Energia cinetică a Sapsanului la viteză maximă este de peste 1500 de megajouli. Pentru o oprire completă, toate acestea trebuie disipate de dispozitivele de frânare.
A fost o chestiune chiar aici pe Habré. Aici sunt publicate destul de multe articole de recenzie pe subiecte feroviare, dar acest subiect nu a fost încă tratat în detaliu. Cred că ar fi destul de interesant să scriu un articol despre asta, și poate mai mult de unul. Așadar, întreb pentru pisica celor care sunt interesați de modul în care sunt proiectate sistemele de frânare ale transportului feroviar și din ce motive sunt astfel proiectate.
1. Istoria frânei pneumatice
Sarcina de a controla orice vehicul include reglarea vitezei acestuia. Transportul feroviar nu face excepție; în plus, caracteristicile sale de design introduc nuanțe semnificative în acest proces. Trenul este format dintr-un număr mare de vagoane interconectate, iar sistemul rezultat are o lungime și o greutate semnificative la o viteză foarte decentă.
Prin definitie, frânele sunt un set de dispozitive concepute pentru a crea forțe de rezistență artificiale, reglabile, utilizate pentru a reduce în mod controlat viteza unui vehicul.
Cel mai evident mod, la suprafață, de a crea forță de frânare este folosirea frecării. De la bun început și până în prezent, s-au folosit frâne de frecare cu saboți. Dispozitive speciale - plăcuțele de frână, realizate dintr-un material cu un coeficient de frecare mare, sunt presate mecanic pe suprafața de rulare a roții (sau pe discuri speciale montate pe axa setului de roți). O forță de frecare apare între plăcuțe și roată, creând un cuplu de frânare.
Forța de frânare este reglată prin schimbarea forței de apăsare a plăcuțelor împotriva roții - presiunea de frânare. Singura întrebare este ce unitate este folosită pentru a apăsa plăcuțele și, în parte, istoria frânelor este istoria dezvoltării acestei unități.
Primele frane de cale ferata erau mecanice si erau actionate manual, separat pe fiecare vagon de catre persoane speciale - franari sau conductori. Conductorii erau amplasați pe așa-numitele platforme de frână cu care era echipat fiecare vagon, iar aceștia acoperau frânele la semnalul mecanicului de locomotivă. Schimbul de semnale între șofer și conducători a fost efectuat cu ajutorul unei frânghii speciale de semnalizare întinsă de-a lungul întregului tren, care a activat un fluier special.
Vagon de marfă de epocă cu două osii cu plăcuță de frână. Butonul frânei de mână vizibil
Frâna acţionată mecanic în sine are putere mică. Cantitatea de presiune a frânei depindea de puterea și dexteritatea conductorului. În plus, factorul uman a interferat cu funcționarea unui astfel de sistem de frânare - conductorii nu și-au îndeplinit întotdeauna sarcinile corect. Nu a fost nevoie să vorbim despre eficiența ridicată a unor astfel de frâne, precum și despre creșterea vitezei trenurilor echipate cu acestea.
Dezvoltarea ulterioară a frânelor a necesitat, în primul rând, o creștere a presiunii de frânare și, în al doilea rând, posibilitatea de a controla de la distanță toate mașinile de la locul de muncă al șoferului.
Acționarea hidraulică utilizată la frânele de automobile a devenit larg răspândită datorită faptului că asigură presiune ridicată cu actuatoare compacte. Cu toate acestea, atunci când utilizați un astfel de sistem pe un tren, va apărea principalul său dezavantaj: necesitatea unui fluid de lucru special - lichid de frână, a cărui scurgere este inacceptabilă. Lungimea mare a liniilor hidraulice de frână dintr-un tren, împreună cu cerințele ridicate pentru etanșeitatea acestora, fac imposibilă și irațională crearea unei frâne hidraulice de cale ferată.
Un alt lucru este acționarea pneumatică. Utilizarea aerului de înaltă presiune face posibilă obținerea unor presiuni mari de frânare cu dimensiuni acceptabile ale actuatoarelor - cilindrii de frână. Nu lipsește lichidul de lucru - aerul este peste tot în jurul nostru și, chiar dacă există o scurgere de lichid de lucru din sistemul de frânare (și cu siguranță o face), acesta poate fi completat relativ ușor.
