Kinetička energija „Sapsana“ pri maksimalnoj brzini prelazi 1500 megadžula. Da bi se potpuno zaustavila, sva ta energija mora biti raspršena na kočionim uređajima.
Bilo je to, upravo ovde, na Habru. Objavljuje se prilično veliki broj preglednih članaka o železnici, međutim, ova tema još nije detaljno obrađena. Mislim da bi bilo veoma zanimljivo napisati članak o tome, a moguće i više od jednog. Zato molim sve koji su zainteresovani da saznaju kako su napravljeni kočioni sistemi železničkog transporta, i iz kojih razloga su tako konstruisani.
1. Istorija pojave pneumatske kočnice
Zadatak upravljanja bilo kojim transportom uključuje regulisanje njegove brzine. Železnički transport nije izuzetak, štaviše, njegovi konstruktivni karakteristike donose značajne nijanse u ovaj proces. Voz se sastoji od velikog broja međusobno povezanih vagona, a dobijeni sistem ima značajnu dužinu i masu pri prilično visokoj brzini kretanja.
Po definiciji, kočnice su skup uređaja namenjenih za stvaranje veštačkih, regulisanih otpora, koji se koriste za kontrolisano smanjenje brzine kretanja vozila.
Najočigledniji, površinski način stvaranja kočionog napora jeste korišćenje trenja. Od samog početka, pa do danas, koristi se obručni frikcioni kočnica. Specijalni uređaji — kočioni obruči, napravljeni od materijala sa visokim koeficijentom trenja, mehanički se prilegnu o površinu kotura (ili na specijalne diskove smeštene na osovini točka). Između obruča i točka nastaje sila trenja koja stvara kočioni moment.
Regulisanje kočionog napora obavlja se promenom sile pritiska obruča na točak — kočionim pritiskom. Pitanje je samo koji mehanizam se koristi za pritisak obruča, i istorija kočnica, delimično, jeste istorija razvoja tog mehanizma.
Prvi železniški zavorni sistemi so bili mehanski in so jih ročno aktivirali posebni delavci na vsakem vagonu - zavorniki ali kontrolorji. Kontrolorji so se nahajali na tako imenovanih zavornih platformah, opremljenih v vsakem vagonu, in so aktivirali zavore na signal strojvode. Izmenjava signalov med strojvodjem in kontrolorji je potekala s pomočjo posebnega signalnega vrvica, napete po celotnem vlaku, ki je aktivirala poseben pisk.
Stari dvosedni tovorni vagon z zavorno platformo. Vidna je ročica ročne zavore.
Sam mehanični zavorni sistem ima majhno moč. Moč zavornega pritiska je bila odvisna od moči in spretnosti kontrolorja. Poleg tega je pri delovanju takšnega zavornega sistema posredoval človeški dejavnik - kontrolorji niso vedno pravilno opravljali svojih nalog. O visoki učinkovitosti teh zavor in tudi o povečanju hitrosti vlakov, opremljenih z njimi, ni bilo mogoče govoriti.
Nadaljnji razvoj zavor je zahteval, prvič, povečanje zavornega pritiska, in drugič — omogočanje daljinskega upravljanja na vseh vagoni z delovnega mesta strojvode.
Hidravlično upravljanje, uporabljeno v avtomobilskih zavorah, je postalo široko razširjeno, ker zagotavlja visok pritisk pri kompaktnosti izvršnih naprav. Vendar pa se ob uporabi takšne sistema v vlaku pokaže njen glavni pomanjkljivost: nujnost po posebnem delovnem telesu - zavorni tekočini, katere uhajanje je nesprejemljivo. Dolga razdalja hidravličnih zavornih cevi v vlaku, skupaj z visokimi zahtevami po njihovi tesnosti, onemogoča in racionalno ustvarjanje hidravličnega železniškega zavornega sistema.
Drugače pa je s pnevmatskim upravljanjem. Uporaba zraka pod visokim pritiskom omogoča dosego visokih zavornih pritiskov pri sprejemljivih dimenzijah izvršnih naprav - zavornih cilindrov. Ni pomanjkanja delovnega telesa - zrak je okoli nas, in celo če pride do uhajanja delovnega telesa iz zavornega sistema (kar se neizogibno zgodi), ga je razmeroma enostavno nadomestiti.
