A energia cinética do Sapsan em velocidade máxima é superior a 1500 megajoules. Para uma parada completa, tudo deve ser dissipado pelos dispositivos de frenagem.
Foi um acordo aqui mesmo em Habré. Muitos artigos de revisão sobre temas ferroviários são publicados aqui, mas este tópico ainda não foi abordado em detalhes. Acho que seria bastante interessante escrever um artigo sobre isso, e talvez mais de um. Por isso, pergunto ao gato quem está interessado em saber como são concebidos os sistemas de travagem do transporte ferroviário e por que motivos são concebidos desta forma.
1. A história do freio a ar
A tarefa de controlar qualquer veículo inclui regular sua velocidade. O transporte ferroviário não foge à regra, além disso, suas características de design introduzem nuances significativas nesse processo. O trem consiste em um grande número de vagões interligados, e o sistema resultante tem comprimento e peso significativos a uma velocidade bastante decente.
A-prior, Os freios são um conjunto de dispositivos projetados para criar forças de resistência artificiais e ajustáveis, usadas para reduzir de forma controlada a velocidade de um veículo.
A maneira mais óbvia, superficialmente, de criar força de frenagem é usar o atrito. Desde o início até hoje, foram utilizados freios de fricção de sapata. Dispositivos especiais - pastilhas de freio, feitas de material com alto coeficiente de atrito, são pressionadas mecanicamente contra a superfície de rolamento da roda (ou contra discos especiais montados no eixo do rodado). Uma força de atrito surge entre as pastilhas e a roda, criando um torque de frenagem.
A força de frenagem é ajustada alterando a força de pressão das pastilhas contra a roda - pressão de freio. A única questão é qual acionamento é usado para pressionar as pastilhas e, em parte, a história dos freios é a história do desenvolvimento desse acionamento.
Os primeiros freios ferroviários eram mecânicos e operados manualmente, separadamente em cada vagão, por pessoas especiais - freios ou condutores. Os condutores localizavam-se nas chamadas plataformas de freio com as quais cada vagão estava equipado e acionavam os freios ao sinal do maquinista da locomotiva. A troca de sinais entre o maquinista e os condutores era realizada por meio de uma corda sinalizadora especial esticada ao longo de todo o trem, que acionava um apito especial.
Vagão de carga vintage de dois eixos com pastilha de freio. Botão do freio de mão visível
O próprio freio acionado mecanicamente tem pouca potência. A quantidade de pressão de freio dependia da força e destreza do condutor. Além disso, o fator humano interferia no funcionamento desse sistema de frenagem - os condutores nem sempre desempenhavam suas funções corretamente. Não houve necessidade de falar na alta eficiência desses freios, bem como no aumento da velocidade dos trens equipados com eles.
O desenvolvimento adicional dos freios exigiu, em primeiro lugar, um aumento na pressão dos freios e, em segundo lugar, a possibilidade de controle remoto de todos os carros a partir do local de trabalho do motorista.
O acionamento hidráulico utilizado em freios de automóveis tem se difundido por fornecer alta pressão com atuadores compactos. Porém, ao usar tal sistema em um trem, aparecerá sua principal desvantagem: a necessidade de um fluido de trabalho especial - fluido de freio, cujo vazamento é inaceitável. O grande comprimento das linhas hidráulicas de freio em um trem, juntamente com os altos requisitos de estanqueidade, tornam impossível e irracional a criação de um freio ferroviário hidráulico.
Outra coisa é o acionamento pneumático. A utilização de ar de alta pressão permite obter altas pressões de freio com dimensões aceitáveis dos atuadores - cilindros de freio. Não há falta de fluido de trabalho - o ar está ao nosso redor e mesmo que haja um vazamento de fluido de trabalho do sistema de freio (e certamente acontece), ele pode ser reabastecido com relativa facilidade.
O sistema de freio mais simples que utiliza energia de ar comprimido é freio não automático de ação direta
Esquema de freio não automático de ação direta: 1 - compressor; 2 - tanque principal; 3 - linha de abastecimento; 4 — guindaste do maquinista; 5 - linha de freio; 6 — cilindro de freio; 7 — solte a mola; 8, 9 — transmissão de freio mecânico; 10 - pastilha de freio.
Para operar tal freio, é necessário um suprimento de ar comprimido, armazenado na locomotiva em um tanque especial denominado reservatório principal (2). A injeção de ar no tanque principal e a manutenção de pressão constante nele são realizadas compressor (1), acionado pela usina locomotiva. O ar comprimido é fornecido aos dispositivos de controle do freio através de uma tubulação especial chamada nutricional (NM) ou pressão rodovia (3).