Cel mai simplu sistem de frânare care utilizează energie de aer comprimat este frână neautomată cu acțiune directă
Schema unei frâne neautomate cu acțiune directă: 1 - compresor; 2 - rezervor principal; 3 - linie de alimentare; 4 — macara de tren de conducător; 5 - linie de frână; 6 — cilindru de frână; 7 — arc de eliberare; 8, 9 — transmisie mecanică de frână; 10 - plăcuță de frână.
Pentru a acţiona o astfel de frână este necesară o alimentare cu aer comprimat, depozitat pe locomotivă într-un rezervor special numit rezervor principal (2). Se efectuează injectarea aerului în rezervorul principal și menținerea presiunii constante în acesta compresor (1), condus de centrala locomotivei. Aerul comprimat este furnizat dispozitivelor de control al frânelor printr-o conductă specială numită nutrițional (NM) sau presiune autostrada (3).
Frânele vagoanelor sunt controlate și le este furnizat aer comprimat printr-o conductă lungă care traversează întregul tren și numită linie de frână (TM) (5). Când aerul comprimat este furnizat prin TM, acesta se umple cilindrii de frana (TC) (6) conectat direct la TM. Aerul comprimat apasă pe piston, apăsând plăcuțele de frână 10 împotriva roților, atât pe locomotivă, cât și pe vagoane. Are loc frânarea.
Pentru a opri frânarea, adică părăsi frânelor, este necesară eliberarea aerului din conducta de frână în atmosferă, ceea ce va duce la revenirea mecanismelor de frână în poziția inițială datorită forței arcurilor de deblocare instalate în TC.
Pentru a frâna, este necesar să conectați conducta de frână (TM) cu conducta de alimentare (PM). Pentru vacanță, conectați linia de frână la atmosferă. Aceste funcții sunt efectuate de un dispozitiv special - macara trenului conducătorului auto (4) - la frânare face legătura între PM și PM, la eliberare, deconectează aceste conducte, eliberând simultan aer din PM în atmosferă.
Într-un astfel de sistem, există o a treia poziție intermediară a macaralei șoferului - reacoperiș când PM și TM sunt separate, dar eliberarea aerului din TM în atmosferă nu are loc, macaraua șoferului o izolează complet. Presiunea acumulată în TM și TC este menținută, iar timpul în care este menținută la nivelul setat este determinat de cantitatea de scurgere de aer prin diverse scurgeri, precum și de rezistența termică a plăcuțelor de frână, care se încălzesc în timpul frecării împotriva anvelopele roții. Plasarea acestuia în tavan atât în timpul frânării, cât și în timpul eliberării vă permite să reglați forța de frânare în trepte. Acest tip de frână asigură atât frânarea pasului, cât și eliberarea pasului.
În ciuda simplității unui astfel de sistem de frânare, acesta are un defect fatal - atunci când trenul este decuplat, linia de frână se rupe, aerul iese din el și trenul rămâne fără frâne. Din acest motiv, o astfel de frână nu poate fi utilizată în transportul feroviar, costul defectării acesteia este prea mare. Chiar și fără o ruptură a trenului, dacă există o scurgere mare de aer, eficiența frânei va fi redusă.
Pe baza celor de mai sus, apare cerința ca frânarea trenului să fie inițiată nu printr-o creștere, ci printr-o scădere a presiunii în TM. Dar cum să umplem cilindrii de frână? Acest lucru dă naștere la a doua cerință - fiecare unitate în mișcare a trenului trebuie să stocheze o sursă de aer comprimat, care trebuie completată prompt după fiecare frânare.
Gândirea ingineriei de la sfârșitul secolului al XIX-lea a ajuns la concluzii similare, care au dus la crearea primei frâne automate de cale ferată de către George Westinghouse în 1872.
Dispozitiv de frana Westinghouse: 1 - compresor; 2 - rezervor principal; 3 - linie de alimentare; 4 — macara de tren de conducător; 5 - linie de frână; 6 — distribuitor de aer (supapă triplă) al sistemului Westinghouse; 7 — cilindru de frână; 8 — rezervor de rezervă; 9 - supapă de închidere.
