Den kinetiska energin hos "Sapsan" vid maximal hastighet är över 1500 megajoule. För att stoppa helt måste all denna energi fördelas på bromssystemen.

Det hände. Jag blev ombedd att gå in mer i detalj på detta ämne. Specifikt här, på Habré. Här publiceras ganska många översiktsartiklar om järnvägstema, men detta ämne har ännu inte belysts i detalj. Jag tror att det skulle vara ganska intressant att skriva en artikel om detta, kanske till och med flera. Så jag ber er som är intresserade av hur bromssystemen inom järnvägstransporten är konstruerade, och varför de är utformade på det sättet, att läsa vidare.

1. Historien bakom den pneumatiska bromsen.

Uppgiften att styra vilket transportsystem som helst omfattar reglering av hastigheten på dess rörelse. Järnvägstransport är inget undantag, tvärtom, dess konstruktiva egenskaper ger viktiga nyanser i denna process. Ett tåg består av ett stort antal kopplade enheter, och den resulterande systemet har en betydande längd och vikt vid en ganska hög hastighet.

Enligt definitionen är bromsar ett komplex av enheter som syftar till att skapa artificiella, reglerbara motståndskrafter, som används för att styra sänkningen av hastigheten på ett transportmedel.

Det mest uppenbara, som ligger på ytan, sättet att skapa bromskraft är att använda friktionskraft. Från början och fram till idag har kolvarfriktionsbromsen använts. Speciella enheter – bromsblock, tillverkade av material med hög friktionskoefficient, pressas mekaniskt mot ytan av hjulens rullning (eller mot speciella skivor som är installerade på hjulaxeln). Mellan bromsblocken och hjulet uppstår en friktionskraft som skapar ett bromsmoment.

Regleringen av bromskraften utförs genom att ändra tryckkraften på bromsblocken mot hjulet – bromstryka. Frågan är bara vilken mekanism som används för att pressa bromsblocken, och historien om bromsar är delvis historien om utvecklingen av denna mekanism.

De första järnvägstromsarna var mekaniska och aktiverades manuellt, separat på varje vagn av speciella personer - bromsare eller konduktörer. Konduktörerna befann sig på så kallade bromsplattformar, som varje vagn var utrustad med, och aktiverade bromsarna på signal från lokföraren. Signalsystemet mellan lokföraren och konduktörerna skedde via en speciell signaltråd som sträckte sig längs hela tåget och aktiverade en särskild visselpipa.

En gammaldags tvåaxlig godsvagn med bromsplattform. Man kan se veven till den manuella bromsen


Själva bromsen med mekanisk drivning har låg kapacitet. Styrkan på bromstryken berodde på konduktörens styrka och erfarenhet. Dessutom påverkade humana faktorer denna bromssystem; konduktörerna utförde inte alltid sina uppgifter korrekt. Man kunde inte tala om en hög effektivitet för dessa bromsar, och det var inte heller möjligt att öka hastigheten för tågen utrustade med dem.

Vidare utveckling av bromsar krävde, för det första, en ökning av bromstryken och, för det andra, att möjligheten till fjärrstyrning på alla vagnar från lokförarens arbetsposition beaktades.

Hydraulisk drivning, som används i bilbromsar, fick stor spridning eftersom den ger hög bromskraft vid kompakt storlek på de utförande enheterna. Men när en sådan anläggning används i ett tåg blir dess huvudsakliga nackdel uppenbar: behovet av en speciell arbetsvätska - bromsvätska, vars läckage är oacceptabelt. Den stora längden på de hydrauliska bromslinjerna i tåget, tillsammans med de höga kraven på deras täthet, gör det omöjligt och oekonomiskt att skapa en hydraulisk järnvägsbroms.

En annan sak är den pneumatiska drivningen. Användning av högtrycksluft gör det möjligt att få hög bromskraft med rimliga dimensioner på de utförande enheterna - bromscylindrarna. Det finns inget brist på arbetsmedium - luften omkring oss, och även om det uppstår en läcka av arbetsmediet från bromssystemet (vilket oundvikligen händer) är det relativt lätt att åtgärda.

