Kinetična energija Sapsana pri največji hitrosti je več kot 1500 megajoulov. Za popolno zaustavitev morajo vse to razpršiti zavorne naprave.
Nekaj je bilo tukaj na Habréju. Tukaj je objavljenih kar nekaj preglednih člankov na železniško tematiko, vendar ta tema še ni bila podrobneje obdelana. Mislim, da bi bilo zelo zanimivo napisati članek o tem in morda več kot enega. Zato prosim za kat tiste, ki jih zanima, kako so zasnovani zavorni sistemi železniškega prometa in iz katerih razlogov so tako zasnovani.
1. Zgodovina zračne zavore
Naloga nadzora katerega koli vozila vključuje uravnavanje njegove hitrosti. Železniški promet ni izjema, poleg tega njegove oblikovne značilnosti v ta proces vnašajo pomembne nianse. Vlak je sestavljen iz velikega števila medsebojno povezanih vagonov, nastali sistem pa ima pomembno dolžino in težo pri zelo spodobni hitrosti.
A-priorat, zavore so sklop naprav, namenjenih ustvarjanju umetnih, nastavljivih upornih sil, ki se uporabljajo za nadzorovano zmanjšanje hitrosti vozila.
Na prvi pogled najbolj očiten način za ustvarjanje zavorne sile je uporaba trenja. Od samega začetka do danes so se uporabljale torne zavore. Posebne naprave - zavorne ploščice, izdelane iz materiala z visokim koeficientom trenja, so mehansko pritisnjene na kotalno površino kolesa (ali na posebne diske, nameščene na osi kolesne dvojice). Med ploščicami in kolesom nastane torna sila, ki ustvari zavorni moment.
Zavorna sila se prilagodi s spreminjanjem sile pritiska ploščic na kolo - zavorni tlak. Vprašanje je le, kakšen pogon se uporablja za pritiskanje ploščic in deloma je zgodovina zavor zgodovina razvoja tega pogona.
Prve železniške zavore so bile mehanske in so jih upravljali ročno, na vsakem vagonu posebej s strani posebnih oseb – zavorničarjev ali sprevodnikov. Vodniki so bili nameščeni na tako imenovanih zavornih ploščadih, s katerimi je bil opremljen vsak vagon, in so zavirali na znak strojevodje. Izmenjava signalov med strojevodjo in sprevodniki je potekala s posebno signalno vrvjo, razpeto vzdolž celotnega vlaka, ki je aktivirala posebno piščalko.
Starodobni dvoosni tovorni vagon z zavorno ploščico. Viden gumb ročne zavore
Sama mehansko gnana zavora ima majhno moč. Količina zavornega pritiska je bila odvisna od moči in spretnosti vodnika. Poleg tega je človeški dejavnik motil delovanje takšnega zavornega sistema - vodniki niso vedno pravilno opravljali svojih nalog. O visoki učinkovitosti takšnih zavor, pa tudi o povečanju hitrosti vlakov, opremljenih z njimi, ni bilo treba govoriti.
Nadaljnji razvoj zavor je zahteval, prvič, povečanje zavornega tlaka, in drugič, možnost daljinskega upravljanja vseh avtomobilov z voznikovega delovnega mesta.
Hidravlični pogon, ki se uporablja v avtomobilskih zavorah, je postal razširjen zaradi dejstva, da zagotavlja visok tlak s kompaktnimi aktuatorji. Vendar pa se bo pri uporabi takega sistema na vlaku pojavila njegova glavna pomanjkljivost: potreba po posebni delovni tekočini - zavorni tekočini, katere puščanje je nesprejemljivo. Velika dolžina zavornih hidravličnih vodov v vlaku skupaj z visokimi zahtevami po njihovi tesnosti onemogoča in neracionalno ustvarjanje hidravlične železniške zavore.
Druga stvar je pnevmatski pogon. Uporaba visokotlačnega zraka omogoča doseganje visokih zavornih tlakov ob sprejemljivih dimenzijah aktuatorjev – zavornih cilindrov. Delovne tekočine ne zmanjka – zrak je povsod okrog nas in tudi če pride do puščanja delovne tekočine iz zavornega sistema (in zagotovo je), jo je mogoče relativno enostavno dopolniti.