Figura prezintă structura acestei frâne (Figura a - funcționarea frânei în timpul eliberării; b - funcționarea frânei în timpul frânării). Elementul principal al frânei Westigauze a fost distribuitor de aer de frână sau, cum se numește uneori, supapă triplă. Acest distribuitor de aer (6) are un organ sensibil - un piston care actioneaza la diferenta dintre doua presiuni - in conducta de frana (TM) si rezervorul de rezerva (R). Dacă presiunea în TM devine mai mică decât în TC, atunci pistonul se deplasează spre stânga, deschizând calea aerului de la CM la TC. Dacă presiunea din TM devine mai mare decât presiunea din SZ, pistonul se deplasează spre dreapta, comunicând TC cu atmosfera și, în același timp, comunicând TM și SZ, asigurându-se că acesta din urmă este umplut cu aer comprimat din TM.
Astfel, dacă presiunea din TM scade din orice motiv, fie că este vorba de acțiunile șoferului, de scurgeri excesive de aer din TM sau de o ruptură a trenului, frânele vor funcționa. Adică astfel de frâne au acțiune automată. Această proprietate a frânei a făcut posibilă adăugarea unei alte posibilități de control a frânelor de tren, care este utilizată pe trenurile de pasageri până în prezent - o oprire de urgență a trenului de către un pasager prin comunicarea liniei de frână cu atmosfera printr-o supapă specială - frânare de urgență (9).
Pentru cei care sunt familiarizați cu această caracteristică a sistemului de frânare al trenului, este amuzant să vizioneze filme în care hoții-cowboy, celebru, desprind un vagon cu aur dintr-un tren. Pentru ca acest lucru să fie posibil, cowboy-ii trebuie, înainte de decuplare, să închidă supapele de capăt de pe conducta de frână care separă conducta de frână de furtunurile de legătură dintre mașini. Dar nu o fac niciodată. Pe de altă parte, supapele închise au provocat de mai multe ori dezastre teribile asociate cu defecțiunea frânelor, atât aici (Kamensk în 1987, Eral-Simskaya în 2011), cât și în străinătate.
Datorită faptului că umplerea cilindrilor de frână are loc dintr-o sursă secundară de aer comprimat (rezervor de rezervă), fără posibilitatea reumplerii sale constante, o astfel de frână se numește acționând indirect. Încărcarea frânei cu aer comprimat are loc numai atunci când frâna este eliberată, ceea ce duce la faptul că, la frânare frecventă urmată de eliberare, dacă nu este timp suficient după eliberare, frâna nu va avea timp să se încarce la presiunea necesară. Acest lucru poate duce la epuizarea completă a frânei și pierderea controlului asupra frânelor trenului.
Frâna pneumatică are și un alt dezavantaj legat de faptul că scăderea de presiune în conducta de frână, ca orice perturbare, se propagă în aer la o viteză mare, dar totuși finită - nu mai mult de 340 m/s. De ce nu mai mult? Pentru că viteza sunetului este ideală. Dar în sistemul pneumatic al trenului există o serie de obstacole care reduc viteza de propagare a căderii de presiune asociată cu rezistența la fluxul de aer. Prin urmare, dacă nu se iau măsuri speciale, rata de reducere a presiunii în TM va fi mai mică, cu cât vagonul este mai departe de locomotivă. În cazul frânei Westinghouse, viteza așa-zisului val de frânare nu depaseste 180 - 200 m/s.
Cu toate acestea, apariția frânei pneumatice a făcut posibilă creșterea atât a puterii frânelor, cât și a eficienței controlului acestora direct de la locul de muncă al șoferului.Acest lucru a servit ca un impuls puternic pentru dezvoltarea transportului feroviar, crescând viteza și greutatea trenuri și, ca urmare, o creștere colosală a cifrei de afaceri de marfă pe calea ferată, creșterea lungimii liniilor de cale ferată din întreaga lume.
George Westinghouse nu a fost doar un inventator, ci și un om de afaceri întreprinzător. Și-a brevetat invenția încă din 1869, ceea ce i-a permis să lanseze producția de masă de echipamente de frânare. Destul de repede, frâna Westinghouse a devenit larg răspândită în SUA, Europa de Vest și Imperiul Rus.
