Den kinetiska energin hos Sapsan vid maximal hastighet är över 1500 XNUMX megajoule. För ett fullständigt stopp måste allt avledas av bromsanordningarna.
Det var en fråga precis här på Habré. En hel del översiktsartiklar om järnvägsämnen publiceras här, men detta ämne har ännu inte behandlats i detalj. Jag tycker att det skulle vara ganska intressant att skriva en artikel om detta, och kanske mer än en. Därför ber jag efter katten till dem som är intresserade av hur järnvägstransporternas bromssystem är utformade, och av vilka skäl de är utformade på detta sätt.
1. Historien om luftbromsen
Uppgiften att kontrollera vilket fordon som helst inkluderar att reglera dess hastighet. Järnvägstransporter är inget undantag, dessutom introducerar dess designegenskaper betydande nyanser i denna process. Tåget består av ett stort antal sammankopplade vagnar, och det resulterande systemet har en betydande längd och vikt med en mycket anständig hastighet.
Per definition Bromsar är en uppsättning enheter som är utformade för att skapa konstgjorda, justerbara motståndskrafter som används för att kontrollerbart minska hastigheten på ett fordon.
Det mest uppenbara, på ytan, sättet att skapa bromskraft är att använda friktion. Från allra första början fram till idag har man använt skofriktionsbromsar. Specialanordningar - bromsbelägg, gjorda av ett material med hög friktionskoefficient, pressas mekaniskt mot hjulets rullyta (eller mot speciella skivor monterade på hjulsatsens axel). En friktionskraft uppstår mellan beläggen och hjulet, vilket skapar ett bromsmoment.
Bromskraften justeras genom att ändra kraften för att trycka beläggen mot hjulet - bromstryck. Frågan är bara vilken drivning som används för att trycka på klossarna, och delvis är bromsarnas historia historien om utvecklingen av denna drivning.
De första järnvägsbromsarna var mekaniska och manövrerades manuellt, separat på varje vagn av speciella personer - bromsmän eller konduktörer. Ledarna var placerade på de så kallade bromsplattformarna som varje vagn var utrustad med och de bromsade på lokförarens signal. Utbytet av signaler mellan föraren och konduktörerna utfördes med hjälp av ett speciellt signalrep som sträckts längs hela tåget, vilket aktiverade en speciell visselpipa.
Vintage tvåaxlad godsvagn med bromsbelägg. Handbromsknopp synlig
Den mekaniskt drivna bromsen i sig har liten kraft. Mängden bromstryck berodde på ledarens styrka och skicklighet. Dessutom störde den mänskliga faktorn driften av ett sådant bromssystem - ledare utförde inte alltid sina uppgifter korrekt. Det fanns inget behov av att prata om den höga effektiviteten hos sådana bromsar, liksom ökningen av hastigheten på tåg utrustade med dem.
Ytterligare utveckling av bromsar krävde dels en ökning av bromstrycket och dels möjligheten till fjärrstyrning på alla bilar från förarens arbetsplats.
Den hydrauliska drivningen som används i bilbromsar har blivit utbredd på grund av att den ger högt tryck med kompakta ställdon. Men när du använder ett sådant system på ett tåg kommer dess största nackdel att uppstå: behovet av en speciell arbetsvätska - bromsvätska, vars läckage är oacceptabelt. Den stora längden av bromshydraulikledningar i ett tåg, tillsammans med höga krav på deras täthet, gör det omöjligt och irrationellt att skapa en hydraulisk järnvägsbroms.
En annan sak är den pneumatiska drivningen. Användningen av högtrycksluft gör det möjligt att erhålla höga bromstryck med acceptabla dimensioner på ställdonen - bromscylindrar. Det råder ingen brist på arbetsvätska – luften finns runt omkring oss, och även om det läcker arbetsvätska från bromssystemet (och det gör det verkligen) kan den fyllas på relativt enkelt.
Det enklaste bromssystemet som använder tryckluftsenergi är direktverkande icke-automatisk broms
Diagram över en direktverkande icke-automatisk broms: 1 - kompressor; 2 - huvudtank; 3 - matningsledning; 4 — förarens tågkran; 5 - bromsledning; 6 — bromscylinder; 7 — släppfjäder; 8, 9 — mekanisk bromstransmission; 10 - bromsbelägg.
