Energia cinetică a „Sapsan-ului” la viteză maximă depășește 1500 megajouli. Pentru a se opri complet, aceasta trebuie dispersată pe dispozitivele de frânare.
A fost o dată, exact aici, pe Habr. Aici sunt publicate destul de multe articole de sinteză pe tema feroviară, însă acest subiect nu a fost încă abordat în detaliu. Cred că ar fi destul de interesant să scriu un articol despre asta, poate chiar mai multe. Așadar, îi rog pe cei care sunt interesați de cum funcționează sistemele de frânare ale transportului feroviar și din ce motive sunt concepute astfel să citească în continuare.
1. Istoria apariției frânei pneumatice.
Sarcina de a gestiona orice mijloc de transport implică reglementarea vitezei sale de deplasare. Transportul feroviar nu face excepție; dimpotrivă, trăsăturile sale constructive aduc cu sine nuanțe semnificative în acest proces. Trenul este format dintr-un număr mare de vehicule legate între ele, iar sistemul astfel obținut are o lungime și o masă considerabile, la o viteză de deplasare destul de bună.
Prin definiție, frânele sunt un complex de dispozitive destinate creării unor forțe de rezistență artificiale, reglementate, folosite pentru reducerea controlată a vitezei de deplasare a mijlocului de transport.
Cel mai evident mod de a crea forța de frânare este utilizarea forței de frecare. De la începuturi și până în prezent, s-a utilizat frâna cu plăcuțe de frecare. Dispozitive speciale - plăcuțele de frână, fabricate dintr-un material cu un coeficient de frecare ridicat, sunt presate mecanic pe suprafața rulmentului roții (sau pe discurile speciale montate pe axa perechii de roți). Între plăcuțe și roată apare o forță de frecare care generează momentul de frânare.
Reglarea forței de frânare se face prin modificarea forței de apăsare a plăcuțelor pe roată — apăsarea frânei. Întrebarea rămâne doar ce tip de mecanism este utilizat pentru apăsarea plăcuțelor, iar istoria frânelor este, parțial, istoria dezvoltării acestui mecanism.
Primele frâne de cale ferată erau mecanice și erau acționate manual, separat pe fiecare vagon de către persoane special desemnate — frânari sau conductori. Conductoarele se aflau pe așa-numitele platforme de frână, care echipau fiecare vagon, și activau frânele la semnalul mecanicului locomotivei. Schimbul de semnale între mecanic și conductori se realiza printr-un cablu de semnalizare special, întins pe toată lungimea trenului, care activa un fluier special.
Un vagon de marfă cu două osii, vechi, echipat cu platforma de frână. Se vede maneta frânei manuale.
Frâna cu acționare mecanică are, prin ea însăși, o putere mică. Intensitatea presiunii de frânare depindea de forța și îndemânarea conductorului. În plus, în funcționarea unui astfel de sistem de frânare intervenea factorul uman — conductorii nu își îndeplineau întotdeauna sarcinile corect. Nu se putea vorbi despre eficiența ridicată a acestor frâne, precum și despre creșterea vitezei de circulație a trenurilor echipate cu ele.
Dezvoltarea ulterioară a frânelor necesita, în primul rând, creșterea presiunii de frânare și, în al doilea rând, asigurarea posibilității de control de la distanță asupra lor de la locul de muncă al mecanicului.
Acționarea hidraulică, utilizată în frânele auto, a câștigat o popularitate largă datorită faptului că oferă presiuni marite de frânare la o compactitate a dispozitivelor executante. Cu toate acestea, aplicarea unui astfel de sistem în tren va manifesta o deficiență principală: necesitatea unui mediu de lucru special — fluidul de frânare, a cărui scurgere este inacceptabilă. Lungimea mare a liniilor hidraulice de frânare din tren, împreună cu cerințele ridicate de etanșeitate, fac imposibilă și nerentabilă crearea unei frâne hidraulice de cale ferată.
Pe de altă parte, acționarea pneumatică este diferită. Utilizarea aerului comprimat permite obținerea unor presiuni mari de frânare la dimensiuni acceptabile ale dispozitivelor executante — cilindrilor de frână. Nu există o lipsă de mediu de lucru — aerul ne înconjoară, iar chiar dacă apare o scurgere din sistemul de frânare (ceea ce se va întâmpla cu siguranță), aceasta poate fi relativ ușor compensată.
