Kinetická energia Sapsanu pri maximálnej rýchlosti je viac ako 1500 megajoulov. Na úplné zastavenie musí byť všetko rozptýlené brzdovými zariadeniami.
Bola tam jedna vec práve tu na Habré. Vychádza tu pomerne veľa prehľadových článkov na železničnú tematiku, no táto téma ešte nie je podrobne spracovaná. Myslím, že by bolo celkom zaujímavé napísať o tom článok a možno aj viac ako jeden. Preto prosím o mačku tých, ktorých zaujíma, ako sú riešené brzdové sústavy železničnej dopravy, a z akých dôvodov sú takto konštruované.
1. História vzduchovej brzdy
Úloha ovládať akékoľvek vozidlo zahŕňa reguláciu jeho rýchlosti. Železničná doprava nie je výnimkou, navyše jej konštrukčné vlastnosti vnášajú do tohto procesu výrazné nuansy. Vlak pozostáva z veľkého množstva vzájomne prepojených vozňov a výsledný systém má značnú dĺžku a hmotnosť pri veľmi slušnej rýchlosti.
A-priory, brzdy sú súborom zariadení určených na vytváranie umelých, nastaviteľných odporových síl používaných na kontrolovateľné zníženie rýchlosti vozidla.
Najzrejmejším spôsobom vytvorenia brzdnej sily na povrchu je použitie trenia. Od samého začiatku až dodnes sa používajú čeľusťové trecie brzdy. Špeciálne zariadenia - brzdové doštičky, vyrobené z materiálu s vysokým koeficientom trenia, sú mechanicky pritláčané na valivý povrch kolesa (alebo na špeciálne kotúče namontované na osi dvojkolesia). Medzi doštičkami a kolesom vzniká trecia sila, ktorá vytvára brzdný moment.
Brzdná sila sa nastavuje zmenou sily tlaku doštičiek na koleso - brzdový tlak. Jedinou otázkou je, aký pohon sa používa na stláčanie doštičiek a čiastočne aj história bŕzd je históriou vývoja tohto pohonu.
Prvé železničné brzdy boli mechanické a obsluhovali ich ručne, samostatne na každom vozni špeciálni ľudia – brzdári alebo sprievodcovia. Vodiči sa nachádzali na takzvaných brzdových plošinách, ktorými bol každý vozeň vybavený, a brzdili na znamenie rušňovodiča. Výmena návestidiel medzi rušňovodičom a sprievodcami prebiehala pomocou špeciálneho signálneho lana natiahnutého pozdĺž celého vlaku, ktoré aktivovalo špeciálnu píšťalku.
Vintage dvojnápravový nákladný vozeň s brzdovým obložením. Viditeľný gombík ručnej brzdy
Samotná mechanicky poháňaná brzda má malý výkon. Veľkosť brzdného tlaku závisela od sily a obratnosti vodiča. Do chodu takéhoto brzdového systému navyše zasahoval ľudský faktor – vodiči si nie vždy správne plnili svoje povinnosti. O vysokej účinnosti takýchto bŕzd, ako aj o zvýšení rýchlosti nimi vybavených vlakov, nebolo potrebné hovoriť.
Ďalší vývoj bŕzd si vyžiadal po prvé zvýšenie brzdného tlaku a po druhé možnosť diaľkového ovládania všetkých áut z pracoviska vodiča.
Hydraulický pohon používaný v automobilových brzdách sa rozšíril vďaka tomu, že poskytuje vysoký tlak s kompaktnými ovládačmi. Pri použití takéhoto systému vo vlaku sa však objaví jeho hlavná nevýhoda: potreba špeciálnej pracovnej kvapaliny - brzdovej kvapaliny, ktorej únik je neprijateľný. Veľká dĺžka brzdových hydraulických vedení vo vlaku spolu s vysokými požiadavkami na ich tesnosť znemožňujú a iracionálne vytvárajú hydraulickú železničnú brzdu.
Ďalšia vec je pneumatický pohon. Použitie vysokotlakového vzduchu umožňuje dosiahnuť vysoké brzdové tlaky pri akceptovateľných rozmeroch akčných členov - brzdových valcov. O pracovnú kvapalinu nie je núdza – vzduch je všade okolo nás a ak aj dôjde k úniku pracovnej kvapaliny z brzdového systému (a to určite má), dá sa pomerne jednoducho doplniť.