Najpreprostejši sistem zavore, ki uporablja energijo stisnjenega zraka, je direktni neavtomatski zavorni sistem
Shema direktnega neavtomatskega zavora: 1 — kompresor; 2 — glavni rezervoar; 3 — prehranska cev; 4 — kran strojevodje; 5 — zavorna cev; 6 — zavorni cilindri; 7 — sprostitvena vzmet; 8, 9 — mehanska zavorna prenos; 10 — zavorna obloga.
Za delovanje te zavore je potreben zalog stisnjenega zraka, shranjenega na lokomotivi v posebnem rezervoarju, ki se imenuje glavni rezervoar (2). Kompresija zraka v glavni rezervoar in vzdrževanje stalnega tlaka se opravi s kompresorjem (1), ki ga poganja energijska enota lokomotive. Prenašanje stisnjenega zraka do kontrolnih naprav zavor poteka po posebni cevovodu, imenovani prehranski (PM) ili tlak cevovod (3).
Upravljanje z zavornimi sistemi v vagonih ter dovod stisnjenega zraka vanje se izvaja preko dolgega cevovoda, ki se razteza čez celoten vlak in se imenuje zavorna cev (TM) (5). Pri dovodu stisnjenega zraka po TM napolni zavorne cilindre (TC) (6), ki so neposredno povezani s TM. Stisnjen zrak pritisne na bat, kar pritisne zavorne obloge 10 na kolesa, tako na lokomotivi kot na vagonih. Zavorni postopek se zgodi.
Za prekinitev zaviranja, torej sproščanja zavor, je potrebno izpustiti zrak iz zavorne cevovoda v atmosfero, kar bo privedlo do vrnitve zavornih mehanizmov v izhodiščni položaj zaradi delovanja sprostitvenih vzmeti, nameščenih v TC.
Za zaviranje je potrebno povezati zavorno cev (TM) s prehransko cevjo (PM). Za sproščanje — povezati zavorno cev z atmosfero. Te funkcije opravlja poseben aparat — kran strojevodje (4) — pri zaviranju poveže PM in TM, pri sproščanju — ločuje te cevovode in hkrati izpušča zrak iz TM v atmosfero.
V takem sistemu obstaja tudi tretji, vmesni položaj krana strojevodje — zapornica Ko se PM in TM nista povezana, vendar zračni izpust iz TM v atmosfero ne nastane - ventil za strojevodjo jo popolnoma izolira. Nabran tlak v TM in TC se ohranja, čas njegovega vzdrževanja na določeni ravni pa določa velikost uhajanja zraka skozi različne nepravilnosti ter toplotna vzdržljivost zavornic, ki se segrevajo pri trenju o obroče koles. Postavitev v prekrižja tako pri zaviranju kot pri sproščanju omogoča regulacijo zavorne sile v stopnjah. Tak zavorni sistem zagotavlja tako stopničasto zaviranje kot tudi stopničasto sproščanje.
Kljub preprostosti takšnega zavornega sistema ima usodno pomanjkljivost - pri razklopu vlaka pride do preloma zavorne magistrale, zrak iz nje izteka in vlak ostane brez zavor. Prav zaradi tega razlog ta zavorni sistem ne more biti uporabljen v železniškem prometu, prevelik je strošek njegove okvare. Tudi brez preloma vlaka, ob prisotnosti večjega uhajanja zraka, bo učinkovitost zavore zmanjšana.
Iz zgoraj navedenega izhaja zahteva, da se zaviranje vlaka sproži ne z naraščanjem, temveč z zniževanjem tlaka v TM. A kako nato napolniti zavorne cilindre? To prinaša drugo zahtevo - na vsaki premični enoti v vlaku mora biti shranjen rezervoar stisnjenega zraka, ki ga je treba hitro dopolniti po vsakem zaviranju.
Do podobnih sklepov je prišla inženirska misel konca 19. stoletja, kar se je izrazilo v ustvarjanju prvega avtomatskega železniškega zavornega sistema Georga Westinghousa leta 1872.
Ureditev zavornega sistema Westinghousa: 1 - kompresor; 2 - glavni rezervoar; 3 - napajalna magistrala; 4 - vlakovni ventil strojevodje; 5 - zavorna magistrala; 6 - zračni razdeljevalnik (trojni ventil) sistema Westinghousa; 7 - zavorni cilindri; 8 - rezerva; 9 - ustavni ventil.
