Văd că prima, partea istorică a narațiunii mele a plăcut publicului, așa că nu este greșit să continui.

Trenurile de mare viteză, precum TGV, nu mai utilizează frâne pneumatice.

Astăzi vom vorbi despre modernitate, și anume despre ce abordări pentru crearea sistemelor de frânare a vehiculelor sunt folosite în secolul XXI, care își va sărbători curând al treilea deceniu.

1. Clasificarea frânelor vehiculelor

În funcție de principiul fizic de generare a forței de frânare, toate frânele feroviare pot fi împărțite în două tipuri principale: fricționale, care utilizează forța de frecare, și dinamice, care folosesc angrenajul pentru a crea momentul de frânare.

Frânele fricționale includ frâne cu plăcuțe de toate construcțiile, inclusiv frâne pe disc, precum și frâna magnetică, care este utilizată pe transportul feroviar de mare viteză, în principal în Europa Occidentală. Pe calea ferată de 1520 mm, acest tip de frână a fost utilizat exclusiv pe trenul electric ER200. Cât despre același „Sapsan”, RZhD a renunțat la utilizarea frânei magnetice pe acesta, deși prototipul acestui tren electric, ICE3 german, este echipat cu o astfel de frână.

Talonul trenului ICE3 cu frână magnetică

Talonul trenului „Sapsan”

Frânele dinamice, sau mai exact frânele electrodinamice includ toate frânele, ale căror acțiuni se bazează pe trecerea motoarelor electrice de tracțiune în modul de generator (frână regenerativă și frână cu reostat), precum și frânarea prin contraincludere

Cu frână recuperativă și frână reostat, totul este relativ clar - motoarele sunt transferate într-un mod sau altul în modul generator, iar în cazul recuperării, energia este returnată în rețeaua de contact, iar în cazul reostatului, energia generată este arsă pe rezistori speciali. Ambele tipuri de frână sunt folosite atât pe trenuri cu tracțiune prin locomotivă, cât și pe vehicule electrice, unde frâna electrodinamică este principala frână de lucru, datorită numărului mare de motoare electrice de tracțiune distribuite pe întreaga lungime a trenului. Singurul inconvenient al frânării electrodinamice (EDT) este imposibilitatea de a frâna până la oprire completă. Când eficiența EDT scade, aceasta este automat substituită de o frână pneumatică de frecare.

În ceea ce privește frânarea prin inversare, aceasta asigură frânarea până la oprire completă, deoarece presupune inversarea motorului de tracțiune în timpul mersului. Totuși, acest mod este, în cele mai multe cazuri, unul de urgență - utilizarea sa standardar poate duce la daune ale transmisiei de tracțiune. De exemplu, dacă luăm un motor colector, schimbarea polarității tensiunii aplicate pe acesta nu scade contral-EMF, care apare în motorul rotativ din tensiunea de alimentare, ci se adună cu aceasta - roțile continuă să se rotească în aceeași direcție ca și în modul de tracțiune! Aceasta duce la o creștere rapidă a curentului, iar cel mai bun lucru care se poate întâmpla este activarea aparatelor electrice de protecție.

Din această cauză, pe locomotive și trenuri electrice se iau toate măsurile pentru a preveni inversarea motoarelor în timpul mersului. Maneta de reversare este blocată mecanic atunci când controlerul conductorului se află în poziții de deplasare. Iar la aceleași "Sapsan" și "Lastochka", rotirea comutatorului de reversare la o viteză mai mare de 5 km/h va duce la o frânare de urgență imediată.

Cu toate acestea, anumite locomotive autohtone, de exemplu, locomotiva electrică VL65, utilizează frânarea reversibilă ca mod standard la viteze mici de deplasare.

Frânarea reversibilă - un mod standard, asigurat de sistemul de control, pe locomotiva electrică VL65.