În Rusia, frâna Westinghouse a domnit suprem până la Revoluția din octombrie și destul de mult timp după aceasta. Compania Westinghouse și-a construit propria fabrică de frâne în Sankt Petersburg și, de asemenea, a eliminat cu pricepere concurenții de pe piața rusă. Cu toate acestea, frâna Westinghouse a avut o serie de dezavantaje fundamentale.
În primul rând, această frână a oferit doar două moduri de funcționare: frânare până când cilindrii de frână sunt complet umpluți și vacanță — golirea cilindrilor de frână. A fost imposibil să se creeze o cantitate intermediară de presiune de frânare cu întreținerea sa pe termen lung, adică frâna Westinghouse nu avea un mod reacoperiș. Acest lucru nu a permis controlul precis al vitezei trenului.
În al doilea rând, frâna Westinghouse nu a funcționat bine la trenurile lungi și, deși acest lucru putea fi cumva tolerat în traficul de pasageri, au apărut probleme în traficul de marfă. Îți amintești valul de frânare? Așadar, frâna Westinghouse nu avea mijloacele pentru a-și crește viteza, iar într-un tren lung, scăderea presiunii lichidului de frână pe ultimul vagon ar putea începe prea târziu și cu o rată semnificativ mai mică decât la capul tren, care a creat o funcționare neuniformă sălbatică a dispozitivelor de frână peste tren.
Trebuie spus că toate activitățile companiei Westinghouse, atât în Rusia la acea vreme, cât și în întreaga lume, sunt complet saturate cu parfumul capitalist al războaielor de brevete și al concurenței neloiale. Acesta este ceea ce a asigurat unui sistem atât de imperfect o viață atât de lungă, cel puțin în acea perioadă istorică.
Cu toate acestea, trebuie recunoscut că frâna Westinghouse a pus bazele științei frânării și principiul funcționării acesteia a rămas neschimbat în frânele moderne pentru material rulant.
2. De la frâna Westinghouse la frâna Matrosov - formarea științei frânării interne.
Aproape imediat după apariția frânei Westinghouse și constatarea deficiențelor sale, au apărut încercări de îmbunătățire a acestui sistem sau de a crea altul, fundamental nou. Țara noastră nu a făcut excepție. La începutul secolului al XX-lea, Rusia avea o rețea dezvoltată de căi ferate, care a jucat un rol semnificativ în asigurarea dezvoltării economice și a capacității de apărare a țării. Creșterea eficienței transportului este asociată cu o creștere a vitezei de mișcare a acestuia și a masei mărfurilor transportate simultan, ceea ce înseamnă că au fost ridicate urgent problemele de îmbunătățire a sistemelor de frânare.
Un impuls semnificativ pentru dezvoltarea științei frânării în RSFSR și mai târziu în URSS a fost scăderea influenței marilor capitaluri occidentale, în special a companiei Westinghouse, asupra dezvoltării industriei feroviare interne după octombrie 1917.
F.P. Kazantsev (stânga) și I.K. Marinarii (dreapta) - creatorii frânei feroviare interne
Primul semn, prima realizare serioasă a tinerei științe domestice de frânare, a fost dezvoltarea inginerului Florenty Pimenovich Kazantsev. În 1921, Kazantsev a propus un sistem frână automată cu acțiune directă. Diagrama de mai jos descrie toate ideile principale introduse nu numai de Kazantsev, iar scopul acesteia este de a explica principiile de bază de funcționare a frânei automate îmbunătățite.
Frână automată cu acțiune directă: 1 - compresor; 2 - rezervor principal; 3 - linie de alimentare; 4 — macara de tren de conducător; 5 — dispozitiv de alimentare cu scurgeri a conductei de frână; 6 — linie de frână; 7 — racordarea furtunurilor de frână; 8 - supapă de capăt; 9 - supapă de închidere; 10 - supapă de reținere; 11 — rezervor de rezervă; 12 — distribuitor de aer; 13 — cilindru de frână; 14 — transmisie pârghie de frână.
