Vejo que primeiro, a parte histórica da minha narrativa agradou ao público, por isso não é nada mal continuar.

Os trens de alta velocidade, como o TGV, já não utilizam mais freio pneumático

Hoje vamos falar sobre a modernidade, especificamente sobre quais abordagens na criação de sistemas de freios para veículos ferroviários são utilizadas no século XXI, que em breve completará três décadas.

1. Classificação dos Freios de Veículos

Com base no princípio físico de geração da força de frenagem, todos os freios ferroviários podem ser divididos em dois tipos principais: frenos de fricção, que utilizam a força de atrito, e frenos dinâmicos, que utilizam a tração para gerar o momento de frenagem.

Os freios de fricção incluem freios a bloco de todas as construções, incluindo os de disco, assim como o freio eletromagnético, que é aplicado no transporte ferroviário de alta velocidade, principalmente na Europa Ocidental. Na bitola de 1520, esse tipo de freio foi utilizado exclusivamente no trem elétrico ER200. Quanto ao mesmo ‘Sapsan’, a RZD abandonou a utilização do freio eletromagnético nele, embora o protótipo desse trem elétrico, o alemão ICE3, esteja equipado com esse freio.

Trem ICE3 com freio eletromagnético

Trem ‘Sapsan’

Os freios dinâmicos, ou mais precisamente, freios eletrodinâmicos incluem todos os freios cujas ações se baseiam na conversão de motores elétricos de tração para o modo gerador (freio regenerativo e freio reostático), assim como a frenagem por inversão de polaridade

Com o freio regenerativo e o freio resistivo, tudo é relativamente claro — os motores são convertidos para modo gerador de alguma forma e, no caso da regeneração, se entrega energia à rede de contato, enquanto no caso do freio resistivo, a energia gerada é dissipada em resistores especiais. Ambos os tipos de freio são aplicados tanto em trens com tração de locomotiva quanto em unidades múltiplas, onde o freio eletrodinâmico é o principal sistema de frenagem, devido ao grande número de motores elétricos de tração distribuídos ao longo do trem. A única desvantagem da frenagem eletrodinâmica (FED) é a impossibilidade de parar completamente. Quando a eficiência da FED diminui, ela é automaticamente substituída pelo freio pneumático de fricção.

Quanto à frenagem por reversão, ela garante a parada completa, pois consiste na inversão do motor de tração enquanto está em movimento. No entanto, esse modo é, na maioria dos casos, de emergência — seu uso regular pode danificar o sistema de tração. Se tomarmos, por exemplo, um motor de corrente contínua, ao alterar a polaridade da tensão aplicada a ele, a força contra-afetiva gerada pelo motor em rotação não é subtraída da tensão de alimentação, mas sim somada a ela — as rodas continuam girando na mesma direção que no modo de tração! Isso leva a um aumento explosivo da corrente, e a única coisa que pode acontecer de melhor é que os dispositivos elétricos de proteção acionem.

Por essa razão, nos locomotivos e trens elétricos, são tomadas todas as medidas para evitar a reversão dos motores enquanto estão se movendo. A alavanca de reversão é bloqueada mecanicamente quando o controlador do maquinista está nas posições de movimento. E nos "Sapsans" e "Lastochkas", a mudança na chave de reversão a uma velocidade acima de 5 km/h levará a uma frenagem de emergência imediata.

No entanto, alguns locomotivos nacionais, como a locomotiva elétrica VL65, utilizam a frenagem reversiva como um modo padrão em baixas velocidades.

A frenagem reversiva é um modo padrão proporcionado pelo sistema de controle na locomotiva elétrica VL65.

É importante mencionar que, apesar da alta eficiência da frenagem eletrodinâmica, qualquer trem é sempre equipado com freio pneumático de ação automática, ou seja, que é acionado pela liberação de ar do sistema de freio. Assim como na Rússia, em todo o mundo, os antigos e clássicos freios de fricção de sapata garantem a segurança na circulação.

Os freios de tipo friccional são classificados de acordo com a sua função em

1. Freios de estacionamento, manuais ou automáticos
2. Freios de trem — pneumáticos (PT) ou eletropneumáticos (EPT), instalados em cada unidade do material rodante do trem e geridos centralmente pela cabine do maquinista
3. Freios de locomotivas — freios pneumáticos de ação direta, destinados para desacelerar a locomotiva, sem desacelerar o trem. Eles são controlados separadamente dos freios de trem.

