em um meio de ar com uma velocidade alta, mas ainda assim finita — não mais que 340 m/s. Por que não mais? Porque a velocidade do som é a opção ideal. No entanto, no sistema pneumático do trem, existe uma série de obstáculos que reduzem a velocidade de propagação da queda de pressão, relacionada à resistência do fluxo de ar. Portanto, se não forem tomadas medidas especiais, a velocidade de queda de pressão na T.M. será tanto menor quanto mais longe do locomotivo o vagão se encontrar. No caso do freio de Westinghouse, a velocidade da chamada onda de freio não ultrapassa 180 a 200 m/s.
No entanto, a introdução do freio pneumático permitiu aumentar tanto a potência dos freios quanto a agilidade de seu controle diretamente do local de trabalho do maquinista. Isso serviu como um poderoso impulso para o desenvolvimento do transporte ferroviário, aumento da velocidade de deslocamento e peso dos trens, e, como consequência, um aumento colossal no tráfego de carga nas ferrovias e na extensão das linhas ferroviárias em todo o mundo.
George Westinghouse não era apenas um inventor, mas também um empresário empreendedor. Ele patenteou sua invenção em 1869, o que lhe permitiu iniciar a produção em massa de equipamentos de freio. Muito rapidamente, o freio de Westinghouse se espalhou amplamente nos EUA, na Europa Ocidental e no Império Russo.
Na Rússia, o freio de Westinghouse reinou absoluto até a Revolução de Outubro, e por um bom tempo depois dela. A empresa 'Westinghouse' construiu em São Petersburgo sua fábrica de freios e também soube deslocar habilmente os concorrentes do mercado russo. No entanto, o freio de Westinghouse tinha uma série de desvantagensprincipais.
Em primeiro lugar, este freio proporcionava apenas dois modos de operação: frenagem até o preenchimento total dos cilindros de freio, e liberação — esvaziamento dos cilindros de freio. Criar uma magnitude intermediária de pressão de freio com manutenção prolongada era impossível, ou seja, no freio de Westinghouse faltava o modo interrupções. Isso não permitia a realização de um controle preciso da velocidade do trem.
Em segundo lugar, o freio Westinghouse funcionava mal em trens longos, e se no transporte de passageiros isso podia ser tolerado, no transporte de cargas surgiam problemas. Lembra da onda de frenagem? Pois bem, o freio Westinghouse não possuía meios de aumentar sua velocidade, e em um trem longo a diminuição da pressão no T.M. no último vagão poderia começar muito tarde, além de ser a um ritmo substancialmente mais baixo do que na frente do trem, o que criava uma enorme desigualdade no acionamento dos dispositivos de freio ao longo do conjunto.
É importante mencionar que toda a atividade da empresa "Westinghouse", tanto na Rússia daquela época quanto em todo o mundo, estava profundamente permeada pelo odor capitalista das guerras de patentes e da concorrência desleal. Isso garantiu que um sistema tão imperfeito tivesse uma vida tão longa, pelo menos naquele período histórico.
Com tudo isso, é preciso reconhecer que o freio Westinghouse lançou as bases da ciência dos freios e o princípio de seu funcionamento permaneceu inalterado nos freios modernos de material rodante.
2. Do freio Westinghouse ao freio Matrosov — o desenvolvimento da ciência dos freios domésticos.
Praticamente imediatamente após o surgimento do freio Westinghouse e a conscientização de suas deficiências, houve tentativas de aprimorar esse sistema, ou de criar um novo e completamente diferente. Nosso país não foi uma exceção. No início do século XX, a Rússia possuía uma rede ferroviária desenvolvida, desempenhando um papel significativo no suporte ao desenvolvimento econômico e na defesa do país. O aumento da eficiência do transporte está relacionado ao aumento da velocidade do movimento e da massa de carga transportada simultaneamente, levantando assim questões urgentes sobre o aprimoramento dos sistemas de freio.
Um impulso significativo para o desenvolvimento da ciência dos freios na RSFSR e mais tarde na URSS foi a diminuição da influência do grande capital ocidental, em particular da empresa "Westinghouse", no desenvolvimento do setor ferroviário doméstico após outubro de 1917.
F.P. Kazantsev (à esquerda) e I.K. Matrosov (à direita) — criadores do freio ferroviário doméstico
O primeiro marco, o primeiro grande feito da jovem ciência dos freios domésticos, foram os trabalhos do engenheiro Florenti Pimenovich Kazantsev. Em 1921, Kazantsev propôs um sistema freio automático de atuação direta. O diagrama abaixo descreve todas as principais ideias introduzidas não apenas por Kazantsev, e sua tarefa é explicar os princípios básicos do funcionamento do freio automático aprimorado
Freio automático de atuação direta: 1 — compressor; 2 — reservatório principal; 3 — tubo de alimentação; 4 — válvula do maquinista; 5 — dispositivo de alimentação para vazamentos do tubo de freio; 6 — tubo de freio; 7 — mangueiras de freio conectivas; 8 — válvula terminal; 9 — válvula de parada; 10 — válvula de retenção; 11 — reservatório auxiliar; 12 — distribuidor de ar; 13 — cilindro de freio; 14 — transmissão de alavanca de freio.