Najenostavnejši zavorni sistem, ki uporablja energijo stisnjenega zraka, je neposredno delujoča neavtomatska zavora
Diagram neavtomatske zavore z neposrednim delovanjem: 1 - kompresor; 2 - glavni rezervoar; 3 - napajalni vod; 4 — žerjav strojevodje; 5 - zavorni vod; 6 - zavorni valj; 7 - sprostitvena vzmet; 8, 9 - mehanski zavorni prenos; 10 - zavorna ploščica.
Za delovanje takšne zavore je potrebna zaloga stisnjenega zraka, ki je shranjen na lokomotivi v posebnem rezervoarju, imenovanem glavni rezervoar (2). Izvaja se vbrizgavanje zraka v glavni rezervoar in vzdrževanje stalnega tlaka v njem kompresor (1), ki ga poganja elektrarna lokomotive. Stisnjen zrak se v krmilne naprave zavor dovaja po posebnem cevovodu, imenovanem prehranski (NM) ali pritisk avtocesta (3).
Zavore vagonov so krmiljene in stisnjen zrak se jim dovaja po dolgem cevovodu, ki poteka skozi celoten vlak in se imenuje zavorni vod (TM) (5). Ko se stisnjen zrak dovaja skozi TM, se napolni zavorni cilindri (TC) (6) priključen neposredno na TM. Stisnjen zrak pritiska na bat, pritiska zavorne ploščice 10 na kolesa, tako na lokomotivi kot na avtomobilih. Pride do zaviranja.
Nehati zavirati, tj dopust zavore, je potrebno izpustiti zrak iz zavornega voda v ozračje, kar bo povzročilo vrnitev zavornih mehanizmov v prvotni položaj zaradi sile sprostitvenih vzmeti, nameščenih v TC.
Za zaviranje je potrebno povezati zavorni vod (TM) z dovodnim vodom (PM). Za dopust povežite zavorni vod z atmosfero. Te funkcije opravlja posebna naprava - žerjav strojevodje (4) - pri zaviranju povezuje PM in PM, ko se sprosti, odklopi te cevovode, hkrati pa sprosti zrak iz PM v ozračje.
V takem sistemu obstaja tretji, vmesni položaj voznikovega žerjava - reroof ko sta PM in TM ločena, vendar ne pride do izpusta zraka iz TM v ozračje, ga voznikov žerjav popolnoma izolira. Tlak, nakopičen v TM in TC, se vzdržuje in čas, ko se vzdržuje na nastavljeni ravni, je določen s količino puščanja zraka skozi različna puščanja, pa tudi s toplotnim uporom zavornih ploščic, ki se med trenjem ob kolesne pnevmatike. Namestitev v strop tako med zaviranjem kot med popuščanjem omogoča prilagajanje zavorne sile v korakih. Ta vrsta zavore omogoča tako stopenjsko zaviranje kot stopenjsko sprostitev.
Kljub preprostosti takega zavornega sistema ima usodno napako - pri odklopu vlaka poči zavorni vod, iz njega uhaja zrak in vlak ostane brez zavor. Prav zaradi tega takšne zavore ni mogoče uporabiti v železniškem prometu, saj je cena njene odpovedi previsoka. Tudi brez preloma vlaka, če pride do velikega puščanja zraka, se učinkovitost zavor zmanjša.
Na podlagi zgoraj navedenega izhaja zahteva, da se zaviranje vlaka ne začne s povečanjem, temveč z zmanjšanjem tlaka v TM. Toda kako potem napolniti zavorne cilindre? Iz tega izhaja druga zahteva - vsaka premikajoča se enota na vlaku mora shraniti zalogo stisnjenega zraka, ki jo je treba nemudoma dopolniti po vsakem zaviranju.
Do podobnih ugotovitev je prišla inženirska misel ob koncu 1872. stoletja, kar se je odrazilo v izdelavi prve avtomatske železniške zavore Georgea Westinghousea leta XNUMX.
Zavorna naprava Westinghouse: 1 - kompresor; 2 - glavni rezervoar; 3 - napajalni vod; 4 — žerjav strojevodje; 5 - zavorni vod; 6 - razdelilnik zraka (trojni ventil) sistema Westinghouse; 7 - zavorni valj; 8 - rezervni rezervoar; 9 - zaporni ventil.