2. Freio de estacionamento

O freio manual com acionamento mecânico não desapareceu do material rodante; ele é instalado tanto nas locomotivas quanto nos vagões — apenas trocou de função, tornando-se um freio de estacionamento, que evita o movimento involuntário do material rodante em caso de perda de pressão do sistema pneumático. A roda vermelha, parecida com um leme de navio, é o acionamento do freio manual, uma das suas variantes.

O leme do freio de estacionamento manual na cabine do locomotiva VL60pK

Freio manual no vestíbulo de um vagão de passageiros

Freio manual em um vagão de carga moderno

O freio manual, por meio de acionamento mecânico, pressiona as mesmas sapatas que são usadas na frenagem convencional contra as rodas.

Nos modernos materiais rodantes, especialmente nos trens elétricos EVC1/EVC2 'Sapsan', ES1 'Lastochka', e também na locomotiva EP20, o freio de estacionamento é automático e a pressão das sapatas contra o disco de freio é realizada por acumuladores de energia de mola. Parte dos mecanismos de pinça, que pressionam as pastilhas contra os discos de freio, é equipada com molas poderosas, sendo que são tão potentes que a liberação é realizada por um atuador pneumático com pressão de 0,5 MPa. O atuador pneumático, neste caso, se opõe às molas que pressionam as pastilhas. O controle desse freio de estacionamento é realizado através de botões no painel do maquinista.

Botões de controle do freio de estacionamento por mola (FPE) no trem elétrico ES1 "Lastochka"

Em termos de construção, esse tipo de freio é semelhante ao que é utilizado em caminhões pesados. Mas como freio principal em trens, tal sistema é completamente inadequado, e por que, explicarei detalhadamente após descrever o funcionamento dos freios pneumáticos dos trens.

3. Freios pneumáticos de carga

Cada vagão de carga é equipado com o seguinte conjunto de equipamentos de freio

Equipamento de freio do vagão de carga: 1 — mangueira de conexão do freio; 2 — válvula terminal; 3 — válvula de parada; 5 — coletor de poeira; 6, 7, 9 — módulos do distribuidor de ar nº 483; 8 — válvula de isolamento; VR — distribuidor de ar; TM — linha de freio; ZR — reservatório de reserva; TC — cilindro de freio; AR — modo automático de carga


Linha de freio (TM) — tubo com diâmetro de 1,25" que vai ao longo de todo o vagão, em suas extremidades é equipado com válvulas terminais, para isolação da linha de freio ao desconectar o vagão antes de separar as mangueiras flexíveis de conexão. Na linha de freio, em modo normal, é mantida a chamada pressão de carga com valor de 0,50 — 0,54 MPa, de modo que desconectar as mangueiras sem fechar as válvulas terminais é uma atividade duvidosa que, em sentido estrito, pode lhe custar a cabeça.

O ar de reserva, que é diretamente fornecido aos cilindros de freio, é armazenado no reservatório de reserva (ZR), cujo volume na maioria das vezes é igual a 78 litros. A pressão no reservatório de reserva é exatamente igual à pressão na linha de freio. Mas não, não é 0,50 — 0,54 MPa. O que acontece é que essa pressão estará na linha de freio da locomotiva. E quanto mais longe da locomotiva, menor será a pressão na linha de freio, porque inevitavelmente existem vazamentos que levam a perdas de ar. Portanto, a pressão na linha de freio do último vagão do trem será um pouco menor do que a pressão de carga.

Cilindro de freio, e na maioria dos vagões ele é único, ao ser preenchido a partir do reservatório de reserva, através da transmissão de alavanca de freio, ele pressiona todas as pastilhas disponíveis no vagão contra as rodas. O volume do cilindro de freio é de aproximadamente 8 litros, portanto, durante a frenagem total, a pressão nele não ultrapassa 0,4 MPa. A pressão no reservatório de reserva também diminui para o mesmo valor.

O principal "personagem" neste sistema é o distribuidor de ar. Este dispositivo reage à mudança na pressão na linha de freio, realizando determinada operação dependendo da direção e da taxa de mudança dessa pressão.

Quando a pressão na linha de freio diminui, ocorre a frenagem. Mas não com qualquer diminuição da pressão — a redução da pressão deve ocorrer a um certo ritmo, chamado de ritmo da frenagem de serviço. Este ritmo é garantido pela válvula do maquinista na cabine da locomotiva e varia de 0,01 a 0,04 MPa por segundo. Se a pressão diminuir a um ritmo menor, a frenagem não ocorrerá. Isso é feito para que os freios não sejam acionados em vazamentos normais na linha de freio e também para não serem acionados ao eliminar a pressão excessiva de carga, do que vamos falar mais tarde.