Trebuie spus că, în ciuda eficienței ridicate a frânării electrodinamice, orice tren este, subliniez — întotdeauna echipat cu un sistem de frânare pneumatic automat, adică care se activează prin eliberarea aerului din magistrala de frânare. În Rusia, la fel ca și în întreaga lume, frânele cu tambur de tip fricțional vechi și bune stau la baza siguranței circulației.

După destinația funcțională, frânele de tip fricțional sunt împărțite în

1. Frâne de staționare, manuale sau automate
2. Frânele de tren — frâne pneumatice (PT) sau electropneumatice (EPT), care sunt instalate pe fiecare unitate de tren și controlate centralizat din cabina mecanicului
3. Frânele de locomotivă — frâne pneumate cu acțiune directă, destinate încetinirii locomotivei, fără a încetini trenul. Acestea sunt controlate separat de frânele de tren.

2. Frâna de staționare

Frâna manuală cu acționare mecanică nu a dispărut de pe vehicule, este instalată atât pe locomotive, cât și pe vagoane — a schimbat doar specialitatea, adică a devenit frână de staționare, permițând eliminarea mișcării spontane a vehiculului în cazul pierderii aerului din sistemul său pneumatic. Roata roșie, asemănătoare cu timonul unei nave — este mecanismul frânei manuale, una dintre variantele sale.

Timonul frânei manuale de staționare în cabina electromotorului VL60pk

Frâna manuală în tamponul unui vagon de pasageri

Frâna manuală pe un vagon de marfă modern

Frâna manuală cu ajutorul acționării mecanice presează pe roți aceleași plăcuțe care sunt folosite la frânarea obișnuită.

Pe vehiculele moderne, în special pe trenurile electrice EVS1/EVS2 'Sapsan', ES1 'Lastochka', precum și pe locomotiva EP20, frâna de staționare este automată și presiunea plăcuțelor pe discurile de frână se realizează prin acumulatori de energie cu arc.. O parte a mecanismelor cu clichet care presionează plăcuțele pe discurile de frână este dotată cu arcuri puternice, atât de puternice încât eliberarea se face printr-un sistem pneumatic cu o presiune de 0,5 MPa. În acest caz, sistemul pneumatic contracarează arcurile care apasă plăcuțele. Controlul acestui frână de parcare se face prin butoane de pe panoul conductorului.

Butoanele de control pentru frâna pneumatică cu arc (FPA) pe trenul electric ES1 „Lastačka”

Din punct de vedere al construcției, această frână este similară cu cea folosită pe camioane mari. Dar ca sistem principal de frânare în trenuri, această sistemă este complet inapropiată, iar motivul, voi explica în detaliu după ce discut despre funcționarea frânelor pneumatice ale trenului.

3. Frâne pneumate de tip cargo

Fiecare vagon de marfă este echipat cu următorul complex de echipamente de frână

Echipamentele de frână pentru vagonul de marfă: 1 — furtun de conectare a frânei; 2 — robinet de capăt; 3 — robinet de oprire; 5 — capturator de praf; 6, 7, 9 — module de distribuție a aerului cu nr. 483; 8 — robinet de decuplare; VR — distribuitor de aer; TM — magistrala de frână; ZR — rezervor de rezervă; TC — cilindru de frână; AR — regimul automat de marfă


Magistrala de frână (TM) — un tub cu diametrul de 1,25”, care se întinde pe toată lungimea vagonului, având la capete robinete de capăt, pentru decuplarea magistralei de frână în timpul desfacere a vagonului înainte de deconectarea furtunelor flexibile de conectare. În magistrala de frână se menține, în mod normal, așa-numita presiune de încărcare de 0,50 — 0,54 MPa, astfel încât deconectarea furtunelor fără a închide robinetele de capăt este o activitate îndoielnică, care, în sensul propriu al cuvântului, te poate lăsa fără cap.