Det enklaste bromssystemet som använder tryckluftenergi är direktverkande icke-automatiskt broms

Schemat för direktverkande icke-automatiskt broms: 1 — kompressor; 2 — huvudtank; 3 — matningsledning; 4 — lokförares bromshandtag; 5 — bromsledning; 6 — bromscylinder; 7 — frigöringsfjäder; 8, 9 — mekanisk bromsrörelse; 10 — bromsblock.


För att en sådan broms ska fungera krävs en reserv av tryckluft som lagras i lokomotivet i en speciell tank som kallas huvudtank (2). Pumpning av luft till huvudtanken och upprätthållande av ett konstant tryck utförs av kompressorn (1), som drivs av lokomotivets energianläggning. Tillförseln av tryckluft till bromsstyrsystemen sker genom en speciell rörledning som kallas matningsledning (PM) eller tryckledning (3).

Styrning av godstrafikernas bromsar och tillförseln av tryckluft till dem utförs via en lång rörledning som går genom hela tåget och kallas bromsledning (TM) (5). När tryckluft tillförs via TM fylls bromscylindrarna (TC) (6) som är direkt kopplade till TM. Tryckluften trycker på kolven och pressar bromsblocken 10 mot hjulen, både på lokomotivet och på vagnarna. Bromsning sker.

För att avbryta bromsningen, det vill säga frigöring av bromsarna, är det nödvändigt att släppa ut luften från bromsledningen i atmosfären, vilket leder till att bromsmekanismerna återgår till ursprungspositionen genom kraften från frigöringsfjädrarna som är installerade i TC.

För att bromsa måste bromsledningen (TM) kopplas till matningsledningen (PM). För att frigöra måste bromsledningen kopplas till atmosfären. Dessa funktioner utförs av en speciell anordning — lokförares bromshandtag (4) — vid bromsning kopplar den PM och TM, vid frigöring kopplar den från dessa rörledningar samtidigt som den släpper ut luft från TM till atmosfären.

I ett sådant system finns det också en tredje, mellanliggande position för lokförarens ventiler — blockering När PM och TM är skilda, men ingen luft släpps ut från TM till atmosfären, isolerar lokförarens ventil den helt. Det tryck som byggs upp i TM och TC bibehålls, och tiden för att hålla det på en fast nivå bestäms av storleken på luftläckor genom olika otätheter, samt värmebeständigheten hos bromsbeläggen, som värms upp vid friktion mot hjulbanden. Att sätta in en omkopplare både vid bromsning och vid frigörelse gör det möjligt att reglera bromskraften i steg. En sådan broms möjliggör såväl stegvis bromsning som stegvis frigöring.

Trots den uppenbara enkelheten hos ett sådant bromssystem har det en fatal brist – vid isärkoppling av tåget går bromsledningen sönder, luften rinner ut och tåget blir utan bromsar. Just av denna anledning kan en sådan broms inte användas på järnvägstransport, risken för en sådan felaktig funktion är för hög. Även utan att tåget går sönder, kommer bromsarnas effektivitet att minska vid stora luftläckor.

Utifrån ovanstående uppstår kravet att bromsningen av tåget ska initieras inte av ett tryckökande, utan av ett tryckfall i TM. Men hur fyller man bromscylindrarna då? Detta ger det andra kravet – varje rullande enhet i tåget måste ha en reserv av komprimerad luft, som snabbt måste fyllas på efter varje bromsning.

Liknande slutsatser drogs av ingenjörstänkandet i slutet av 1800-talet, vilket ledde till skapandet av den första automatiska järnvägsbromsen av George Westinghouse 1872.

Westinghouse-bromsens konstruktion: 1 – kompressor; 2 – huvudbehållare; 3 – matningsledningen; 4 – lokförarens bromsvärde; 5 – bromsledning; 6 – luftfördelare (trippelventil) i Westinghouse-systemet; 7 – bromscylinder; 8 – reservbehållare; 9 – stoppventil.