Na risbi je prikazana zasnova te zavore (slika a - delovanje zavore pri sproščanju; b - delovanje zavore pri zaviranju). Glavni element zavore Westinghousa je postal zračni razdeljevalnik zavore ali, kot ga imenujejo tudi, trojni ventilTa distribucija zraka (6) ima osjetljivi organ — klip, koji djeluje na razlici dviju pritisaka — u kočionoj magistrali (KM) i rezervnom rezervoaru (RR). Ako pritisak u KM postane manji od pritiska u RR, klip se pomiče lijevo, otvarajući put zraku iz RR u TC. Ako pritisak u KM postane veći od pritiska u RR — klip se pomiče desno, povezujući TC s atmosferom, a istovremeno povezuje KM i RR, omogućavajući punjenje potonjeg komprimiranim zrakom iz KM.
Tako, kada dođe do smanjenja pritiska u KM iz bilo kojeg razloga, bilo da se radi o radnji mašinista, pretjeranom curenju zraka iz KM ili rupturi voza — kočnice će djelovati. To jest, takve kočnice posjeduju automatsku funkciju. Ova osobina kočnice omogućila je dodavanje još jedne mogućnosti upravljanja kočnicama voza, koja se koristi na putničkim vozovima i danas — hitno zaustavljanje voza od strane putnika, putem povezivanja kočione magistrale s atmosferom preko posebnog ventila — stop-krajnji ventil (9).
Onima koji su upoznati s ovom karakteristikom kočionog sistema voza smiješno je gledati filmove u kojima pljačkaši-kauboji spretnos skidaju vagone s zlatom iz voza. Da bi se nešto slično moglo ostvariti, kauboji moraju, prije skidanja, zatvoriti završne ventile na kočionoj magistrali, koji razdvajaju kočionu magistralu od spojnih crijeva između vagona. No, to nikada ne rade. S druge strane, zatvoreni završni ventili su više puta bili uzrok strašnih katastrofa, povezanih s neispravnim kočnicama, kako kod nas (Kamenjsk 1987. godine, Jeral-Simska 2011), tako i u inozemstvu.
Zbog toga što punjenje kočionih cilindara dolazi iz sekundarnog izvora komprimiranog zraka (rezervnog rezervoara), bez mogućnosti njegovog stalnog dopunjavanja, takva kočnica se naziva neizravnom. Punjenje RR komprimiranom zrakom događa se samo prilikom otpuštanja kočnice, što dovodi do situacije da, pri čestim kočenjima s naknadnim otpuštanjem, pri nedovoljnom vremenskom razmaku nakon otpuštanja, RR ne uspijeva napuniti do potrebnog pritiska. To može dovesti do potpunog istrošenja kočnice i gubitka kontrole nad kočnicama voza.
Pnevmatični zavor ima še eno pomanjkljivost, povezano s tem, da se padec tlaka v zavorni črti, tako kot katera koli motnja, v zračni sredini širi s hitrosti, ki je velika, a kljub temu končna — ne več kot 340 m/s. Zakaj ne več? Ker je hitrost zvoka idealna različica. Vendar pa v pnevmatskem sistemu vlakov obstaja vrsta ovir, ki zmanjšujejo hitrost širjenja skoka padca tlaka, povezanega s trenjem ob zraku. Zato, če ne sprejmemo posebnih ukrepov, bo hitrost padca tlaka v TM toliko nižja, kolikor dlje od lokomotive se nahaja vagon. V primeru zavornega sistema Westinghouse hitrost tako imenovane zavorne valove ne presega 180 – 200 m/s.
Kljub temu je pojav pnevmatične zavore omogočil povečanje tako moči zavor kot tudi operativnosti njihovega upravljanja neposredno z delovnega mesta strojevodje. To je dalo močan zagon razvoju železniškega prometa, povečanju hitrosti premikanja in teže vlakov ter posledično ogromnemu povečanju tovornega prometa na železnicah in rasti dolžine železniških prog po vsem svetu.
George Westinghouse ni bil le izumitelj, temveč tudi podjeten trgovec. Svojo iznajdbo je patentiral že leta 1869, kar mu je omogočilo zagon masovne proizvodnje zavorne opreme. Razmeroma hitro je zavorni sistem Westinghouse pridobil široko priljubljenost v ZDA, Zahodni Evropi in v Ruski Imperiji.