Assim, a primeira ideia fundamental é que o controle da pressão no tubo de freio (TF) é feito indiretamente — através da redução/aumento da pressão em um reservatório especial denominado reservatório de compensação (RC). Ele está indicado na figura à direita da válvula do maquinista (4) e acima do dispositivo de alimentação para vazamentos do tubo de freio (5). A densidade deste reservatório é tecnicamente muito mais fácil de garantir do que a densidade do tubo de freio — tubos que podem atingir comprimentos de quilômetros e que percorrem todo o trem. A relativa estabilidade da pressão no RC permite manter a pressão no tubo de freio, utilizando a pressão no RC como referência. De fato, o pistão no dispositivo (5) abaixa-se quando a pressão no tubo de freio diminui, abrindo a válvula que preenche o tubo de freio a partir do tubo de alimentação, mantendo assim no tubo de freio uma pressão equivalente à pressão no RC. Essa ideia ainda tinha um longo caminho de desenvolvimento pela frente, mas agora a pressão no tubo de freio não dependia da presença de vazamentos externos (dentro de limites conhecidos). O dispositivo 5 foi incorporado na válvula do maquinista e permanece nela, em forma modificada, até hoje.
Outra ideia importante que fundamenta o design deste tipo de freio é a alimentação do reservatório auxiliar (RA) através do tubo de freio (TF) pela válvula de retenção 10. Quando a pressão no tubo de freio (TF) excede a pressão no reservatório auxiliar (RA), essa válvula se abre, preenchendo o reservatório auxiliar a partir do tubo de freio (TF). Assim, ocorre um reabastecimento contínuo dos vazamentos do reservatório auxiliar e garante a inexauribilidade do freio.
A terceira ideia importante proposta por Kazantsev é a construção do distribuidor de ar, que funciona com a diferença de não duas pressões, mas três — a pressão no circuito de freio, a pressão no cilindro de freio, e a pressão em uma câmara de trabalho especial (CW), que ao ser liberada é alimentada pela pressão do circuito de freio, junto com um reservatório suplementar. No modo de frenagem, a CW é desconectada do reservatório suplementar e do circuito de freio, mantendo o valor da pressão de carga inicial. Essa propriedade é amplamente utilizada nos freios de veículos ferroviários, tanto para garantir o alívio gradual quanto para controlar a uniformidade do enchimento do cilindro de freio ao longo do trem em composições de carga, uma vez que a câmara de trabalho serve como um padrão da pressão de carga inicial. Com base em seu valor, pode-se garantir tanto o alívio gradual quanto organizar um enchimento mais precoce do cilindro de freio nos vagões de cauda. Deixarei uma descrição detalhada dessas questões para outros artigos sobre o tema, por enquanto, direi apenas que o trabalho de Kazantsev serviu de estímulo para o desenvolvimento de uma escola científica em nosso país, que levou à criação de sistemas de freio originais para veículos ferroviários.
Outro inventor soviético, que teve um impacto decisivo no desenvolvimento dos freios de veículos ferroviários nacionais, foi Ivan Konstantinovich Matrosov. Suas ideias não diferiam fundamentalmente das de Kazantsev, no entanto, os testes operacionais subsequentes dos sistemas de freios de Kazantsev e Matrosov (em conjunto com outros sistemas de freio) mostraram uma superioridade significativa do segundo sistema em relação às características operacionais, especialmente quando aplicado a trens de carga. Assim, o freio de Matrosov com o distribuidor de ar n° 320 se tornou a base para o desenvolvimento e o design do equipamento de freio das ferrovias de bitola de 1520 milímetros. O moderno freio automático, utilizado na Rússia e em países da CEI, pode certamente levar o nome de freio Matrosov, uma vez que incorporou, em sua fase inicial de desenvolvimento, as ideias e soluções de design de Ivan Konstantinovich.
Em conclusão
E qual é a conclusão? O trabalho nesta artigo me convenceu de que o tema merece uma série de artigos. Neste artigo piloto, abordamos a história do desenvolvimento dos freios do material rodante. Nas próximas edições, iremos nos aprofundar em detalhes picantes, abrangendo não apenas os freios nacionais, mas também os desenvolvimentos dos nossos colegas da Europa Ocidental, iluminando a estrutura de diferentes tipos e categorias de freios para o material rodante. Portanto, espero que o tema seja interessante, e até a próxima no Habr!
Obrigado pela sua atenção!
Fonte: habr.com