Cea mai simplă sistem de frânare, care utilizează energia aerului comprimat, este frâna directă neautomată
Schema frânei directe neautomate: 1 — compresor; 2 — rezervor principal; 3 — magistrala de alimentare; 4 — robinetul de frână al mecanicului; 5 — magistrala de frână; 6 — cilindru de frână; 7 — arcuri de eliberare; 8, 9 — transmisie mecanică de frână; 10 — plăcuță de frână.
Pentru funcționarea acestei frâne este necesar un rezervor de aer comprimat, păstrat în locomotivă într-un rezervor special numit rezervor principal (2). Umplerea rezervorului principal cu aer și menținerea unei presiuni constante în acesta se face de compresor (1), acționat de unitatea de energie a locomotivelor. Alimentarea cu aer comprimat către aparatele de control al frânelor se realizează printr-o magistrală specială numită magistrala de alimentare (PM) sau de presiune (3).
Controlul frânelor vagoanelor și alimentarea acestora cu aer comprimat se face printr-o magistrală lungă, care trece prin întreaga garnitură și se numește magistrala de frână (TM) (5). Când se alimentează cu aer comprimat prin TM, acesta umple cilindrii de frână (TC) (6) conectați direct la TM. Aerul comprimat apasă pe piston, strângând plăcuțele de frână 10 pe roți, atât la locomotivă, cât și la vagoane. Se produce frânarea.
Pentru a opri frânarea, adică eliberarea frânelor, este necesar să se lase aerul din magistrala de frână în atmosferă, ceea ce va determina întoarcerea mecanismelor de frână la poziția inițială datorită forței arcurilor de eliberare, instalate în TC.
Pentru frânare, este necesar să se conecteze magistrala de frână (TM) cu magistrala de alimentare (PM). Pentru eliberare — conectarea magistralei de frână cu atmosfera. Aceste funcții sunt realizate de un dispozitiv special — robinetul de frână al mecanicului (4) — în timpul frânării, leagă PM și TM, iar în timpul eliberării — desparte aceste magistrale, eliberând concomitent aerul din TM în atmosferă.
În acest sistem există și o a treia poziție intermediară a robinetului mecanicului — închidere Când PM și TM sunt separate, dar și eliberarea aerului din TM în atmosferă nu are loc, robinetul mecanic o izolează complet. Presiunea acumulată în TM și TC se menține, iar durata în care aceasta este menținută la un nivel stabilit depinde de amploarea scurgerilor de aer prin diversele etanșeități, dar și de rezistența termică a plăcuțelor de frână, care se încălzesc prin frecare cu anvelopele roților. Activarea în frâne atât la frânare, cât și în momentul eliberării permite reglarea forței de frânare în trepte. Această frână asigură atât frânarea treptată, cât și eliberarea treptată.
În ciuda simplității acestei sisteme de frână, aceasta are un defect fatal - la decuplarea trenului, magistrala de frână se rupe, aerul iese din ea, iar trenul rămâne fără frâne. Din acest motiv, această frână nu poate fi aplicată în transportul feroviar, deoarece prețul eșecului său este prea mare. Chiar și fără ruperea trenului, în cazul unei scurgeri mari de aer, eficacitatea frânei va fi redusă.
Având în vedere cele spuse mai sus, apare cerința ca frânarea trenului să fie inițiată nu prin creșterea, ci prin scăderea presiunii în TM. Dar cum se umplu cilindrii de frână? Acest lucru aduce o a doua cerință - fiecare unitate mobilă din tren trebuie să aibă un rezervor de aer comprimat, care trebuie completat rapid după fiecare acționare a frânei.
Concluzii asemănătoare au fost trase de gândirea inginerilor de la sfârșitul secolului al XIX-lea, ceea ce s-a concretizat în crearea de către George Westinghouse, în 1872, a primei frâne automate pentru trenuri.
Dispozitivul frânei Westinghouse: 1 - compresor; 2 - rezervor principal; 3 - magistrala de alimentare; 4 - robinetul de frână al mecanicului; 5 - magistrala de frână; 6 - distribuitor de aer (ventil triplu) al sistemului Westinghouse; 7 - cilindru de frână; 8 - rezervor de rezervă; 9 - robinet de oprire.