Rezerva de aer, direct adusă în cilindrii de frână, este stocată în rezervorul de rezervă (ZR), volumul căruia în majoritatea cazurilor este de 78 de litri. Presiunea în rezervorul de rezervă este exact aceeași cu presiunea din magistrala de frână. Dar nu, aceasta nu este 0,50 — 0,54 MPa. Problema este că o astfel de presiune va fi în magistrala de frână a locomotivei. Și cu cât te îndepărtezi de locomotivă, cu atât presiunea din magistrala de frână scade, deoarece inevitabil există pierderi care duc la scurgeri de aer. Așa că presiunea din magistrala de frână a ultimului vagon din tren va fi ceva mai mică decât cea de încărcare.

Cilindru de frână, iar în majoritatea vagoanelor este unul singur, umplut din rezervorul de rezervă, prin intermediul transmisiei cu brațele de frână, apasă pe toate plăcuțele prezente pe vagon. Volumul cilindrului de frână este de aproximativ 8 litri, astfel că la frânarea completă, în el se stabilește o presiune de maximum 0,4 MPa. La aceeași valoare scade presiunea și în rezervorul de rezervă.

Principalul „actor” din acest sistem este distribuitorul de aer. Acest dispozitiv reacționează la schimbările de presiune din magistrala de frână, executând o sau alta operație în funcție de direcția și viteza cu care se schimbă această presiune.

La scăderea presiunii din magistrala de frână are loc frânarea. Dar nu la orice scădere a presiunii — reducerea presiunii trebuie să aibă loc cu o anumită viteză, numită viteză de frânare operativă. Această viteză este asigurată de robinetul conductorului din cabina locomotivei și este de la 0,01 la 0,04 MPa pe secundă. Dacă scăderea presiunii este mai lentă, frânarea nu se produce. Acest lucru este făcut pentru a preveni activarea frânelor în cazul unor scurgeri normale din magistrala de frână, precum și pentru a preveni activarea acestora la eliminarea presiunii excesive, despre care vom discuta mai târziu.

Atunci când distribuitorul de aer este activat pentru frânare, el efectuează o descărcare suplimentară a magistralei de frână cu o viteză operativă de 0,05 MPa. Aceasta se face pentru a asigura o scădere constantă a presiunii pe toată lungimea trenului. Dacă nu se efectuează descărcarea suplimentară, ultimele vagoane ale unui tren lung s-ar putea să nu frâneze deloc. Descărcarea suplimentară a magistralei de frână este efectuată tot de distribuitorii de aer moderni, inclusiv cei pentru pasageri.

Când se acționează frânarea, distribuitorul de aer deconectează rezervorul de rezervă de la circuitul de frână și îl conectează la cilindrul de frână. Acesta se umple cu aer. Umplerea are loc exact atât timp cât durează scăderea presiunii în circuitul de frână. În momentul în care scăderea presiunii în CF se oprește, umplerea cilindrului de frână se oprește. Se activează modul suprapunerilor. Presiunea crescută în cilindrul de frână depinde de doi factori:

1. adâncimea descărcării din circuitul de frână, adică magnitudinea scăderii presiunii în raport cu setarea
2. modului de operare a distribuitorului de aer

Distribuitorul de aer pentru mărfuri are trei moduri de funcționare: încărcat (Î), mediu (M) și gol (G). Aceste moduri se diferențiază prin presiunea maximă care poate fi atinsă în cilindrii de frână. Comutarea între moduri se face manual prin rotirea unei mânere speciale.

Dacă rezumăm, astfel dependența presiunii în cilindrul de frână de adâncimea descărcării din circuitul de frână la distribuitorul de aer 483 în diferite moduri arată astfel

Dezavantajul utilizării comutatorului de mod este că lucrătorul din întreținerea vagoanelor trebuie să parcurgă întreaga garnitură, să se strecurare sub fiecare vagon și să schimbe comutatorul de mod în poziția dorită. Acest lucru nu se întâmplă, conform zvonurilor din utilizarea practică, mereu. Umplerea excesivă a cilindrilor de frână pe un vagon gol poate duce la derapaj, scăderea eficienței frânării și deteriorarea perechilor de roți. Pentru a ieși dintr-o astfel de situație, pe vagoanele de marfă se introduce așa-numitul mod automat (MA), care, determinând mecanic masa vagonului, reglează treptat presiunea maximă în cilindrul de frână. Dacă vagonul este echipat cu modul automat, atunci comutatorul de mod pe DA se setează în poziția „încărcat”.