Quando o distribuidor de ar é ativado para a frenagem, ele realiza um adicional descarga da linha de freio a um ritmo de serviço de 0,05 MPa. Isso é feito para garantir uma redução estável da pressão ao longo de todo o comprimento do trem. Se não houver uma descarga adicional, os últimos vagões de um trem longo podem não parar de fato. A descarga adicional da linha de freio é realizada por tudo distribuidores de ar modernos, incluindo os de passageiros.

Ao acionar a frenagem, o distribuidor de ar desconecta o reservatório de reserva do circuito de freio e o conecta ao cilindro de freio. O cilindro de freio é preenchido. Isso ocorre exatamente pelo tempo que a queda de pressão no circuito de freio dura. Quando a queda de pressão no CF é interrompida, o preenchimento do cilindro de freio é interrompido. O modo é interrupções. A pressão acumulada no cilindro de freio depende de dois fatores:

1. da profundidade de descarga do circuito de freio, ou seja, a magnitude da queda de pressão em relação ao modo de carga
2. de operação do distribuidor de ar

O distribuidor de ar de carga tem três modos de operação: carregado (C), médio (M) e vazio (V). Esses modos diferem pela pressão máxima acumulada nos cilindros de freio. A troca entre os modos é feita manualmente, girando um botão de modo especial.

Em resumo, a relação da pressão no cilindro de freio com a profundidade de descarga do circuito de freio com o distribuidor de ar 483 em diferentes modos é a seguinte

Uma desvantagem do uso do seletor de modo é que o trabalhador do serviço ferroviário deve percorrer todo o trem, se espremer sob cada vagão e mudar o seletor de modo para a posição correta. Isso, segundo relatos de operação, nem sempre é feito. O preenchimento excessivo dos cilindros de freio em um vagão vazio pode causar deslizamento, redução da eficiência de frenagem e danos aos conjuntos de rodas. Para evitar essa situação, em vagões de carga, entre o distribuidor de ar e o cilindro de freio, é instalado o chamado modo automático (MA), que, determinando mecanicamente a massa do vagão, ajusta suavemente a pressão máxima no cilindro de freio. Se o vagão estiver equipado com modo automático, o seletor de modo no DR é definido para a posição 'carregado'.

A desaceleração geralmente é feita em etapas. O nível mínimo de descarga do sistema de freio para o VR483 será de 0,06 a 0,08 MPa. Nesse caso, a pressão nos cilindros de freio é estabelecida em 0,1 MPa. O maquinista então coloca a válvula na posição de bloqueio, onde a pressão estabelecida após a desaceleração é mantida no sistema de freio. Se a eficácia do freio de uma etapa não for suficiente, a próxima etapa é realizada. Neste momento, o distribuidor de ar já não se importa com a velocidade da descarga — à medida que a pressão diminui a qualquer ritmo, ocorre o enchimento dos cilindros de freio proporcionalmente à magnitude da redução da pressão.

A liberação total dos freios (descarregamento completo dos cilindros de freio em todo o trem) é realizada aumentando a pressão no sistema de freio acima da pressão de carga. Além disso, em trens de carga, há um aumento substancial na pressão do sistema de freio acima da carga, para que a onda de aumento de pressão chegue aos últimos vagões. A liberação total dos freios em um trem de carga é um processo longo e pode levar até um minuto.

O VR483 possui dois modos de liberação: plano e montanhoso. No modo plano, com o aumento da pressão no sistema de freio, ocorre a liberação total e contínua. No modo montanhoso, é possível a liberação em etapas dos freios, que não é o descarregamento completo dos cilindros de freio. Esse modo é utilizado ao se mover por perfis complexos com grandes inclinações.

O distribuidor de ar 483 é, de fato, um dispositivo muito interessante. Uma análise detalhada de sua estrutura e funcionamento é tema para um grande artigo separado. Aqui, abordamos os princípios gerais de operação do freio de carga.