În ilustrație este prezentat dispozitivul acestei frâne (ilustrația a - funcționarea frânei la eliberare; b - funcționarea frânei la frânare). Elementul principal al frânei Westinghouse a fost distribuitorul de aer al frânei sau, cum mai este numit uneori, ventil triplu. Acest distribuitor de aer (6) are un organ sensibil — piston, care funcționează pe baza diferenței dintre două presiuni — în magistrala de frână (MF) și rezervorul suplimentar (RS). Dacă presiunea în MF devine mai mică decât în RS, atunci pistonul se deplasează spre stânga, deschizând calea aerului din RS în TC. Dacă presiunea în MF devine mai mare decât în RS, pistonul se deplasează spre dreapta, conectând TC cu atmosfera, și în același timp conectând MF și RS, asigurând umplerea acestuia din urmă cu aer comprimat din MF.
Astfel, în cazul scăderii presiunii în MF din orice motiv, fie că este vorba de acțiunile conductorului, de o scurgere excesivă de aer din MF sau de o ruptură a trenului — frânele se vor activa. Asta înseamnă că aceste frâne au automatica în funcționare. Această caracteristică a frânei a permis adăugarea unei noi posibilități de control al frânelor trenului, utilizată și în prezent pe trenurile de pasageri — oprirea de urgență a trenului de către un pasager, prin conectarea magistralei de frână cu atmosfera printr-un ventil special — frână de urgență (9).
Celor care sunt familiarizați cu această caracteristică a sistemului de frânare al trenului le poate părea amuzant să vizioneze filme în care hoții-cowboy desfac cu nonșalanță un vagon cu aur de tren. Pentru ca un asemenea lucru să fie realizat, cowboy-ii ar trebui, înainte de a desprinde vagonul, să închidă supape de capăt ale magistralei de frână, care despart magistrala de frână de furtunurile de conexiune dintre vagoane. Dar ei nu fac niciodată asta. Pe de altă parte, supapele de capăt închise au fost de multe ori cauza unor catastrofe devastatoare legate de defectarea frânei, atât la noi (Kamenck în 1987, Yeral-Sim în 2011), cât și în străinătate.
Din cauza faptului că umplerea cilindrilor de frână se face dintr-o sursă secundară de aer comprimat (rezervorul suplimentar), fără posibilitatea de a fi completată constant, această frână este numită neacționată direct. Încărcarea RS cu aer comprimat se face doar când se eliberează frâna, ceea ce duce la faptul că, în cazul frânării frecvente cu eliberare ulterioară, fără o recuperare suficientă a timpului după eliberare, RS nu reușește să se încarce la presiunea necesară. Acest lucru poate duce la epuizarea completă a frânei și la pierderea controlului asupra frânelor trenului.
Frâna pneumatică are și un alt dezavantaj, legat de faptul că scăderea presiunii în conducta de frânare, ca orice perturbare, în mediu aerian se propagă cu o viteză mare, dar totuși finită — nu mai mult de 340 m/s. De ce nu mai mult? Pentru că viteza sunetului este varianta ideală. Însă, în sistemul pneumatic al trenului există o serie de obstacole care reduc viteza de propagare a scăderii presiunii, legate de rezistența curgerii aerului. Prin urmare, dacă nu se iau măsuri speciale, viteza de scădere a presiunii în T.M. va fi cu atât mai mică, cu cât vagonul se află mai departe de locomotivă. În cazul frânei Westinghouse, viteza așa-numitei unde frâna nu depășește 180 — 200 m/s.
Cu toate acestea, apariția frânei pneumatice a permis creșterea atât a puterii frânelor, cât și a operativității gestionării acestora direct de la locul de muncă al mecanicului. Acest lucru a fost un impuls puternic pentru dezvoltarea transportului feroviar, creșterea vitezei de deplasare și a greutății trenurilor, și, ca urmare, o creștere colosală a volumului de marfă pe calea ferată, precum și extinderea rețelelor feroviare în întreaga lume.
George Westinghouse a fost nu doar un inventator, ci și un antreprenor perspicace. Inventia sa a fost brevetată încă din 1869, ceea ce i-a permis să dezvolte producția în masă de echipamente de frânare. Destul de repede, frâna Westinghouse a obținut o răspândire largă în SUA, Europa de Vest și în Imperiul Rus.