I bilden visas konstruktionen av denna broms (bild a – bromsens arbete vid frigöring; b – bromsens arbete vid bromsning). Huvudelementet i Westinghouse-bromsen har blivit bromsluftfördelaren eller, som den ibland kallas, trippelventilen. Denna luftfördelare (6) har en känslig organ — en kolv som fungerar på skillnaden mellan två tryck — i bromsledningen (TM) och reservtank (ZR). Om trycket i TM blir mindre än i ZR, flyttas kolven åt vänster, vilket öppnar vägen för luft från ZR till TC. Om trycket i TM blir högre än trycket i ZR — flyttas kolven åt höger, vilket förbinder TC med atmosfären och samtidigt kopplar TM och ZR, vilket gör att den senare fylls med komprimerad luft från TM.

Således, när trycket i TM sänks av någon anledning, vare sig det handlar om lokförarens åtgärder, överdriven luftläckage från TM eller ett tågbrott — bromsarna kommer att aktiveras. Det vill säga att sådana bromsar har automatiskt arbete. Denna egenskap hos bromsen har möjliggjort tillägget av en annan funktion för att styra tågbromsar, som fortfarande används på passagerartåg idag — en nödbroms för passageraren, genom att koppla bromsledningen till atmosfären via en speciell ventil — nödbroms (9).

. För dem som känner till denna egenskap hos tågets bromssystem är det roligt att se filmer där cowboytjuvar snabbt kopplar bort en vagn med guld från tåget. För att sådant skulle kunna genomföras måste cowboys, innan de kopplar bort, stänga av slutventilerna på bromsledningen, som separerar bromsledningen från anslutningsslangarna mellan vagnarna. Men de gör aldrig det. Å andra sidan har stängda slutventiler flera gånger orsakat fruktansvärda katastrofer relaterade till bromsfel, både här (Kamenisk 1987, Yeral-Simskaya 2011) och utomlands.

Eftersom fyllningen av bromscylindrarna sker från en sekundär källa av komprimerad luft (reservtanken), utan möjlighet till konstant påfyllning, kallas en sådan broms för indirekt verkan. Fyllningen av ZR med komprimerad luft sker endast vid frigörande av bromsen, vilket leder till att vid frekventa bromsningar med efterföljande frigörande, och vid otillräcklig väntetid efter frigörande, ZR inte hinner fyllas till det nödvändiga trycket. Detta kan leda till fullständig utmattning av bromsen och förlust av kontrollen över tågets bromsar.

Pneumatisk broms har en annan nackdel som är relaterad till att tryckfall i bromsledningen, precis som alla störningar, sprider sig i luften med en stor, men ändå ändlig hastighet — högst 340 m/s. Varför högst? För att ljudets hastighet är det ideala fallet. Men i tåglets pneumatiska system finns det en rad hinder som sänker hastigheten av tryckfall, relaterade till luftflödesmotstånd. Därför, om inga särskilda åtgärder vidtas, kommer hastigheten för tryckfallet i TMs att vara mycket lägre ju längre bort från lokomotivet vagnen befinner sig. I fallet med Westinghouse-bromsen är hastigheten för den så kallade bromsvågen inte över 180 — 200 m/s.

Trots detta möjliggjorde införandet av den pneumatiska bromsen en ökning av både bromskraft och snabbt styre direkt från lokförarens arbetsplats. Detta gav ett kraftfullt genombrott för utvecklingen av järnvägstransport, ökade hastigheten på resor och vikten av tåg, vilket i sin tur ledde till en enorm ökning av godstransporter på järnvägen och tillväxten av längden på järnvägslinjer över hela världen.

George Westinghouse var inte bara en uppfinnare utan också en företagsam affärsman. Han patenterade sin uppfinning redan 1869, vilket gjorde att han kunde påbörja massproduktion av bromsutrustning. Väldigt snabbt fick Westinghouse-bromsen ett brett genomslag i USA, Västra Europa och det Ryska imperiet.