Slika prikazuje zgradbo te zavore (slika a - delovanje zavore pri popuščanju; b - delovanje zavore pri zaviranju). Glavni element zavore Westigauze je bil razdelilnik zavornega zraka ali, kot se včasih imenuje, trojni ventil. Ta razdelilnik zraka (6) ima občutljiv organ - bat, ki deluje na razliko med dvema tlakoma - v zavornem vodu (TM) in rezervnem rezervoarju (R). Če tlak v TM postane manjši kot v TC, se bat premakne v levo in odpre pot zraku iz CM v TC. Če tlak v TM postane večji od tlaka v SZ, se bat premakne v desno, s čimer komunicira TC z atmosfero in hkrati komunicira s TM in SZ, kar zagotavlja, da je slednji napolnjen s stisnjenim zrakom iz TM.
Tako bodo zavore delovale, če se tlak v TM zmanjša iz kakršnega koli razloga, pa naj bo to dejanje strojevodje, prekomerno uhajanje zraka iz TM ali zlom vlaka. Se pravi, take zavore imajo samodejno delovanje. Ta lastnost zavore je omogočila dodajanje še ene možnosti za krmiljenje vlakovnih zavor, ki se na potniških vlakih uporablja do danes - zasilna ustavitev vlaka s strani potnika s komunikacijo zavornega voda z atmosfero skozi poseben ventil - zasilna zavora (9).
Za tiste, ki poznajo to lastnost zavornega sistema vlaka, je smešno gledati filme, kjer tatovi-kavboji slavno odklopijo vagon z zlatom iz vlaka. Da je to mogoče, morajo kavboji pred odklopom zapreti končne ventile na zavornem vodu, ki ločuje zavorni vod od povezovalnih cevi med avtomobili. Ampak nikoli ne. Po drugi strani pa so zaprti končni ventili več kot enkrat povzročili strašne katastrofe, povezane z odpovedjo zavor, tako pri nas (Kamensk leta 1987, Eral-Simskaya leta 2011) kot v tujini.
Zaradi dejstva, da se zavorni valji polnijo iz sekundarnega vira stisnjenega zraka (rezervni rezervoar), brez možnosti njegovega stalnega dopolnjevanja, se taka zavora imenuje posredno delujoče. Polnjenje zavore s stisnjenim zrakom se zgodi šele, ko je zavora popuščena, kar vodi do dejstva, da pri pogostem zaviranju, ki mu sledi popuščanje, če po sprostitvi ni dovolj časa, zavora ne bo imela časa, da bi se napolnila do zahtevanega tlaka. To lahko povzroči popolno izčrpanost zavore in izgubo nadzora nad zavorami vlaka.
Pnevmatska zavora ima še eno pomanjkljivost, povezano z dejstvom, da se padec tlaka v zavornem vodu, tako kot vsaka motnja, širi po zraku z visoko, a še vedno končno hitrostjo - ne več kot 340 m/s. Zakaj ne več? Ker je hitrost zvoka idealna. Toda v pnevmatskem sistemu vlaka obstajajo številne ovire, ki zmanjšujejo hitrost širjenja padca tlaka, povezane z uporom proti pretoku zraka. Če torej ne sprejmemo posebnih ukrepov, bo stopnja zmanjšanja tlaka v TM manjša, čim dlje je vagon od lokomotive. Pri zavori Westinghouse je hitrost t.i zavorni val ne presega 180 - 200 m/s.
Vendar pa je pojav pnevmatskih zavor omogočil povečanje tako moči zavor kot tudi učinkovitost njihovega upravljanja neposredno z delovnega mesta strojevodje, kar je bil močan zagon za razvoj železniškega prometa, povečanje hitrosti in teže vlakov in posledično velikansko povečanje tovornega prometa na železnici, povečanje dolžine železniških prog po svetu.
George Westinghouse ni bil le izumitelj, ampak tudi podjeten poslovnež. Svoj izum je patentiral že leta 1869, kar mu je omogočilo začetek množične proizvodnje zavorne opreme. Kmalu je Westinghouseova zavora postala razširjena v ZDA, Zahodni Evropi in Ruskem imperiju.