Os freios dos vagões são controlados e o ar comprimido é fornecido a eles por meio de uma longa tubulação que percorre todo o trem e é chamada linha de freio (TM) (5). Quando o ar comprimido é fornecido através do TM, ele enche cilindros de freio (TC) (6) conectado diretamente ao TM. O ar comprimido pressiona o pistão, pressionando as pastilhas de freio 10 contra as rodas, tanto na locomotiva quanto nos vagões. A frenagem ocorre.
Para parar de frear, isto é feriados freios, é necessário liberar o ar da linha de freio para a atmosfera, o que fará com que os mecanismos de freio retornem à sua posição original devido à força das molas de liberação instaladas no TC.
Para frear é necessário conectar a linha de freio (TM) com a linha de alimentação (PM). Para férias, conecte a linha de freio à atmosfera. Estas funções são executadas por um dispositivo especial - guindaste de trem de maquinista (4) - ao frear conecta o PM e o PM, ao ser liberado desconecta essas tubulações, liberando simultaneamente o ar do PM para a atmosfera.
Nesse sistema, existe uma terceira posição intermediária do guindaste do motorista - reformar quando o PM e o TM estão separados, mas não ocorre a liberação do ar do TM para a atmosfera, o guindaste do motorista o isola completamente. A pressão acumulada no TM e TC é mantida e o tempo em que ela é mantida no nível definido é determinado pela quantidade de vazamento de ar através de vários vazamentos, bem como pela resistência térmica das pastilhas de freio, que aquecem durante o atrito contra os pneus das rodas. Colocá-lo no teto durante a frenagem e durante a liberação permite ajustar a força de frenagem em etapas. Este tipo de freio fornece frenagem escalonada e liberação escalonada.
Apesar da simplicidade de tal sistema de freio, ele tem uma falha fatal - quando o trem é desacoplado, a linha de freio se rompe, o ar escapa dela e o trem fica sem freios. É por esta razão que tal freio não pode ser utilizado no transporte ferroviário, pois o custo da sua falha é muito elevado. Mesmo sem ruptura do trem, se houver um grande vazamento de ar, a eficiência do freio será reduzida.
Com base no exposto, surge a exigência de que a frenagem do trem seja iniciada não por um aumento, mas por uma diminuição da pressão no TM. Mas como então abastecer os cilindros de freio? Isto dá origem ao segundo requisito - cada unidade móvel do trem deve armazenar um suprimento de ar comprimido, que deve ser prontamente reabastecido após cada frenagem.
O pensamento da engenharia no final do século XIX chegou a conclusões semelhantes, o que resultou na criação do primeiro freio ferroviário automático por George Westinghouse em 1872.
Dispositivo de freio Westinghouse: 1 - compressor; 2 - tanque principal; 3 - linha de abastecimento; 4 — guindaste do maquinista; 5 - linha de freio; 6 — distribuidor de ar (válvula tripla) do sistema Westinghouse; 7 — cilindro de freio; 8 — tanque sobressalente; 9 - válvula de corte.
A figura mostra a estrutura deste freio (Figura a - atuação do freio durante a liberação; b - atuação do freio durante a frenagem). O principal elemento do freio Westigauze foi 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 atua na diferença entre duas pressões - na linha do freio (TM) e no reservatório reserva (R). Se a pressão no TM for menor que no TC, o pistão se move para a esquerda, abrindo caminho para o ar do CM para o TC. Se a pressão no TM for maior que a pressão no SZ, o pistão se move para a direita, comunicando o TC com a atmosfera, e ao mesmo tempo comunicando o TM e o SZ, garantindo que este último seja preenchido com ar comprimido de a MT.
Assim, se a pressão no TM diminuir por qualquer motivo, seja por ação do maquinista, vazamento excessivo de ar do TM ou ruptura do trem, os freios funcionarão. Ou seja, tais freios têm ação automática. Esta propriedade do freio permitiu agregar outra possibilidade de controle dos freios do trem, que até hoje é utilizada nos trens de passageiros - uma parada de emergência do trem por um passageiro comunicando a linha de freio com a atmosfera através de uma válvula especial - freio de emergência (9).
Para quem conhece esse recurso do sistema de freios do trem, é engraçado assistir a filmes em que ladrões-cowboys desengatam do trem uma carruagem com ouro. Para que isso seja possível, os vaqueiros devem, antes de desacoplar, fechar as válvulas finais da linha de freio que separam a linha de freio das mangueiras de ligação entre os carros. Mas eles nunca o fazem. Por outro lado, as válvulas de extremidade fechada causaram mais de uma vez desastres terríveis associados à falha dos freios, tanto aqui (Kamensk em 1987, Eral-Simskaya em 2011) como no exterior.
Pelo fato do enchimento dos cilindros do freio ocorrer a partir de uma fonte secundária de ar comprimido (tanque sobressalente), sem possibilidade de seu reabastecimento constante, tal freio é denominado agindo indiretamente. O carregamento do freio com ar comprimido ocorre somente quando o freio é liberado, o que faz com que com frenagens frequentes seguidas de liberação, se não houver tempo suficiente após a liberação, o freio não terá tempo de carregar até a pressão necessária. Isso pode resultar no esgotamento completo dos freios e na perda de controle dos freios do trem.