Najjednoduchší brzdový systém využívajúci energiu stlačeného vzduchu je priamočinná neautomatická brzda
Schéma priamočinnej neautomatickej brzdy: 1 - kompresor; 2 - hlavná nádrž; 3 - prívodné vedenie; 4 — žeriav rušňovodiča; 5 - brzdové vedenie; 6 — brzdový valec; 7 — uvoľňovacia pružina; 8, 9 — mechanický brzdový prevod; 10 - brzdová doštička.
Na obsluhu takejto brzdy je potrebná zásoba stlačeného vzduchu, uložená na rušni v špeciálnej nádrži tzv. hlavná nádrž (2). Vykonáva sa vstrekovanie vzduchu do hlavnej nádrže a udržiavanie konštantného tlaku v nej kompresor (1), poháňaný rušňovou elektrárňou. Stlačený vzduch sa do ovládacích zariadení bŕzd privádza špeciálnym potrubím tzv nutričné (NM) alebo tlak diaľnica (3).
Brzdy vozňov sú ovládané a stlačený vzduch je k nim privádzaný dlhým potrubím prechádzajúcim celým vlakom a tzv. brzdové vedenie (TM) (5). Keď sa stlačený vzduch dodáva cez TM, naplní sa brzdové valce (TC) (6) pripojený priamo k TM. Stlačený vzduch tlačí na piest a tlačí brzdové doštičky 10 proti kolesám ako na lokomotíve, tak aj na vozňoch. Dochádza k brzdeniu.
Prestať brzdiť, tzn zanechať brzdy, je potrebné vypustiť vzduch z brzdového vedenia do atmosféry, čo povedie k návratu brzdových mechanizmov do pôvodnej polohy vplyvom sily vypínacích pružín inštalovaných v TK.
Na brzdenie je potrebné prepojiť brzdové vedenie (TM) s prívodným vedením (PM). Na dovolenku pripojte brzdové vedenie k atmosfére. Tieto funkcie vykonáva špeciálne zariadenie - žeriav rušňovodiča (4) - pri brzdení spája PM a PM, pri uvoľnení tieto potrubia odpája, pričom súčasne vypúšťa vzduch z PM do atmosféry.
V takomto systéme existuje tretia stredná poloha žeriavu vodiča - strecha keď sú PM a TM oddelené, ale nedochádza k uvoľneniu vzduchu z TM do atmosféry, žeriav vodiča ho úplne izoluje. Tlak akumulovaný v TM a TC je udržiavaný a čas jeho udržania na nastavenej úrovni je daný veľkosťou úniku vzduchu rôznymi netesnosťami, ako aj tepelným odporom brzdových doštičiek, ktoré sa zohrievajú pri trení o pneumatiky kolies. Jeho umiestnenie v strope počas brzdenia aj pri uvoľňovaní umožňuje nastavovať brzdnú silu v krokoch. Tento typ brzdy poskytuje krokové brzdenie aj krokové uvoľnenie.
Napriek jednoduchosti takéhoto brzdového systému má fatálnu chybu – pri odpojení vlaku praskne brzdové vedenie, uniká z neho vzduch a vlak ostane bez bŕzd. Práve z tohto dôvodu nie je možné takúto brzdu použiť v železničnej doprave, náklady na jej poruchu sú príliš vysoké. Aj bez roztrhnutia vlaku sa pri veľkom úniku vzduchu zníži účinnosť bŕzd.
Na základe uvedeného vzniká požiadavka, aby brzdenie vlaku bolo iniciované nie zvýšením, ale poklesom tlaku v TM. Ale ako potom naplniť brzdové valce? Z toho vyplýva aj druhá požiadavka – každá pohybujúca sa jednotka vo vlaku musí mať zásobu stlačeného vzduchu, ktorú treba po každom brzdení promptne doplniť.
Inžinierske myslenie na konci 1872. storočia dospelo k podobným záverom, ktoré vyústili do vytvorenia prvej automatickej železničnej brzdy od Georgea Westinghousea v roku XNUMX.
Brzdové zariadenie Westinghouse: 1 - kompresor; 2 - hlavná nádrž; 3 - prívodné vedenie; 4 — žeriav rušňovodiča; 5 - brzdové vedenie; 6 — rozdeľovač vzduchu (trojitý ventil) systému Westinghouse; 7 — brzdový valec; 8 — náhradná nádrž; 9 - uzatvárací ventil.