I Ryssland dominerade Westinghouse-bromsen utan motstycke fram till oktoberrevolutionen och även ganska länge efter den. Företaget 'Westinghouse' byggde sin bromsfabrik i Sankt Petersburg och lyckades även framgångsrikt tränga ut konkurrenterna från den ryska marknaden. Men Westinghouse-bromsen hade en rad principiella nackdelar.

För det första erbjöd denna broms endast två driftslägen: bromsning till full påfyllning av bromscylindrarna, och avsläpp — tömning av bromscylindrarna. Att skapa en mellanliggande bromstryk på en långvarig basis var omöjligt, det vill säga Westinghouse-bromsen saknade ett läge för överskjutning. Detta hindrade att exakt hastighetskontroll över tåget kunde genomföras.

För det andra fungerade Westinghouse-bromsen dåligt i långa tåg, och även om detta kunde tolereras i passagerartjänsten, uppstod problem i godstrafiken. Kommer du ihåg bromsvågen? Westinghouse-bromsen hade inga medel för att öka dess hastighet, och i ett långt tåg kunde tryckfallet i TM på det sista vagnen börja för sent, och dessutom med en takt som var betydligt lägre än i tågets front, vilket skapade en vild oegentlighet i bromsapparaternas aktivering längs tåget.

Det bör sägas att hela verksamheten av företaget 'Westinghouse', både i dåtidens Ryssland och i hela världen, genomsyras av en kapitalistisk lukt av patentkrig och osund konkurrens. Detta var vad som säkerställde att detta så ofullkomliga system hade en så lång livslängd, åtminstone under den historiska perioden.

Trots allt detta måste man erkänna – Westinghouse-bromsen lade grunden för bromsvetenskapen och dess verkningssätt har förblivit oförändrat i moderna bromsar för rullande materiel.

2. Från Westinghouse-bromsen till Matrosov-bromsen – utvecklingen av inhemsk bromsvetenskap.

Nästan omedelbart efter att Westinghouse-bromsen introducerades och dess brister blev tydliga, började försöken att förbättra detta system eller skapa ett helt nytt. Vårt land var inget undantag. I början av 1900-talet hade Ryssland ett utvecklat järnvägsnät som spelade en betydande roll för att säkerställa landets ekonomiska utveckling och försvarsförmåga. Effektivisering av transporten är kopplad till ökat hastigheten på beskaffenheten och vikten av det last som transporteras samtidigt, vilket förde fram frågorna om förbättring av bromssystem.

En betydande drivkraft för utvecklingen av bromsvetenskap i RSFSR och senare i USSR var den minskade påverkan av stor västerländsk kapital, särskilt företaget 'Westinghouse', på utvecklingen av den inhemska järnvägsindustrin efter oktober 1917.

F.P. Kazantsev (till vänster) och I.K. Matrosov (till höger) – skaparna av den inhemska järnvägsbromsen.


Den första tidiga uppnåelsen, den första betydande prestationen av den unga inhemska bromsvetenskapen, blev utvecklingen av ingenjör Florentij Pimenovitj Kazantsev. År 1921 föreslog Kazantsev ett system. direktverkan automatiskt broms. Schemat nedan beskriver alla grundläggande idéer som har införts, inte bara av Kazantsev, och dess syfte är att förklara de grundläggande principerna för hur den förbättrade automatiska bromsen fungerar

Direktverkan automatiskt broms: 1 — kompressor; 2 — huvudtank; 3 — närföringsledning; 4 — lokförarens ventil; 5 — läckageförsörjningsenhet för bromssystemet; 6 — bromssystem; 7 — kopplingsbromsslangar; 8 — slutventil; 9 — stoppventil; 10 — backventil; 11 — reservtank; 12 — luftfördelare; 13 — bromscylinder; 14 — bromsarmöverföring.