3. Freios pneumáticos do tipo passageiro

Equipamento de frenagem do vagão de passageiros: 1 — mangueira de conexão; 2 — válvula terminal; 3, 5 — caixas de conexão da linha de freio eletropneumático; 4 — válvula de parada; 6 — tubo com fiação do freio eletropneumático; 7 — suspensão isolada da mangueira de conexão; 8 — coletor de poeira; 9 — derivação para o distribuidor de ar; 10 — válvula de desconexão; 11 — câmara de trabalho do distribuidor eletropneumático; TM — linha de freio; VR — distribuidor de ar; EVR — distribuidor eletropneumático; TC — cilindro de freio; ZR — tanque reserva

A quantidade maior de equipamento chama a atenção imediatamente, começando pelo fato de que há três válvulas de parada (uma em cada compartimento e uma na cabine do condutor), e terminando com o fato de que os vagões de passageiros nacionais são equipados tanto com freios pneumáticos quanto com freio eletropneumático (FEP).

O leitor atento notará imediatamente a principal desvantagem do controle pneumático dos freios — a velocidade final de propagação da onda de frenagem, limitada pela velocidade do som. Na prática, essa velocidade é menor e é de 280 m/s para freadas normais e 300 m/s para freadas de emergência. Além disso, essa velocidade depende muito da temperatura do ar e, no inverno, por exemplo, ela é menor. Portanto, o eterno companheiro dos freios pneumáticos é a irregularidade em sua atuação por composição.

A irregularidade na atuação leva a duas consequências — a geração de reações longitudinais significativas no trem, assim como o aumento da distância de parada. A primeira não é tão característica para trens de passageiros, embora os recipientes com chá e outras bebidas pulando na mesa do compartimento não alegrem a ninguém. Por outro lado, o aumento da distância de parada é um problema sério, especialmente na operação de passageiros.

Além disso, o distribuidor de ar de passageiros nacional - tanto o antigo modelo nº 292 quanto o novo modelo nº 242 (dos quais, a propósito, há cada vez mais no parque de vagões de passageiros) - são ambos os herdeiros diretos da famosa válvula tripla Westinghouse, funcionando a partir da diferença entre duas pressões - na linha de freio e no reservatório de ar. A diferença em relação à válvula tripla é a presença do modo de alívio, ou seja, a possibilidade de frenagem em etapas; a liberação adicional da linha de freio durante a frenagem; a presença, na construção, de um acelerador de frenagem de emergência. Esses distribuidores de ar não asseguram uma liberação gradual - eles oferecem uma liberação completa assim que a pressão na linha de freio ultrapassa a pressão no reservatório, estabelecida após a frenagem. A liberação gradual é muito útil em frenagens de ajuste para uma parada precisa na plataforma de embarque.

Ambos os problemas - a inconsistência na ativação dos freios e a ausência de liberação gradual, na via de 1520 mm são resolvidos com a instalação de um distribuidor de ar de controle elétrico nos vagões - distribuidor de ar elétrico (DAE), modelo nº 305.

O EPT nacional - freio eletropneumático - é de ação direta, não automático. Nos trens de passageiros com tração de locomotiva, o EPT funciona em um esquema de dois fios.

Diagrama estrutural do EPT de dois fios: 1 - controlador de gerenciamento na válvula do maquinista; 2 - bateria; 3 - conversor de energia estático; 4 - painel de luzes de controle; 5 - bloco de controle; 6 - barra de terminais; 7 - cabeçotes de conexão nos mangotes; 8 - suspensão isolada; 9 - válvula semicondutora; 10 - válvula eletromagnética de liberação; 11 - válvula eletromagnética de freio.

Ao longo de todo o trem, passam dois fios: nº 1 e nº 2 na figura. No vagão traseiro, esses fios estão eletricamente conectados entre si e, pela laço formada, passa-se uma corrente alternada de frequência 625 Hz. Isso é feito para monitorar a integridade da linha de controle do EPT. Em caso de ruptura do fio, o circuito de corrente alternada se rompe, e o maquinista recebe um sinal na forma de um apagamento na cabine da luz de controle "O" (liberação).

A gestão é feita com corrente contínua de polaridade variável. Nesse caso, os trilhos são o condutor com potencial zero. Ao fornecer tensão positiva (em relação aos trilhos) ao condutor do EPT, ambas as válvulas eletromagnéticas, instaladas no distribuidor de ar do eletricista, são acionadas: a de liberação (OL) e a de freio (TV). A primeira isola a câmara de trabalho (RC) do distribuidor de ar do ambiente, enquanto a segunda a enche a partir do reservatório de reserva. Em seguida, entra em ação o relé de pressão instalado no EWR, que opera com a diferença de pressão entre a câmara de trabalho e o cilindro de freio. Quando a pressão na RC excede a pressão no TC, o último é preenchido com ar do reservatório de reserva até a pressão que foi alcançada na câmara de trabalho.