În Rusia, frâna Westinghouse a dominat absolut înainte de Revoluția din Octombrie, și chiar și pentru o perioadă destul de lungă după aceasta. Firma „Westinghouse” a construit în Petersburg fabrica sa de frâne, reușind să îndepărteze din piața rusă concurenții. Cu toate acestea, frâna Westinghouse avea o serie de dezavantaje de principiu.
În primul rând, această frână asigura doar două moduri de operare: frânare până la umplerea completă a cilindrilor de frână, și eliberare — golirea cilindrilor de frână. Crearea unei valori intermediare a presiunii de frânare cu menținerea pe termen lung a acesteia era imposibilă, adică în frâna Westinghouse lipsea modul suprapunerilor. Acest lucru nu permitea realizarea unei gestionări precise a vitezei trenului.
În al doilea rând, frâna Westinghouse funcționa prost în trenurile lungi, iar dacă în traficul de pasageri acest lucru putea fi cumva tolerat, în cel de marfă apăreau probleme. Îți amintești de unda de frânare? Așa că, frâna Westinghouse nu dispunea de mijloacele necesare pentru a-i crește viteza, iar în trenul lung, scăderea presiunii în T.M. pe ultimul vagon putea să înceapă prea târziu, și cu un ritm semnificativ mai scăzut decât în capul trenului, ceea ce crea o inegalitate extremă în reacția frânelor pe întreaga compunere.
Trebuie spus că întreaga activitate a firmei „Westinghouse”, atât în Rusia de atunci, cât și în întreaga lume, era pătrunsă de o miros de capitalism și bătălii de brevete și concurență neloială. Asta a asigurat o viață atât de îndelungată unui sistem atât de imperfect, cel puțin în acea perioadă istorică.
În ciuda tuturor acestor aspecte, trebuie să recunoaștem — frâna Westinghouse a pus bazele științei frânării, iar principiul său de funcționare a rămas neschimbat în frânele moderne ale materialului rulant.
2. De la frâna Westinghouse la frâna Matrosov — dezvoltarea științei frânării autohtone.
Practically imediat după apariția frânei Westinghouse și conștientizarea deficiențelor acestei sisteme, au apărut încercări de îmbunătățire a acesteia, fie de a crea una nouă, fundamental diferită. Țara noastră nu a fost o excepție. La începutul secolului XX, Rusia dispunea de o rețea dezvoltată de căi ferate, care jucau un rol semnificativ în asigurarea dezvoltării economice și apărării țării. Creșterea eficienței transportului era legată de creșterea vitezei sale de deplasare și a masei încărcăturii transportate simultan, ceea ce însemna că întrebările privind îmbunătățirea sistemelor de frânare deveneau din ce în ce mai urgente.
Un impuls semnificativ pentru dezvoltarea științei frânării în RSFSR și apoi în URSS a fost reducerea influenței marilor capitaluri occidentale, în special a firmei „Westinghouse”, asupra dezvoltării domeniului feroviar autohton după octombrie 1917.
F.P. Kazantsev (stânga) și I.K. Matrosov (dreapta) — creatorii frânei feroviare autohtone
Prima realizare notabilă, prima realizare serioasă a tânărului domeniu al științei frânării autohtone, a fost realizările inginerului Florentin Pimenovich Kazantsev. În 1921, Kazantsev a propus un sistem frână automată cu acționare directă. Schema de mai jos descrie toate ideile principale introduse nu doar de Kazancev, având scopul de a explica principiile de bază ale funcționării frânei automate îmbunătățite
Frână automată cu acționare directă: 1 — compresor; 2 — rezervor principal; 3 — conductă de alimentare; 4 — robinetul conductorului de tren; 5 — dispozitiv de alimentare pentru scurgerile din conductă; 6 — conductă de frână; 7 — furtunuri de frână de conectare; 8 — robinet final; 9 — robinet de stop; 10 — supapă de retur; 11 — rezervor auxiliar; 12 — distributor de aer; 13 — cilindru de frână; 14 — transmisie cu braț de frână.