För att manövrera en sådan broms krävs en tillförsel av tryckluft, lagrad på loket i en speciell tank som kallas huvudreservoar (2). Insprutning av luft i huvudtanken och upprätthållande av konstant tryck i den utförs kompressor (1), driven av lokkraftverket. Tryckluft tillförs bromskontrollanordningarna genom en speciell rörledning som kallas näringsmässigt (NM) eller tryck motorväg (3).
Bilarnas bromsar styrs och tryckluft tillförs dem genom en lång rörledning som går genom hela tåget och kallas bromsledning (TM) (5). När tryckluft tillförs genom TM fylls den bromscylindrar (TC) (6) ansluten direkt till TM. Tryckluft pressar på kolven och trycker bromsbeläggen 10 mot hjulen, både på loket och på bilarna. Bromsning uppstår.
Att sluta bromsa, alltså lämna bromsar, är det nödvändigt att släppa ut luft från bromsledningen till atmosfären, vilket kommer att leda till att bromsmekanismerna återgår till sitt ursprungliga läge på grund av kraften från frigöringsfjädrarna installerade i TC.
För att bromsa är det nödvändigt att ansluta bromsledningen (TM) med matningsledningen (PM). För semester, anslut bromsledningen till atmosfären. Dessa funktioner utförs av en speciell enhet - förarens tågkran (4) - vid inbromsning kopplar den samman PM och PM, när den släpps kopplar den bort dessa rörledningar och släpper samtidigt ut luft från PM till atmosfären.
I ett sådant system finns det en tredje mellanposition för förarkranen - återtak när PM och TM är separerade, men luft släpps ut från TM till atmosfären inte sker, isolerar förarkranen den helt. Trycket som ackumuleras i TM och TC bibehålls och tiden det hålls på den inställda nivån bestäms av mängden luftläckage genom olika läckor, samt av det termiska motståndet hos bromsbeläggen, som värms upp under friktion mot hjuldäcken. Genom att placera den i taket både under inbromsning och under frigöring kan du justera bromskraften i steg. Denna typ av broms ger både stegbromsning och stegfrigöring.
Trots enkelheten hos ett sådant bromssystem har det ett ödesdigert fel - när tåget är frånkopplat spricker bromsledningen, luft strömmar ut från den och tåget lämnas utan bromsar. Det är av denna anledning som en sådan broms inte kan användas i järnvägstransporter, kostnaden för dess fel är för hög. Även utan tågbrott, om det finns ett stort luftläckage, kommer bromseffektiviteten att minska.
Baserat på ovanstående uppstår kravet att tågbromsning inte initieras av en ökning, utan av en minskning av trycket i TM. Men hur fyller man då bromscylindrarna? Detta ger upphov till det andra kravet - varje rörlig enhet på tåget måste lagra en tillförsel av tryckluft, som snabbt måste fyllas på efter varje inbromsning.
Tekniska tankar i slutet av 1872-talet kom till liknande slutsatser, vilket resulterade i skapandet av den första automatiska järnvägsbromsen av George Westinghouse XNUMX.
Westinghouse bromsanordning: 1 - kompressor; 2 - huvudtank; 3 - matningsledning; 4 — förarens tågkran; 5 - bromsledning; 6 — luftfördelare (trippelventil) i Westinghouse-systemet; 7 — bromscylinder; 8 — reservtank; 9 - stoppventil.
Figuren visar strukturen för denna broms (Figur a - manövrering av bromsen under lossning; b - manövrering av bromsen under bromsning). Huvudelementet i Westigauze-bromsen var broms luftfördelare eller, som det ibland kallas, trippelventil. Denna luftfördelare (6) har ett känsligt organ - en kolv som arbetar på skillnaden mellan två tryck - i bromsledningen (TM) och reservbehållaren (R). Om trycket i TM blir mindre än i TC, så rör sig kolven åt vänster, vilket öppnar vägen för luft från CM till TC. Om trycket i TM blir större än trycket i SZ, rör sig kolven åt höger, kommunicerar TC med atmosfären och kommunicerar samtidigt TM och SZ, vilket säkerställer att den senare är fylld med tryckluft från TM.