Quando é aplicada uma potencial negativo ao condutor, a válvula de freio é desligada, pois a corrente para ela é interrompida pelo diodo. Apenas a válvula de liberação permanece ativa, mantendo a pressão na câmara de trabalho. Assim, a posição de interdição é realizada.

Quando a tensão é removida, a válvula de liberação perde a alimentação e abre a câmara de trabalho para a atmosfera. Com a pressão na câmara de trabalho diminuindo, o relé de pressão libera ar também dos cilindros de freio. Se, após uma breve liberação, o maquinista colocar a alavanca de volta na posição de interdição, a queda de pressão na câmara de trabalho vai parar, assim como a liberação de ar do cilindro de freio. Assim, consegue-se uma possibilidade de liberação de freio em etapas.

O que acontecerá se o fio se romper? Correto — o EPT vai liberar. Portanto, esse freio (nos veículos domésticos) não é automático. Em caso de falha do EPT, o maquinista pode mudar para o controle pneumático dos freios.

O EPT se diferencia por encher e esvaziar simultaneamente os cilindros de freio ao longo do trem. A taxa de enchimento e esvaziamento é bastante alta — 0,1 MPa por segundo. O EPT é um freio não exaurível, pois durante sua operação o distribuidor de ar comum permanece em modo de liberação e alimenta os reservatórios de backup da linha de freio, que, por sua vez, é abastecida pela válvula do maquinista no locomotivo a partir dos reservatórios principais. Portanto, é possível frear com o EPT com qualquer frequência necessária para um controle eficaz dos freios. A possibilidade de liberação em etapas permite um controle muito preciso e suave da velocidade do trem.

O controle pneumático dos freios de um trem de passageiros não difere muito do freio de carga. Há uma diferença nas técnicas de controle; por exemplo, a liberação do freio pneumático é feita até a pressão de carga, sem excessos. De modo geral, excessos de pressão na linha de freio do trem de passageiros podem causar problemas, portanto, ao liberar completamente o EPT, a pressão na LB não deve ultrapassar 0,02 MPa além do valor estabelecido da pressão de carga.

A profundidade mínima de descarga da LB ao frear com o freio de passageiro é de 0,04 a 0,05 MPa, enquanto nos cilindros de freio a pressão atinge 0,1 a 0,15 MPa. A pressão máxima no cilindro de freio do carro de passageiros é limitada pelo volume do reservatório de backup e geralmente não ultrapassa 0,4 MPa.

Conclusão

Agora vou me dirigir a alguns comentaristas que ficam surpresos (e, na minha opinião, até indignados, mas não vou afirmar) com a complexidade do freio do trem. Nos comentários, sugere-se aplicar o esquema automotivo com acumuladores de energia. Claro, a partir do sofá ou da cadeira de escritório, pela janela do navegador, muitos problemas parecem mais visíveis e suas soluções mais óbvias, mas permitam-me observar que a maioria das soluções técnicas adotadas no mundo real tem uma justificativa muito clara.

Como já mencionado, o principal problema dos freios pneumáticos em trens é a velocidade final do movimento da onda de freio causada pela queda de pressão em um duto longo (de até 1,5 km em um trem com 100 vagões) da linha de freio. Para acelerar essa onda de freio, é necessário um descarregador adicional, que é realizado pelo distribuidor de ar. Sem o distribuidor de ar, não haverá descarregamento adicional. Ou seja, os freios em acumuladores de energia terão características de uniformidade de acionamento evidentemente piores, retrocedendo aos tempos de Westinghouse. Um trem de carga não é um caminhão, aqui temos outras escalas, o que significa também outros princípios de controle dos freios. Estou certo de que isso não é à toa, e a direção da ciência de freios mundial não foi por acaso nesse caminho que nos trouxe a esse tipo de construção. Ponto.

Este artigo é uma espécie de revisão dos sistemas de freio existentes nos modernos veículos ferroviários. Nas próximas edições deste ciclo, falarei com mais detalhes sobre cada um deles. Vamos descobrir quais dispositivos são usados para controlar os freios e como os distribuidores de ar são construídos. Também examinaremos mais de perto questões de frenagem regenerativa e reostática. E, claro, abordaremos os freios de transporte de alta velocidade. Até a próxima e obrigado pela atenção!

P.S.: Amigos! Quero agradecer especialmente pelas inúmeras mensagens pessoais apontando erros e typos no artigo. Sim, sou um pecador, que não se dá bem com a língua russa e se confunde nas teclas. Procurei corrigir suas observações.

Fonte: habr.com