Așadar, prima idee principală este că controlul presiunii în TM se realizează indirect — prin scăderea/creșterea presiunii într-un rezervor special, numit rezervor de echilibru (RE). Acesta este reprezentat în desenul din dreapta robinetului conductorului (4) și deasupra dispozitivului de alimentare pentru scurgerile din TM (5). Densitatea acestui rezervor este tehnic mult mai ușor de asigurat decât densitatea conductei de frână — țevi lungi de câteva kilometri, care trec prin întreaga garnitură. Stabilitatea relativă a presiunii în RE permite menținerea presiunii în TM, utilizând presiunea din RE ca referință. De fapt, pistonul din dispozitivul (5) coboară în jos atunci când scade presiunea în TM, deschizând supapa, umplând TM din conducta de alimentare, menținând astfel presiunea în TM egală cu cea din RE. Această idee a avut încă un drum lung de parcurs, dar acum presiunea în TM nu depindea de existența scurgerilor externe din aceasta (până la limitele cunoscute). Dispozitivul 5 a fost integrat în robinetul conductorului și rămâne în el, într-o formă modificată, și până în prezent.
O altă idee importantă care stă la baza construcției acestui tip de frână este alimentarea ZR din TM prin supapa de retur 10. Atunci când presiunea din TM depășește presiunea din ZR, această supapă se deschide, umplând ZR din TM. Astfel se realizează o completare continuă a scurgerilor din rezervorul auxiliar și se asigură inexhaustibilitatea frânei.
A treia idee importantă propusă de Kazanțev se referă la construcția distribuitorului de aer, care funcționează pe baza diferenței nu între două presiuni, ci între trei: presiunea din magistrala de frână, presiunea din cilindrul de frână și presiunea dintr-o cameră de lucru specială (CL), care, atunci când este eliberată, este alimentată cu presiune din magistrala de frână, împreună cu rezervorul de rezervă. În modul de frânare, CL este deconectată de rezervorul de rezervă și de magistrala de frână, păstrând valoarea presiunii de încărcare inițiale. Această caracteristică este utilizată pe scară largă în frânele vehiculelor de transport atât pentru a asigura o eliberare treptată, cât și pentru a controla uniformitatea umplerii cilindrului de frână de-a lungul trenului în cazul trenurilor de marfă, deoarece camera de lucru servește ca un etalon pentru presiunea de încărcare inițială. Pe baza acestei valori se poate asigura atât o eliberare treptată, cât și organizarea unei umpleri mai timpurii a cilindrului de frână în vagoanele de la spate. O descriere detaliată a acestor aspecte o voi lăsa pentru alte articole legate de acest subiect; deocamdată, voi spune doar că lucrările lui Kazanțev au servit ca stimul pentru dezvoltarea unei școli științifice în țara noastră, care a condus la elaborarea unor sisteme originale de frânare pentru vehicule de transport.
Un alt inventator sovietic, care a avut un impact semnificativ asupra dezvoltării frânelor autohtone pentru vehiculele de transport, este Ivan Konstantinovici Matrosov. Ideile sale, care nu se deosebeau în principiu de cele ale lui Kazanțev, însă testele operaționale ulterioare ale sistemelor de frânare ale lui Kazanțev și Matrosov (împreună cu alte sisteme de frână) au arătat o superioritate semnificativă a celui de-al doilea sistem în ceea ce privește caracteristicile operaționale, în special în cazul trenurilor de marfă. Prin urmare, frâna lui Matrosov cu distribuitorul de aer nr. 320 a devenit baza pentru dezvoltarea ulterioară și proiectarea echipamentului de frânare pentru căile ferate cu ecartament de 1520 de milimetri. Frâna automată modernă utilizată în Rusia și în țările CSI poartă cu dreptate numele frânei lui Matrosov, deoarece a încorporat, în etapa sa inițială de dezvoltare, ideile și soluțiile de proiectare ale lui Ivan Konstantinovici.
În concluzie
Și ce concluzie se desprinde? Lucrul la acest articol m-a convins că tema merită o serie de articole. În acest articol pilot, am abordat istoria dezvoltării frânelor vehiculelor feroviare. În următoarele, ne vom adânci în detalii picante, abordând nu doar frânele autohtone, ci și dezvoltările colegilor noștri din Europa de Vest, iluminând structura frânelor diferitelor tipuri și servicii ale vehiculelor feroviare. Așa că, sper că tema va fi interesantă, și ne vedem curând pe Habr!
Mulțumim pentru atenția acordată!
Sursa: habr.com