Således, om trycket i TM minskar av någon anledning, oavsett om det är förarens agerande, överdrivet luftläckage från TM, eller ett tågbrott, kommer bromsarna att fungera. Det vill säga sådana bromsar har automatisk åtgärd. Denna egenskap hos bromsen gjorde det möjligt att lägga till en annan möjlighet för att styra tågbromsarna, som används på passagerartåg till denna dag - ett nödstopp av tåget av en passagerare genom att kommunicera bromsledningen med atmosfären genom en speciell ventil - nödbroms (9).
För dem som är bekanta med den här egenskapen hos tågets bromssystem är det roligt att se filmer där tjuvar-cowboys berömda krokar av en vagn med guld från ett tåg. För att detta ska vara möjligt måste cowboys innan avkoppling stänga ändventilerna på bromsledningen som skiljer bromsledningen från anslutningsslangarna mellan bilarna. Men det gör de aldrig. Å andra sidan har stängda ventiler mer än en gång orsakat fruktansvärda katastrofer i samband med bromsfel, både här (Kamensk 1987, Eral-Simskaya 2011) och utomlands.
På grund av det faktum att fyllningen av bromscylindrarna sker från en sekundär källa till tryckluft (reservtank), utan möjlighet till konstant påfyllning, kallas en sådan broms indirekt agerande. Laddning av bromsen med tryckluft sker endast när bromsen släpps, vilket leder till att bromsen med frekvent bromsning följt av lossning, om det inte finns tillräckligt med tid efter lossningen, kommer bromsen inte att hinna ladda till det önskade trycket. Detta kan resultera i fullständig utmattning av bromsen och förlust av kontroll över tågets bromsar.
Den pneumatiska bromsen har också en annan nackdel relaterad till det faktum att tryckfallet i bromsledningen, som alla störningar, fortplantar sig i luften med en hög, men fortfarande ändlig, hastighet - inte mer än 340 m/s. Varför inte mer? Eftersom ljudhastigheten är idealisk. Men i tågets pneumatiska system finns det ett antal hinder som minskar utbredningshastigheten för tryckfallet i samband med motstånd mot luftflöde. Därför, om inte särskilda åtgärder vidtas, kommer hastigheten för tryckminskningen i TM att bli lägre, ju längre bilen är från loket. I fallet med Westinghouse-bromsen, hastigheten på den sk bromsvåg inte överstiger 180 - 200 m/s.
Men tillkomsten av den pneumatiska bromsen gjorde det möjligt att öka både bromsarnas kraft och effektiviteten i deras kontroll direkt från förarens arbetsplats. Detta fungerade som en kraftfull drivkraft för utvecklingen av järnvägstransporter, vilket ökade hastigheten och vikten av tåg, och som ett resultat en kolossal ökning av godsomsättningen på järnvägen, ökningen av längden på järnvägslinjer runt om i världen.
George Westinghouse var inte bara en uppfinnare, utan också en företagsam affärsman. Han patenterade sin uppfinning redan 1869, vilket gjorde att han kunde lansera massproduktion av bromsutrustning. Ganska snabbt blev Westinghouse-bromsen utbredd i USA, Västeuropa och det ryska imperiet.
I Ryssland regerade Westinghouse-bromsen fram till oktoberrevolutionen och ganska lång tid efter den. Westinghouse-företaget byggde sin egen bromsfabrik i St. Petersburg och slog även skickligt ut konkurrenter från den ryska marknaden. Westinghouse-bromsen hade dock ett antal grundläggande nackdelar.
För det första gav denna broms bara två driftlägen: bromsning tills bromscylindrarna är helt fyllda, och semester — tömning av bromscylindrarna. Det var omöjligt att skapa en mellanliggande mängd bromstryck med dess långsiktiga underhåll, det vill säga Westinghouse-bromsen hade inte ett läge återtak. Detta tillät inte exakt kontroll av tågets hastighet.
För det andra fungerade Westinghouse-bromsen inte bra på långa tåg, och även om detta på något sätt kunde tolereras i persontrafiken uppstod problem i godstrafiken. Kommer du ihåg bromsvågen? Så Westinghouse-bromsen hade inte möjlighet att öka sin hastighet, och i ett långt tåg kunde minskningen av trycket i bromsvätskan på den sista bilen börja för sent, och i en takt som är betydligt lägre än i spetsen av bromsen. tåg, vilket skapade vild ojämn drift av bromsanordningarna över tåget.