V Rusiji je Westinghouseova zavora vladala do oktobrske revolucije in še precej dolgo po njej. Podjetje Westinghouse je zgradilo lastno tovarno zavor v Sankt Peterburgu in tudi spretno izrinilo konkurente z ruskega trga. Vendar je imela Westinghouseova zavora številne temeljne pomanjkljivosti.
Prvič, ta zavora je zagotavljala samo dva načina delovanja: zaviranje dokler se zavorni valji popolnoma ne napolnijo, in počitnice — praznjenje zavornih valjev. Z dolgotrajnim vzdrževanjem ni bilo mogoče ustvariti vmesne količine zavornega tlaka, to pomeni, da zavora Westinghouse ni imela načina reroof. To ni omogočalo natančnega nadzora hitrosti vlaka.
Drugič, Westinghouseova zavora ni dobro delovala na dolgih vlakih, in medtem ko se je to v potniškem prometu dalo nekako tolerirati, so se težave pojavile v tovornem prometu. Se spomnite zavornega vala? Westinghouseova zavora torej ni imela sredstev za povečanje hitrosti in v dolgem vlaku se je lahko znižanje tlaka v zavorni tekočini na zadnjem vagonu začelo prepozno in s hitrostjo, ki je bistveno nižja kot na čelu vlaka. vlaka, kar je povzročilo divje neenakomerno delovanje zavornih naprav po vlaku.
Povedati je treba, da so vse dejavnosti podjetja Westinghouse, tako v takratni Rusiji kot po vsem svetu, dodobra prepojene s kapitalističnim vonjem patentnih vojn in nelojalne konkurence. To je tako nepopolnemu sistemu zagotovilo tako dolgo življenje, vsaj v tistem zgodovinskem obdobju.
Ob vsem tem je treba priznati, da je zavora Westinghouse postavila temelje zavorne znanosti in je princip njenega delovanja ostal nespremenjen v sodobnih zavorah tirnih vozil.
2. Od zavore Westinghouse do zavore Matrosov - oblikovanje domače zavorne znanosti.
Skoraj takoj po pojavu zavore Westinghouse in spoznanju njegovih pomanjkljivosti so se pojavili poskusi izboljšanja tega sistema ali ustvarjanja drugega, bistveno novega. Naša država ni bila izjema. V začetku 20. stoletja je imela Rusija razvito železniško omrežje, ki je imelo pomembno vlogo pri zagotavljanju gospodarskega razvoja in obrambne sposobnosti države. Povečanje učinkovitosti transporta je povezano s povečanjem hitrosti njegovega gibanja in mase istočasno prepeljanega tovora, kar pomeni, da so se nujno pojavila vprašanja izboljšanja zavornih sistemov.
Pomembna spodbuda za razvoj zavorne znanosti v RSFSR in kasneje v ZSSR je bilo zmanjšanje vpliva velikega zahodnega kapitala, zlasti družbe Westinghouse, na razvoj domače železniške industrije po oktobru 1917.
F.P. Kazantsev (levo) in I.K. Mornarji (desno) - ustvarjalci domače železniške zavore
Prvi znak, prvi resen dosežek mlade domače zavorne znanosti je bil razvoj inženirja Florentija Pimenoviča Kazanceva. Leta 1921 je Kazantsev predlagal sistem neposredno delujoča avtomatska zavora. Spodnji diagram opisuje vse glavne ideje, ki jih je uvedel ne le Kazantsev, njegov namen pa je razložiti osnovna načela delovanja izboljšane avtomatske zavore.
Samodejna zavora z neposrednim delovanjem: 1 - kompresor; 2 - glavni rezervoar; 3 - napajalni vod; 4 — žerjav strojevodje; 5 — naprava za napajanje puščanja zavornega voda; 6 - zavorni vod; 7 — povezovalne zavorne cevi; 8 - končni ventil; 9 - zaporni ventil; 10 - povratni ventil; 11 - rezervni rezervoar; 12 - razdelilnik zraka; 13 - zavorni valj; 14 — prenos zavorne ročice.