Na obrázku je znázornená konštrukcia tejto brzdy (Obrázok a - činnosť brzdy pri uvoľnení; b - činnosť brzdy počas brzdenia). Hlavným prvkom brzdy Westigauze bola rozdeľovač brzdového vzduchu alebo, ako sa niekedy hovorí, trojitý ventil. Tento rozdeľovač vzduchu (6) má citlivý orgán - piest, ktorý funguje na rozdiel medzi dvoma tlakmi - v brzdovom potrubí (TM) a rezervnej nádržke (R). Ak sa tlak v TM zníži ako v TC, piest sa posunie doľava, čím sa otvorí cesta pre vzduch z CM do TC. Ak sa tlak v TM stane väčším ako tlak v SZ, piest sa posunie doprava, čím komunikuje TC s atmosférou a súčasne komunikuje TM a SZ, čím sa zabezpečí, že sa naplní stlačeným vzduchom z TM.
Ak teda z akéhokoľvek dôvodu poklesne tlak v TM, či už ide o činnosť rušňovodiča, nadmerný únik vzduchu z TM alebo prasknutie vlaku, brzdy budú fungovať. To znamená, že takéto brzdy majú automatická akcia. Táto vlastnosť brzdy umožnila pridať ďalšiu možnosť ovládania bŕzd vlaku, ktorá sa na osobných vlakoch používa dodnes - núdzové zastavenie vlaku cestujúcim komunikáciou brzdového vedenia s atmosférou cez špeciálny ventil - núdzová brzda (9).
Pre tých, ktorí sú oboznámení s touto funkciou brzdového systému vlaku, je zábavné sledovať filmy, v ktorých zlodeji-kovboji slávne odpájajú vagón so zlatom z vlaku. Aby to bolo možné, musia kovboji pred odpojením uzavrieť koncové ventily na brzdovom potrubí, ktoré oddeľuje brzdové potrubie od spojovacích hadíc medzi autami. Ale nikdy to neurobia. Na druhej strane, uzavreté koncové ventily viac ako raz spôsobili hrozné katastrofy spojené so zlyhaním bŕzd u nás (Kamensk v roku 1987, Eral-Simskaya v roku 2011) aj v zahraničí.
Vzhľadom na to, že k plneniu brzdových valcov dochádza zo sekundárneho zdroja stlačeného vzduchu (náhradná nádrž), bez možnosti jeho neustáleho dopĺňania, je takáto brzda tzv. nepriamo pôsobiace. K naplneniu brzdy stlačeným vzduchom dochádza až pri uvoľnení brzdy, čo vedie k tomu, že pri častom brzdení s následným odbrzďovaním, ak po uvoľnení nie je dostatočný čas, sa brzda nestihne nabiť na požadovaný tlak. To môže mať za následok úplné vyčerpanie brzdy a stratu kontroly nad brzdami vlaku.
Pneumatická brzda má aj ďalšiu nevýhodu súvisiacu s tým, že pokles tlaku v brzdovom potrubí sa ako každá porucha šíri vzduchom vysokou, ale stále konečnou rýchlosťou - nie viac ako 340 m/s. Prečo nie viac? Pretože rýchlosť zvuku je ideálna. Ale v pneumatickom systéme vlaku existuje množstvo prekážok, ktoré znižujú rýchlosť šírenia poklesu tlaku spojeného s odporom voči prúdeniu vzduchu. Preto, pokiaľ sa neprijmú špeciálne opatrenia, miera znižovania tlaku v TM bude tým nižšia, čím ďalej bude vozeň od lokomotívy. V prípade brzdy Westinghouse je rýchlosť tzv brzdná vlna nepresahuje 180 - 200 m/s.
Nástup pneumatickej brzdy však umožnil zvýšiť ako výkon bŕzd, tak aj efektivitu ich ovládania priamo z pracoviska rušňovodiča.To poslúžilo ako silný impulz pre rozvoj železničnej dopravy, zvýšenie rýchlosti a hmotnosti vozidiel. vlakov a v dôsledku toho kolosálny nárast obratu nákladnej dopravy na železnici, nárast dĺžky železničných tratí po celom svete.
George Westinghouse bol nielen vynálezca, ale aj podnikavý obchodník. Svoj vynález si patentoval už v roku 1869, čo mu umožnilo spustiť sériovú výrobu brzdových zariadení. Pomerne rýchlo sa brzda Westinghouse rozšírila v USA, západnej Európe a Ruskej ríši.