Så den första grundläggande idén är att tryckregleringen i bromssystemet sker indirekt — genom att sänka/höja trycket i en speciell tank kallad utjämningstank (UT). Den visas i bilden till höger om lokförarventilen (4) och ovanför läckageförsörjningsenheten för bromssystemet (5). Densiteten i denna tank är tekniskt mycket enklare att säkerställa än densiteten i bromssystemet — rör som sträcker sig över kilometers längd och som går genom hela tåget. Den relativa stabiliteten hos trycket i UT gör att trycket i bromssystemet kan upprätthållas genom att använda trycket i UT som referens. Faktiskt, kolven i enheten (5) sjunker ner när trycket i bromssystemet sjunker, vilket öppnar ventilen och fyller bromssystemet från närföringsledningen, och därigenom upprätthåller ett tryck i bromssystemet som är lika med trycket i UT. Denna idé hade fortfarande en lång utvecklingsväg kvar, men nu berodde trycket i bromssystemet inte på att det fanns externa läckor (upp till kända gränser). Enhet 5 flyttades till lokförarventilen och förblir där i modifierad form än idag.

En annan viktig idé som ligger till grund för konstruktionen av denna typ av broms är att försörja reservtanken (ZR) från bromssystemet genom backventil 10. När trycket i bromssystemet överstiger trycket i ZR öppnas denna ventil, och ZR fylls från bromssystemet. Detta gör att läckorna från reservtanken kontinuerligt kan fyllas på och säkerställer bromsens oförbrukbarhet.

Den tredje viktiga idén som föreslagits av Kazantsev är konstruktionen av luftfördelaren, som arbetar på skillnaden mellan inte två tryck, utan tre — trycket i bromsledningen, trycket i bromscylindern och trycket i den specialiserade arbetskammaren (RK), som vid frigöring matas med tryck från bromsledningen, tillsammans med en reservtank. I bromsläget kopplas RK från reservtanken och bromsledningen, vilket bevarar den ursprungliga laddningstrycket. Denna egenskap används i stor utsträckning i bromsar för rullande materiel både för att säkerställa trappstegslösning och för att styra jämnheten av fyllningen av TC längs tåget i godståg, eftersom arbetskammaren fungerar som en norm för det ursprungliga laddningstrycket. Baserat på dess värde kan både trappstegslösning säkerställas och en tidigare fyllning av TC i de sista vagnarna organiseras. En detaljerad beskrivning av dessa frågor lämnar jag för andra artiklar i detta ämne, men jag vill bara säga att Kazantsevs arbete har varit en stimulans för utvecklingen av en vetenskaplig skola i vårt land som har lett till utvecklingen av originella bromssystem för rullande materiel.

En annan sovjetisk uppfinnare som har haft en avgörande inverkan på utvecklingen av inhemska bromsar för rullande materiel är Ivan Konstantinovich Matrosov. Hans idéer skilde sig i princip inte från Kazantsevs idéer, men de efterföljande driftprovningarna av Kazantsevs och Matrosovs bromssystem (tillsammans med andra bromssystem) visade en betydande överlägsenhet hos det andra systemet vad gäller driftsegenskaper, särskilt för godståg. Således blev Matrosovs broms med luftfördelaren nr 320 grunden för vidare utveckling och projektering av bromsutrustning för järnvägar med spårvidd på 1520 millimeter. Den moderna automatiska bromsen som används i Ryssland och CIS-länderna kan med rätta kallas Matrosovs broms, eftersom den i sitt tidiga utvecklingsskede har påverkats av idéer och konstruktionslösningar från Ivan Konstantinovich.

Avslutande

Vad är slutsatsen? Arbetet med denna artikel har övertygat mig om att ämnet förtjänar en artikelserie. I denna pilotartikel berör vi historien om utvecklingen av bromsar för rullande materiel. I kommande artiklar ska vi dyka ner i mer intressanta detaljer, inte bara om inhemska bromsar utan också om våra kollegors innovationer från Västeuropa, där vi belyser konstruktionen av bromsar av olika typer och tjänster för rullande materiel. Så jag hoppas att ämnet kommer att vara intressant, och vi ses igen på Habr!

Tack för din uppmärksamhet!

Källa: habr.com