Deci, prima idee principală este că presiunea din TM este controlată indirect - printr-o scădere/creștere a presiunii într-un rezervor special numit rezervor de supratensiune (UR). Este prezentat în figura din dreapta robinetului șoferului (4) și deasupra dispozitivului de alimentare pentru scurgeri de la TM (5). Densitatea acestui rezervor este mult mai ușor de asigurat din punct de vedere tehnic decât densitatea liniei de frână - o conductă care ajunge la câțiva kilometri în lungime și care străbate întregul tren. Stabilitatea relativă a presiunii în UR face posibilă menținerea presiunii în TM, folosind presiunea din UR ca una de referință. Într-adevăr, pistonul din dispozitivul (5) atunci când presiunea în TM scade, deschide supapa care umple TM din conducta de alimentare, menținând astfel o presiune în TM egală cu presiunea din UR. Această idee mai avea un drum lung de parcurs, dar acum presiunea din TM nu depindea de prezența unor scurgeri externe din acesta (până la anumite limite). Dispozitivul 5 a migrat la macaraua operatorului și rămâne acolo, într-o formă modificată, până în prezent.
O altă idee importantă care stă la baza proiectării acestui tip de frână este alimentarea cu energie din lichidul de frână prin supapa de reținere 10. Când presiunea din supapa de frână depășește presiunea din supapa de frână, această supapă se deschide, umplând supapa de la frână. fluid. În acest fel, scurgerile sunt completate în mod continuu din rezervorul de rezervă și frâna nu se epuizează.
A treia idee importantă propusă de Kazantsev este proiectarea unui distribuitor de aer care funcționează pe diferența de nu două presiuni, ci trei - presiune în conducta de frână, presiune în cilindrul de frână și presiune într-o cameră de lucru specială (WC), care, în timpul eliberării, este alimentat de presiunea din conducta de frână, împreună cu un rezervor de rezervă. În modul de frânare, presiunea de încărcare este deconectată de la rezervorul de rezervă și de linia de frână, menținând valoarea presiunii de încărcare inițială. Această proprietate este utilizată pe scară largă în frânele de material rulant atât pentru a asigura eliberarea treptată, cât și pentru a controla uniformitatea umplerii TC de-a lungul trenului în trenurile de marfă, deoarece camera de lucru servește ca standard pentru presiunea inițială de încărcare. Pe baza valorii sale, este posibil să se ofere o eliberare treptată și să se organizeze umplerea mai devreme a centrului comercial în mașinile de coadă. Voi lăsa o descriere detaliată a acestor lucruri pentru alte articole pe această temă, dar deocamdată voi spune doar că munca lui Kazantsev a servit drept stimulent pentru dezvoltarea unei școli științifice în țara noastră, ceea ce a dus la dezvoltarea sisteme de frânare a materialului rulant.
Un alt inventator sovietic care a influențat radical dezvoltarea frânelor autohtone pentru material rulant a fost Ivan Konstantinovici Matrosov. Ideile sale nu erau fundamental diferite de ideile lui Kazantsev, cu toate acestea, testele operaționale ulterioare ale sistemelor de frânare Kazantsev și Matrosov (împreună cu alte sisteme de frânare) au arătat superioritatea semnificativă a celui de-al doilea sistem în ceea ce privește caracteristicile de performanță atunci când este utilizat în principal pe trenurile de marfă. Astfel, frâna Matrosov cu distribuitor de aer este condiționată. Nr. 320 a devenit baza pentru dezvoltarea și proiectarea în continuare a echipamentelor de frânare pentru căile ferate cu ecartament de 1520 mm. O frână automată modernă folosită în Rusia și țările CSI poate purta pe bună dreptate numele de frână Matrosov, deoarece a absorbit, în stadiul inițial al dezvoltării sale, ideile și soluțiile de proiectare ale lui Ivan Konstantinovici.
În loc de concluzie
Care este concluzia? Lucrul la acest articol m-a convins că subiectul este demn de o serie de articole. În acest articol pilot, am atins istoria dezvoltării frânelor pentru material rulant. În cele ce urmează vom intra în detalii suculente, atingând nu numai frâna autohtonă, ci și evoluțiile colegilor din Europa de Vest, evidențiind designul frânelor de diferite tipuri și tipuri de serviciu de material rulant. Așadar, sper că subiectul va fi interesant și ne revedem pe hub!
Vă mulțumim pentru atenție!
Sursa: www.habr.com