Acționarea frânării se face de obicei în etape. Nivelul minim de descărcare a conductei de frână pentru VR483 va fi de 0,06 — 0,08 MPa. În acest caz, în cilindrii de frână se stabilește o presiune de 0,1 MPa. De asemenea, mecanicul poziționează robinetul în poziția de închidere, în care presiunea din conducta de frână rămâne la nivelul stabilit după frânare. Dacă eficiența frânării dintr-o etapă este insuficientă, se efectuează următoarea etapă. În acest caz, distribuitorul de aer nu contează cu ce ritm se produce descărcarea — la scăderea presiunii, indiferent de ritm, cilindrii de frână se umple proporțional cu nivelul de scădere a presiunii.

Eliberarea completă a frânelor (golirea completă a cilindrilor de frână pe întreaga tren) se face prin creșterea presiunii din conducta de frână peste nivelul de întregere. De asemenea, pentru trenurile de marfă se face o creștere semnificativă a presiunii în TM peste cea de întregere, astfel încât unde de creștere a presiunii să ajungă până la ultimele vagoane. Eliberarea completă a frânelor într-un tren de marfă este un proces lung și poate dura până la un minut.

VR483 are două moduri de eliberare: pe teren plat și montan. În modul de teren plat, prin creșterea presiunii în conducta de frână, are loc o eliberare completă, fără pași. În modul montan, este posibilă eliberarea etapizată a frânelor, care reprezintă o golire incompletă a cilindrilor de frână. Acest mod este utilizat în timpul circulației pe un profil complex cu un grad mare de înclinare.

Distribuitorul de aer 483 este un dispozitiv foarte interesant. O analiză detaliată a structurii și funcționării sale este un subiect pentru un articol mare separat. Aici am abordat principiile generale de funcționare ale frânei de marfă.

3. Frâne pneumatice de tip pentru pasageri

Echipamentele de frânare ale vagonului de pasageri: 1 — furtun de conectare; 2 — robinet terminal; 3, 5 — cutii de conectare pentru linia de frână electropneumatică; 4 — robinet de oprire; 6 — tub cu cablaj pentru frâna electropneumatică; 7 — suspensie izolată a furtunului de conectare; 8 — captor de praf; 9 — branșament pentru distribuitorul de aer; 10 — robinet de izolare; 11 — cameră de lucru a distribuitorului electric de aer; TM — magistrala de frână; VR — distribuitor de aer; EVR — distribuitor electric de aer; TC — cilindru de frână; ZR — rezervor de rezervă

În mod evident, atrage atenția cantitatea mai mare de echipamente, începând de la cele trei robinete de oprire (câte unul în fiecare tambur și unul în compartimentul conductorului) și terminând cu faptul că vagoanele de pasageri din țară sunt dotate atât cu frâne pneumatice, cât și cu frână electropneumatică (EPT).

Cine este atent va observa imediat principala dezavantaj a controlului pneumatic al frânelor — viteza limitată de propagare a impulsului de frână, care nu poate depăși viteza sunetului. În practică, această viteză este mai mică, de 280 m/s în cazul frânării de serviciu și 300 m/s în cazul frânării de urgență. În plus, această viteză depinde foarte mult de temperatura aerului, fiind mai mică iarna, de exemplu. Prin urmare, un aspect constant al frânelor pneumatice este inegalitatea în funcționarea lor în timp.

Inegalitatea în funcționare conduce la două lucruri — apariția reacțiilor longitudinale semnificative în tren, precum și la creșterea distanței de frânare. Prima nu este atât de caracteristică pentru trenurile de pasageri, deși acele cești cu ceai și alte băuturi care sar pe masa din compartiment nu vor bucura pe nimeni. Creșterea distanței de frânare este o problemă serioasă, mai ales în circulația de pasageri.