O freio pneumático também tem outra desvantagem relacionada ao fato de que a queda de pressão na linha de freio, como qualquer perturbação, se propaga no ar a uma velocidade alta, mas ainda finita - não superior a 340 m/s. Por que não mais? Porque a velocidade do som é ideal. Mas no sistema pneumático do trem existem vários obstáculos que reduzem a velocidade de propagação da queda de pressão associada à resistência ao fluxo de ar. Portanto, a menos que medidas especiais sejam tomadas, a taxa de redução de pressão no TM será menor quanto mais longe o vagão estiver da locomotiva. No caso do freio Westinghouse, a velocidade do chamado onda de frenagem não excede 180 - 200 m/s.
No entanto, o advento do freio pneumático permitiu aumentar tanto a potência dos freios quanto a eficiência do seu controle diretamente no local de trabalho do maquinista, o que serviu como um poderoso impulso para o desenvolvimento do transporte ferroviário, aumentando a velocidade e o peso dos trens e, como resultado, um aumento colossal no volume de negócios de carga na ferrovia, um aumento na extensão das linhas ferroviárias em todo o mundo.
George Westinghouse não foi apenas um inventor, mas também um empresário empreendedor. Ele patenteou sua invenção em 1869, o que lhe permitiu lançar a produção em massa de equipamentos de freio. Muito rapidamente, o freio Westinghouse se generalizou nos EUA, na Europa Ocidental e no Império Russo.
Na Rússia, o travão Westinghouse reinou supremo até à Revolução de Outubro, e durante muito tempo depois dela. A empresa Westinghouse construiu sua própria fábrica de freios em São Petersburgo e também expulsou habilmente os concorrentes do mercado russo. No entanto, o freio Westinghouse tinha uma série de desvantagens fundamentais.
Em primeiro lugar, este freio fornecia apenas dois modos de operação: travagem até que os cilindros do freio estejam completamente cheios, e férias — esvaziar os cilindros dos freios. Era impossível criar uma quantidade intermediária de pressão de freio durante sua manutenção de longo prazo, ou seja, o freio Westinghouse não tinha modo reformar. Isso não permitiu o controle preciso da velocidade do trem.
Em segundo lugar, o freio Westinghouse não funcionava bem em trens longos e, embora isso pudesse de alguma forma ser tolerado no tráfego de passageiros, surgiram problemas no tráfego de mercadorias. Lembra da onda de frenagem? Assim, o freio Westinghouse não tinha meios para aumentar sua velocidade e, em um trem longo, a diminuição da pressão no fluido de freio do último vagão poderia começar tarde demais e a uma taxa significativamente menor do que na cabeceira do trem, o que criou uma operação totalmente desigual dos dispositivos de freio em todo o trem.
Deve ser dito que todas as actividades da empresa Westinghouse, tanto na Rússia daquela altura como em todo o mundo, estão completamente saturadas com o cheiro capitalista das guerras de patentes e da concorrência desleal. Foi isso que garantiu a um sistema tão imperfeito uma vida tão longa, pelo menos naquele período histórico.
Com tudo isto, deve-se reconhecer que o freio Westinghouse lançou as bases da ciência da frenagem e o princípio de sua operação permaneceu inalterado nos freios modernos do material circulante.
2. Do freio Westinghouse ao freio Matrosov - a formação da ciência da frenagem doméstica.
Quase imediatamente após o aparecimento do freio Westinghouse e a constatação de suas deficiências, surgiram tentativas de melhorar este sistema ou de criar outro, fundamentalmente novo. Nosso país não foi exceção. No início do século XX, a Rússia tinha uma rede ferroviária desenvolvida, que desempenhou um papel significativo na garantia do desenvolvimento económico e da capacidade de defesa do país. O aumento da eficiência do transporte está associado ao aumento da velocidade do seu movimento e da massa de carga transportada simultaneamente, o que significa que foram levantadas com urgência questões de melhoria dos sistemas de travagem.
Um impulso significativo para o desenvolvimento da ciência da frenagem na RSFSR e mais tarde na URSS foi a diminuição da influência do grande capital ocidental, em particular da empresa Westinghouse, no desenvolvimento da indústria ferroviária nacional após outubro de 1917.