V Rusiji je zavorni sistem Westinghouse brezpogojno prevladoval do Oktobrske revolucije in še kar dolgo po njej. Podjetje „Westinghouse“ je v Sankt Peterburgu zgradilo svoj zavorni tovarni, prav tako pa je spretno izpodrinilo konkurente z ruskega trga. Vendar pa je imela zavorna naprava Westinghouse vrsto bistvenih pomanjkljivosti.
Prvič, ta zavorni sistem je omogočal le dva načina delovanja: zaviranje do popolnega polnjenja zavornih cilindrov, in opustitev — praznjenje zavornih cilindrov. Ustvarjanje vmesne vrednosti zavornega pritiska z dolgotrajnim vzdrževanjem tega ni bilo možno, torej v zavorni napravi Westinghouse ni bilo režima prekrivanja. To ni omogočilo natančnega upravljanja hitrosti vlaka.
Drugič, Westinghouseova zavora je slabo delovala v dolgih vlakih, in če se je s tem v potniškem prometu dalo nekako sprijazniti, so se v tovornih vlakih pojavile težave. Se spomnate zavorne valove? Westinghouseova zavorna naprava ni imela sredstev za povečanje njene hitrosti, in pri dolgih vlakih je lahko zmanjšanje pritiska v TM na zadnjem vagonu začelo prepozno, pa tudi s tempom, ki je bil bistveno nižji kot na začetku vlaka, kar je povzročilo divjo neenakomernost delovanja zavornih naprav po sestavi.
Treba je povedati, da je bila celotna dejavnost podjetja "Westinghouse", tako v takratni Rusiji kot po svetu, prežeta s kapitalističnim duhom patentnih vojn in nepoštene konkurence. To je omogočilo tako pomanjkljivemu sistemu tako dolgo življenje, vsaj v tem zgodovinskem obdobju.
Kljub vsemu je treba priznati, da je Westinghouseova zavora postavila temelje zavarovalne znanosti in princip njenega delovanja je ostal nespremenjen v sodobnih zavorah železniškega vozila.
2. Od Westinghouseove zavore do Matrosove zavorne naprave — oblikovanje domače zavarovalne znanosti.
Praaktično takoj po pojavu Westinghouseove zavore in spoznanju njenih pomanjkljivosti so se pojavili poskusi izboljšave tega sistema ali ustvarite drugega, popolnoma novega. Naša država ni bila izjema. Na začetku 20. stoletja je imela Rusija razvito mrežo železnic, ki je igrala pomembno vlogo pri zagotavljanju gospodarskega razvoja in obrambne sposobnosti države. Povečanje učinkovitosti prevoza je povezano z dvigom hitrosti njegovega gibanja in mase hkrati prevoženega blaga, kar pomeni, da so se vprašanja izboljšanja zavornih sistemov postavljala vse bolj zanimiva.
Pomemben spodbuda za razvoj zavarovalne znanosti v RSFSR in pozneje v ZSSR je bilo zmanjšanje vpliva velikega zahodnega kapitala, zlasti podjetja "Westinghouse", na razvoj domače železniške industrije po oktobru 1917.
F.P. Kazancev (levo) in I.K. Matrosov (desno) — ustvarjalca domače železniške zavore
Prva jata, prvi resen dosežek mlade domače zavarovalne znanosti, so bile razvojne zasnove inženirja Florenta Pimenoviča Kazanceva. Leta 1921 je Kazancev predlagal sistem direktni automatski kočnica. Prikazana shema opisuje sve osnovne ideje koje je uveo ne samo Kazancev, a njen cilj je objasniti osnovne principe rada unapređene automatske kočnice.
Direktni automatski kočnica: 1 — kompresor; 2 — glavni rezervoar; 3 — prehrambena magistrala; 4 — kolo vozača; 5 — uređaj za napajanje curenja kočionog sistema; 6 — kočioni sistem; 7 — spojne kočione cevi; 8 — krajnji ventil; 9 — zaustavni ventil; 10 — povratni ventil; 11 — rezervni rezervoar; 12 — raspodelnik vazduha; 13 — kočioni cilindar; 14 — kočioni polugasti prenos.