În plus, distribuitorul de aer pasager autohton - atât cel vechi cu numărul de serviciu 292, cât și cel nou cu numărul de serviciu 242 (care, de altfel, devine tot mai frecvent în parcul de vagoane pasageri) - ambele dispozitive sunt moștenitorii direcți ai acelui supapă triplicată Westinghouse și funcționează pe diferența dintre două presiuni - în magistrala de frânare și în rezervorul de rezervă. Spre deosebire de supapa triplicată, acestea au un mod de închidere, ceea ce permite frânarea în trepte; un al doilea proces de descărcare a magistralei de frânare în timpul frânării; includ în construcția lor un accelerator de frânare de urgență. Aceste distribuitoare de aer nu oferă o eliberare treptată - ele eliberează imediat întreaga frână de îndată ce presiunea din magistrala de frânare depășește presiunea din rezervorul de rezervă, stabilită acolo după frânare. Iar eliberarea treptată este foarte utilă în frânările de reglare pentru o oprire precisă la peronul de îmbarcare.

Ambele probleme - inegalitatea activării frânelor și lipsa eliberării treptate, pe calea ferată de 1520 mm, se rezolvă prin instalarea pe vagoane a unui distribuitor de aer cu comandă electrică - distribuitor de aer electric (EAV), numărul de serviciu 305.

EPT autohton - frână electropneumatică - acționare directă, de acțiune neautomată. La trenurile de călători cu tracțiune locomotive, EPT funcționează pe un circuit cu două fire.

Schema structurală a EPT cu două fire: 1 - controler de operare pe robinetul conductorului; 2 - baterie de acumulatoare; 3 - convertor static de alimentare; 4 - panou de semnalizare cu LED-uri; 5 - bloc de control; 6 - borna terminală; 7 - capetele de conectare pe furtunuri; 8 - suspendare izolată; 9 - ventil semiconductor; 10 - ventil electromagnetic de eliberare; 11 - ventil electromagnetic de frână.

Pe întreaga lungime a trenului sunt întinse două fire: numărul 1 și numărul 2 în desen. La vagonul de la coadă, aceste fire sunt conectate electric între ele și prin bucla formată se permite trecerea curentului alternativ cu o frecvență de 625 Hz. Acest lucru se face pentru a controla integritatea liniei de operare a EPT. La întreruperea firului, circuitul de curent alternativ se rupe, iar conductorul primește un semnal sub formă de stins al lampii de control „O” (eliberare).

Control is maintained by constant current of various polarities. In this case, the rail serves as the wire with a zero potential. When a positive voltage (relative to the rails) is applied to the wire of the EPТ, both solenoid valves installed in the electric air distributor operate: the release valve (OV), and the brake valve (TV). The first isolates the working chamber (РК) of the electric air distributor from the atmosphere, while the second fills it from the reserve tank. Then, the pressure relay installed in the ER works based on the pressure difference in the working chamber and the brake cylinder. When the pressure in the РК exceeds that in the ТЦ, the latter is filled with air from the reserve tank, up to the pressure that has been accumulated in the working chamber.

When a negative potential is applied to the wire, the brake valve is turned off, as the current to it is cut off by a diode. Only the release valve remains active, maintaining pressure in the working chamber. This realizes the cutoff position.

When the voltage is removed, the release valve loses power and opens the working chamber to the atmosphere. As the pressure in the working chamber decreases, the pressure relay releases air from the brake cylinders as well. If after a brief release the driver's valve is set back to the cutoff position, the pressure drop in the working chamber will stop, and the release of air from the brake cylinder will also cease. This creates the possibility for stepwise brake release.

What happens in case of a wire break? Correct — the EPТ will release. Therefore, this brake (on domestic rolling stock) is not automatic. In case of EPТ failure, the driver has the option to switch to pneumatic control of the brakes.