V Rusku kraľovala brzda Westinghouse až do októbrovej revolúcie a ešte dlho po nej. Spoločnosť Westinghouse vybudovala v Petrohrade vlastný závod na výrobu bŕzd a tiež šikovne vytlačila konkurentov z ruského trhu. Brzda Westinghouse však mala niekoľko zásadných nevýhod.
Po prvé, táto brzda poskytovala iba dva prevádzkové režimy: brzdenie kým sa brzdové valce úplne nenaplnia a dovolená — vyprázdnenie brzdových valcov. Pri jej dlhodobej údržbe nebolo možné vytvoriť strednú hodnotu brzdného tlaku, to znamená, že brzda Westinghouse nemala režim strecha. To neumožňovalo presné riadenie rýchlosti vlaku.
Po druhé, brzda Westinghouse nefungovala dobre na dlhých vlakoch a zatiaľ čo v osobnej doprave sa to dalo nejako tolerovať, v nákladnej doprave nastali problémy. Pamätáte si brzdnú vlnu? Brzda Westinghouse teda nemala prostriedky na zvýšenie rýchlosti a v dlhom vlaku mohol pokles tlaku v brzdovej kvapaline na poslednom vagóne začať príliš neskoro a rýchlosťou výrazne nižšou ako na čele vlaku. vlaku, čo spôsobilo divoký nerovnomerný chod brzdových zariadení naprieč vlakom.
Treba povedať, že všetky aktivity firmy Westinghouse ako v vtedajšom Rusku, tak aj na celom svete sú poriadne presýtené kapitalistickou vôňou patentových vojen a nekalej konkurencie. Práve to zabezpečilo takémuto nedokonalému systému takú dlhú životnosť, aspoň v tom historickom období.
Pri tomto všetkom treba uznať, že brzda Westinghouse položila základy vedy o brzdení a princíp jej fungovania zostal v moderných brzdách koľajových vozidiel nezmenený.
2. Od brzdy Westinghouse k brzde Matrosov - formovanie domácej vedy o brzdení.
Takmer okamžite po objavení sa brzdy Westinghouse a uvedomení si jej nedostatkov vznikli pokusy tento systém vylepšiť, prípadne vytvoriť iný, zásadne nový. Naša krajina nebola výnimkou. Začiatkom 20. storočia malo Rusko rozvinutú sieť železníc, ktorá zohrala významnú úlohu pri zabezpečovaní ekonomického rozvoja a obranyschopnosti krajiny. Zvyšovanie efektívnosti dopravy je spojené so zvýšením rýchlosti jej pohybu a hmotnosti súčasne prepravovaného nákladu, čo znamená, že sa naliehavo otvorili otázky zlepšenia brzdových systémov.
Významným impulzom pre rozvoj vedy o brzdení v RSFSR a neskôr ZSSR bolo zníženie vplyvu veľkého západného kapitálu, najmä spoločnosti Westinghouse, na rozvoj domáceho železničného priemyslu po októbri 1917.
F.P. Kazantsev (vľavo) a I.K. Námorníci (vpravo) - tvorcovia domácej železničnej brzdy
Prvým znakom, prvým vážnym úspechom mladej domácej vedy o brzdení, bol vývoj inžiniera Florentyho Pimenoviča Kazantseva. V roku 1921 navrhol Kazantsev systém priamočinná automatická brzda. Nižšie uvedený diagram popisuje všetky hlavné myšlienky, ktoré predstavil nielen Kazantsev, a jeho účelom je vysvetliť základné princípy fungovania vylepšenej automatickej brzdy
Priamočinná automatická brzda: 1 - kompresor; 2 - hlavná nádrž; 3 - prívodné vedenie; 4 — žeriav rušňovodiča; 5 — zariadenie na prívod netesnosti v brzdovom potrubí; 6 — brzdové vedenie; 7 — spojovacie brzdové hadičky; 8 - koncový ventil; 9 - uzatvárací ventil; 10 - spätný ventil; 11 — náhradná nádrž; 12 — rozdeľovač vzduchu; 13 — brzdový valec; 14 — prevodovka brzdovej páky.