Dakle, prva osnovna ideja je da se upravljanje pritiskom u kočionom sistemu vrši posredno — putem smanjenja/povećanja pritiska u posebnom rezervoaru, poznatom kao izbalansirani rezervoar (IR). Prikazan je na slici desno od kola vozača (4) i iznad uređaja za napajanje curenja iz kočionog sistema (5). Postizanje gustine ovog rezervoara tehnički je mnogo lakše nego postizanje gustine kočionog sistema — cevi čija dužina dostiže kilometarske redove i prolazi kroz ceo voz. Relativna stabilnost pritiska u IR omogućava održavanje pritiska u kočionom sistemu, koristeći pritisak u IR kao referentni. Uistinu, klip u uređaju (5) pri smanjenju pritiska u kočionom sistemu spušta se, otvarajući ventil koji puni kočioni sistem iz prehrambene magistrale, čime održava pritisak u kočionom sistemu jednak pritisku u IR. Ova ideja je imala još dugi put razvoja, ali sada pritisak u kočionom sistemu nije zavisio od prisustva spoljašnjih curenja iz njega (do poznatih granica). Uređaj 5 je prešao u kolo vozača i ostaje u njemu, u modifikovanom obliku, i do danas.
Druga važna ideja koja leži u osnovi konstrukcije ove vrste kočnice je napajanje rezervnog rezervoara iz kočionog sistema putem povratnog ventila 10. Kada pritisak u kočionom sistemu premaši pritisak u rezervnom rezervoaru, ovaj ventil se otvara, punići rezervni rezervoar iz kočionog sistema. Tako se vrši kontinuitet dopune curenja iz rezervnog rezervoara i osigurava neiscrpnost kočnice.
Tretja pomembna ideja, ki jo je predlagal Kazancev, je konstrukcija zračne razdelilne naprave, ki deluje na osnovi razlike ne dveh, temveč treh tlakov — tlaka v zavorni magistrali, tlaka v zavorni cilindru in tlaka v posebni delovni komori (DK), ki ob sprostitvi prejme tlak iz zavorne magistrale skupaj z rezervoarjem. V načinu zaviranja je DK ločena od rezervoarja in zavorne magistrale ter ohranja vrednost začetnega napolnjenega tlaka. Ta lastnost se široko uporablja v zavorah voznega sredstva, saj omogoča tako postopno sprostitev kot tudi upravljanje enakomernega polnjenja TC ob dolžini vlaka v tovornih vlakih, saj delovna komora služi kot referenca začetnega napolnjenega tlaka. Glede na njegovo vrednost lahko zagotovimo tako postopno sprostitev kot tudi organiziramo zgodnejše polnjenje TC v zadnjih vagonih. Podrobno opisovanje teh zadev puščam za druge članke na to temo, zaenkrat pa le povem, da so dela Kazanceva služila kot spodbuda za razvoj znanstvene šole v naši državi, ki je pripeljala do razvoja izvirnih zavornih sistemov voznega sredstva.
Drug sovjetski izumitelj, ki je bistveno vplival na razvoj domačih zavor voznega sredstva, je bil Ivan Konstantinovič Matrosov. Njegove ideje se načeloma niso razlikovale od idej Kazanceva, vendar so kasnejši eksperimentalni testi zavornih sistemov Kazanceva in Matrosova (v kombinaciji z drugimi zavorami) pokazali bistveno večje prednosti drugega sistema glede na njegovo delovanje, zlasti pri uporabi v tovornih vlakih. Tako je Matrosov z zračno razdelilno napravo št. 320 postal osnova za nadaljnji razvoj in projektiranje zavorne opreme železnic širine 1520 milimetrov. Sodobna avtomatska zavora, ki se uporablja v Rusiji in državah SND, z razlogom nosi ime Matrosove zavore, saj je na začetku svojega razvoja vključila ideje in konstrukcijske rešitve Ivana Konstantinoviča.
Namesto zaključka
In conclusion, working on this article convinced me that the topic deserves a series of articles. In this pilot article, we touched upon the history of the development of rolling stock brakes. In the next ones, we will delve into more intriguing details, covering not only domestic brakes but also developments from colleagues in Western Europe, highlighting the design of various types of brakes and the roles they play in rolling stock. So, I hope the topic will be interesting, and see you again on the habr!
Thank you for your attention!
Izvor: habr.com