F.P. Kazantsev (esquerda) e I.K. Marinheiros (à direita) - criadores do freio ferroviário doméstico
O primeiro sinal, a primeira conquista séria da jovem ciência da frenagem doméstica, foi o desenvolvimento do engenheiro Florenty Pimenovich Kazantsev. Em 1921, Kazantsev propôs um sistema freio automático de ação direta. O diagrama abaixo descreve todas as ideias principais introduzidas não apenas por Kazantsev, e seu objetivo é explicar os princípios básicos de operação do freio automático aprimorado
Freio automático de ação direta: 1 - compressor; 2 - tanque principal; 3 - linha de abastecimento; 4 — guindaste do maquinista; 5 — dispositivo de alimentação de vazamento na linha de freio; 6 — linha de freio; 7 — mangueiras de freio de conexão; 8 - válvula final; 9 - válvula de corte; 10 - válvula de retenção; 11 — tanque sobressalente; 12 — distribuidor de ar; 13 — cilindro de freio; 14 — transmissão de alavanca de freio.
Assim, a primeira ideia principal é que a pressão no TM seja controlada indiretamente - através de uma diminuição/aumento da pressão em um reservatório especial chamado tanque de compensação (UR). É mostrado na figura à direita da torneira do motorista (4) e na parte superior do dispositivo de alimentação quanto a vazamentos do TM (5). A densidade deste reservatório é tecnicamente muito mais fácil de garantir do que a densidade da linha de freio - um tubo que atinge vários quilômetros de comprimento e atravessa todo o trem. A relativa estabilidade da pressão no UR permite manter a pressão no TM, utilizando a pressão no UR como referência. Na verdade, o pistão no dispositivo (5) quando a pressão no TM diminui, abre a válvula que enche o TM a partir da linha de alimentação, mantendo assim uma pressão no TM igual à pressão no UR. Essa ideia ainda tinha um longo caminho a percorrer no desenvolvimento, mas agora a pressão na TM não dependia da presença de vazamentos externos dela (até certos limites). O dispositivo 5 migrou para o guindaste do operador e lá permanece, de forma modificada, até hoje.
Outra ideia importante subjacente ao projeto deste tipo de freio é a alimentação do fluido de freio através da válvula de retenção 10. Quando a pressão na válvula do freio excede a pressão na válvula do freio, esta válvula se abre, enchendo a válvula do freio fluido. Desta forma, os vazamentos são continuamente reabastecidos a partir do reservatório de reserva e o freio não se esgota.
A terceira ideia importante proposta por Kazantsev é o projeto de um distribuidor de ar que opera com a diferença não de duas pressões, mas de três - pressão na linha de freio, pressão no cilindro do freio e pressão em uma câmara de trabalho especial (WC), que, durante a liberação, é alimentado pela pressão da linha de freio, juntamente com um tanque sobressalente. No modo de frenagem, a pressão de carga é desconectada do reservatório reserva e da linha de freio, mantendo o valor da pressão de carga inicial. Esta propriedade é amplamente utilizada em freios de material circulante tanto para fornecer liberação gradual quanto para controlar a uniformidade de enchimento do TC ao longo do trem em trens de carga, uma vez que a câmara de trabalho serve como padrão para a pressão inicial de carga. Com base no seu valor, é possível realizar a liberação escalonada e organizar o abastecimento antecipado do shopping nos vagões de cauda. Deixarei uma descrição detalhada dessas coisas para outros artigos sobre o assunto, mas por enquanto direi apenas que o trabalho de Kazantsev serviu de incentivo para o desenvolvimento de uma escola científica em nosso país, o que levou ao desenvolvimento de original sistemas de freio de material circulante.
Outro inventor soviético que influenciou radicalmente o desenvolvimento de freios para material rodante doméstico foi Ivan Konstantinovich Matrosov. As suas ideias não eram fundamentalmente diferentes das ideias de Kazantsev, no entanto, testes operacionais subsequentes dos sistemas de travagem de Kazantsev e Matrosov (juntamente com outros sistemas de travagem) mostraram a superioridade significativa do segundo sistema em termos de características de desempenho quando utilizado principalmente em comboios de mercadorias. Assim, o freio Matrosov com distribuidor de ar é condicional. O nº 320 tornou-se a base para o desenvolvimento e projeto de equipamentos de frenagem para ferrovias de bitola 1520 mm. Um freio automático moderno utilizado na Rússia e nos países da CEI pode legitimamente levar o nome de freio de Matrosov, uma vez que absorveu, na fase inicial do seu desenvolvimento, as ideias e soluções de design de Ivan Konstantinovich.
Em vez de uma conclusão
Qual é a conclusão? Trabalhar neste artigo me convenceu de que o tema merece uma série de artigos. Neste artigo piloto, abordamos a história do desenvolvimento dos freios para material circulante. A seguir entraremos em detalhes suculentos, abordando não apenas os freios domésticos, mas também os desenvolvimentos de colegas da Europa Ocidental, destacando o projeto de freios de vários tipos e tipos de serviço de material circulante. Então, espero que o assunto seja interessante e nos vemos novamente no hub!
Obrigado pela sua atenção!
Fonte: habr.com