Takže, prvá hlavná myšlienka je, že tlak v TM je riadený nepriamo – cez pokles/zvýšenie tlaku v špeciálnom zásobníku tzv. vyrovnávacia nádrž (UR). Je znázornené na obrázku vpravo od kohútika vodiča (4) a na vrchu napájacieho zariadenia pre úniky z TM (5). Hustotu tohto rezervoáru je technicky možné zabezpečiť oveľa jednoduchšie ako hustotu brzdového vedenia - niekoľko kilometrov dlhého potrubia prechádzajúceho celým vlakom. Relatívna stabilita tlaku v UR umožňuje udržiavať tlak v TM s použitím tlaku v UR ako referenčného. Piest v zariadení (5) pri poklese tlaku v TM skutočne otvorí ventil, ktorý plní TM z prívodného potrubia, čím sa udržiava tlak v TM rovný tlaku v UR. Táto myšlienka mala pred sebou ešte dlhú cestu vo vývoji, ale teraz tlak v TM nezávisel od prítomnosti vonkajších únikov z nej (do určitých limitov). Zariadenie 5 migrovalo na žeriav operátora a tam v upravenej podobe zostáva dodnes.
Ďalšou dôležitou myšlienkou, ktorá je základom konštrukcie tohto typu bŕzd, je napájanie z brzdovej kvapaliny cez spätný ventil 10. Keď tlak v brzdovom ventile prekročí tlak v brzdovom ventile, tento ventil sa otvorí a naplní ventil z brzdy tekutina. Netesnosti sa tak priebežne dopĺňajú z rezervnej nádržky a nedochádza brzda.
Treťou dôležitou myšlienkou, ktorú navrhol Kazantsev, je návrh rozdeľovača vzduchu, ktorý pracuje na rozdiele nie dvoch tlakov, ale troch - tlaku v brzdovom potrubí, tlaku v brzdovom valci a tlaku v špeciálnej pracovnej komore (WC), ktorý je pri odbrzďovaní napájaný tlakom z brzdového vedenia spolu s náhradnou nádržou. V režime brzdenia je plniaci tlak odpojený od rezervného zásobníka a brzdového vedenia, pričom sa udržiava hodnota počiatočného plniaceho tlaku. Táto vlastnosť je široko používaná v brzdách koľajových vozidiel na zabezpečenie postupného uvoľňovania a na kontrolu rovnomernosti plnenia TC pozdĺž vlaku v nákladných vlakoch, pretože pracovná komora slúži ako štandard pre počiatočný plniaci tlak. Na základe jeho hodnoty je možné zabezpečiť postupné uvoľňovanie a organizovať skoršie naplnenie obchodného centra v zadných vozňoch. Podrobný popis týchto vecí si nechám na ďalšie články na túto tému, ale zatiaľ poviem len toľko, že Kazantsevova práca slúžila ako podnet pre rozvoj vedeckej školy u nás, čo viedlo k rozvoju pôvodných brzdové systémy koľajových vozidiel.
Ďalším sovietskym vynálezcom, ktorý radikálne ovplyvnil vývoj bŕzd domácich koľajových vozidiel, bol Ivan Konstantinovič Matrosov. Jeho myšlienky sa zásadne nelíšili od myšlienok Kazantseva, avšak následné prevádzkové testy brzdových systémov Kazantsev a Matrosov (spolu s inými brzdovými systémami) ukázali významnú prevahu druhého systému z hľadiska výkonových charakteristík, keď sa používal predovšetkým na nákladných vlakoch. Brzda Matrosov s rozdeľovačom vzduchu je teda podmienená. 320 sa stal základom pre ďalší vývoj a konštrukciu brzdových zariadení pre železničné trate s rozchodom 1520 mm. Moderná automatická brzda používaná v Rusku a krajinách SNŠ môže právom niesť názov Matrosovova brzda, pretože v počiatočnom štádiu svojho vývoja absorbovala nápady a konštrukčné riešenia Ivana Konstantinoviča.
namiesto záveru
Aký je záver? Práca na tomto článku ma presvedčila, že téma je hodná série článkov. V tomto pilotnom článku sme sa dotkli histórie vývoja bŕzd koľajových vozidiel. Ďalej pôjdeme do šťavnatých detailov, ktoré sa dotknú nielen domácej brzdy, ale aj vývoja kolegov zo západnej Európy, pričom vyzdvihneme dizajn bŕzd rôznych typov a typov prevádzky koľajových vozidiel. Takže dúfam, že téma bude zaujímavá a že sa opäť uvidíme na hube!
Ďakujem za tvoju pozornosť!
Zdroj: hab.com