Torej, prva glavna ideja je, da se tlak v TM nadzoruje posredno - z znižanjem/povečanjem tlaka v posebnem rezervoarju, imenovanem kompenzacijsko posodo (UR). Prikazan je na sliki desno od pogonske pipe (4) in na vrhu napajalne naprave za puščanje iz TM (5). Gostoto tega rezervoarja je tehnično veliko lažje zagotoviti kot gostoto zavornega voda - več kilometrov dolge cevi, ki poteka skozi celoten vlak. Relativna stabilnost tlaka v UR omogoča vzdrževanje tlaka v TM, pri čemer se tlak v UR uporablja kot referenčni. Dejansko bat v napravi (5), ko se tlak v TM zmanjša, odpre ventil, ki polni TM iz dovodnega voda, s čimer vzdržuje tlak v TM enak tlaku v UR. Ta ideja je imela še dolgo pot v razvoju, zdaj pa pritisk v TM ni bil odvisen od prisotnosti zunanjih puščanj iz njega (do določenih meja). Naprava 5 se je preselila na žerjav operaterja in tam v spremenjeni obliki ostaja do danes.
Druga pomembna ideja, na kateri temelji zasnova te vrste zavor, je napajanje iz zavorne tekočine skozi povratni ventil 10. Ko tlak v zavornem ventilu preseže tlak v zavornem ventilu, se ta ventil odpre in napolni ventil iz zavore. tekočina. Na ta način se puščanje nenehno dopolnjuje iz rezervnega rezervoarja in zavora ne zmanjka.
Tretja pomembna ideja, ki jo je predlagal Kazantsev, je zasnova razdelilnika zraka, ki deluje na razliki ne dveh tlakov, ampak treh - tlaka v zavornem vodu, tlaka v zavornem valju in tlaka v posebni delovni komori (WC), ki se med sprostitvijo napaja s pritiskom iz zavornega voda, skupaj z rezervnim rezervoarjem. V zavornem načinu je polnilni tlak odklopljen od rezervnega rezervoarja in zavornega voda, pri čemer se ohrani vrednost začetnega polnilnega tlaka. Ta lastnost se pogosto uporablja pri zavorah tirnih vozil tako za zagotavljanje postopnega sproščanja kot za nadzor enakomernosti polnjenja TC vzdolž vlaka v tovornih vlakih, saj delovna komora služi kot standard za začetni polnilni tlak. Na podlagi njegove vrednosti je mogoče zagotoviti postopno sprostitev in organizirati zgodnejše polnjenje nakupovalnega centra v zadnjih avtomobilih. Podroben opis teh stvari bom pustil za druge članke na to temo, za zdaj pa bom rekel le, da je delo Kazanceva služilo kot spodbuda za razvoj znanstvene šole v naši državi, kar je pripeljalo do razvoja izvirne zavorni sistemi tirnih vozil.
Drugi sovjetski izumitelj, ki je korenito vplival na razvoj domačih zavor tirnih vozil, je bil Ivan Konstantinovič Matrosov. Njegove ideje niso bile bistveno drugačne od zamisli Kazantseva, vendar so kasnejši operativni testi zavornih sistemov Kazantseva in Matrosova (skupaj z drugimi zavornimi sistemi) pokazali znatno premoč drugega sistema v smislu zmogljivosti, kadar se uporablja predvsem na tovornih vlakih. Tako je zavora Matrosov z razdelilnikom zraka pogojna. 320 je postala osnova za nadaljnji razvoj in oblikovanje zavorne opreme za tirno širino 1520 mm. Sodobna avtomatska zavora, ki se uporablja v Rusiji in državah CIS, lahko upravičeno nosi ime zavore Matrosov, saj je v začetni fazi svojega razvoja absorbirala ideje in oblikovalske rešitve Ivana Konstantinoviča.
Namesto zaključka
Kakšen je zaključek? Delo na tem članku me je prepričalo, da je tema vredna serije člankov. V tem pilotnem članku smo se dotaknili zgodovine razvoja zavor tirnih vozil. V nadaljevanju se bomo poglobili v sočne podrobnosti, pri čemer se bomo dotaknili ne le domače zavore, temveč tudi razvoja kolegov iz zahodne Evrope, pri čemer bomo izpostavili zasnovo zavor različnih vrst in vrst storitev železniškega voznega parka. Torej, upam, da bo tema zanimiva in se vidimo spet na hubu!
Hvala za vašo pozornost!
Vir: www.habr.com