EPT se caracterizează prin umplerea simultană a cilindrilor de frână și golirea lor pe tot parcursul trenului. Rata de umplere și golire este destul de mare - 0,1 MPa pe secundă. EPT este un frână inepuizabilă, deoarece în timpul funcționării, distribuitorul de aer obișnuit se află în modul de eliberare și alimentează rezervoarele de rezervă din magistrala de frână, care, la rândul său, este alimentată de robinetul mecanicului de pe locomotivă din rezervoarele principale. Prin urmare, EPT poate fi utilizat pentru frânare cu orice frecvență necesară pentru controlul operativ al frânelor. Posibilitatea de eliberare pas cu pas permite gestionarea vitezei trenului foarte precis și lin.

Controlul pneumatic al frânelor trenului de pasageri nu se deosebește semnificativ de frâna de marfă. Există o diferență în metodele de control, de exemplu, eliberarea frânei pneumatice se face până la presiunea de încărcare, fără supraîncărcare. În general, supraîncărcările excesive ale presiunii în magistrala de frână a trenului de pasageri pot cauza probleme, astfel încât, la o eliberare completă a EPT, presiunea din TM crește cu maximum 0,02 MPa față de valoarea stabilită a presiunii de încărcare.

Adâncimea minimă de descărcare a TM la frânarea cu frâna de pasageri este de 0,04 - 0,05 MPa, în timp ce în cilindrii de frână se creează o presiune de 0,1 - 0,15 MPa. Presiunea maximă în cilindrul de frână al unui vagon de pasageri este limitată de volumul rezervorului de rezervă și, de obicei, nu depășește 0,4 MPa.

Concluzie

Acum mă voi adresa unor comentatori care sunt surprinși (și, după părerea mea, chiar și revoltați, dar nu mă voi aventura să afirm) de complexitatea frânei de tren. În comentarii se propune aplicarea unei scheme auto cu acumulatoare de energie. Este evident că, din fotoliu sau din scaunul de birou, prin fereastra unui browser, multe probleme par mai vizibile și soluțiile mai evidente, dar permit să remarc că majoritatea soluțiilor tehnice acceptate în lumea reală au o justificare clară.

Așa cum am menționat deja, principala problemă a frânei pneumatice în tren este viteza finală a mișcării undei de șoc de scădere a presiunii pe o conductă de frână de lungime (până la 1,5 km în trenul cu 100 de vagoane) - unda de frână. Pentru a accelera această undă de frână este necesară o descărcare suplimentară, efectuată de distribuitorul de aer. Fără distribuitor de aer, nu va fi nici o descărcare suplimentară. Asta înseamnă că frânele cu acumulatori de energie vor fi, evident, mult mai dezavantajate în ceea ce privește uniformitatea de activare, readucându-ne în epoca Westinghouse. Un tren de marfă nu este un camion, aici scalele sunt diferite, așa că și principiile de control al frânelor sunt diferite. Sunt sigur că nu este întâmplător, iar direcția științei mondiale a frânelor nu a fost aleasă întâmplător, conducându-ne la astfel de construcții. Punct.

Această articol este o oarecare revizuire a sistemelor de frânare existente pe materialul rulant modern. În continuare, în alte articole din acest ciclu, voi detalia fiecare dintre ele. Vom afla ce dispozitive sunt utilizate pentru controlul frânelor, cum sunt structurate distribuitoarele de aer. Vom analiza mai detaliat problemele frânării regenerative și realiste. Și, desigur, vom examina frânele transportului de mare viteză. Pe curând și mulțumesc pentru atenție!

P.S.: Prieteni! Vreau să mulțumesc în mod special pentru numărul mare de mesaje personale cu observații privind erorile și tipografiile din articol. Da, sunt un păcătos care nu se înțelege bine cu limba română și se împiedică pe taste. Am încercat să corectez observațiile voastre.

Sursa: habr.com