Det måste sägas att all verksamhet i Westinghouse-företaget, både i Ryssland på den tiden och över hela världen, är helt och hållet mättad med den kapitalistiska doften av patentkrig och orättvis konkurrens. Det var detta som säkerställde ett så ofullkomligt system ett så långt liv, åtminstone under den historiska perioden.
Med allt detta bör det erkännas att Westinghouse-bromsen lade grunden för bromsvetenskap och principen för dess funktion har förblivit oförändrad i moderna rullande materielbromsar.
2. Från Westinghouse-bromsen till Matrosov-bromsen - bildandet av inhemsk bromsvetenskap.
Nästan omedelbart efter uppkomsten av Westinghouse-bromsen och insikten av dess brister, uppstod försök att förbättra detta system eller skapa ett annat, i grunden nytt. Vårt land var inget undantag. I början av XNUMX-talet hade Ryssland ett utvecklat nätverk av järnvägar, som spelade en betydande roll för att säkerställa landets ekonomiska utveckling och försvarsförmåga. Att öka effektiviteten i transporten är förknippat med en ökning av hastigheten för dess rörelse och massan av samtidigt transporterad last, vilket innebär att frågor om att förbättra bromssystem brådskande har tagits upp.
En betydande drivkraft för utvecklingen av bromsvetenskapen i RSFSR och senare Sovjetunionen var minskningen av inflytandet från det stora västerländska kapitalet, i synnerhet Westinghouse-företaget, på utvecklingen av den inhemska järnvägsindustrin efter oktober 1917.
F.P. Kazantsev (vänster) och I.K. Sjömän (höger) - skaparna av den inhemska järnvägsbromsen
Det första tecknet, den första allvarliga prestationen av ung inhemsk bromsvetenskap, var utvecklingen av ingenjör Florenty Pimenovich Kazantsev. 1921 föreslog Kazantsev ett system direktverkande automatisk broms. Diagrammet nedan beskriver alla huvudidéer som introducerades inte bara av Kazantsev, och dess syfte är att förklara de grundläggande principerna för driften av den förbättrade automatiska bromsen
Direktverkande automatisk broms: 1 - kompressor; 2 - huvudtank; 3 - matningsledning; 4 — förarens tågkran; 5 — läckageanordning för bromsledning; 6 — bromsledning; 7 — anslutning av bromsslangar; 8 - ändventil; 9 - stoppventil; 10 - backventil; 11 — reservtank; 12 — luftfördelare; 13 — bromscylinder; 14 — bromsspaksväxellåda.
Så, den första huvudtanken är att trycket i TM styrs indirekt - genom en minskning/ökning av trycket i en speciell reservoar som kallas överspänningstank (UR). Det visas i bilden till höger om förarkranen (4) och ovanpå strömförsörjningsanordningen för läckor från TM (5). Tätheten hos denna reservoar är tekniskt sett mycket lättare att säkerställa än bromsledningens densitet - ett rör som når flera kilometer långt och går genom hela tåget. Den relativa stabiliteten av trycket i UR gör det möjligt att upprätthålla trycket i TM, med hjälp av trycket i UR som referens. Faktum är att kolven i anordningen (5) när trycket i TM minskar, öppnar ventilen som fyller TM från matningsledningen, och bibehåller därigenom ett tryck i TM lika med trycket i UR. Denna idé hade fortfarande en lång väg att gå i utvecklingen, men nu var trycket i TM inte beroende av närvaron av externa läckor från den (upp till vissa gränser). Enhet 5 migrerade till förarens kran och förblir där, i modifierad form, än i dag.
En annan viktig idé som ligger till grund för konstruktionen av denna typ av broms är strömförsörjningen från bromsvätskan genom backventilen 10. När trycket i bromsventilen överstiger trycket i bromsventilen öppnas denna ventil och fyller ventilen från bromsen vätska. På så sätt fylls läckor kontinuerligt på från reservbehållaren och bromsen tar inte slut.
Den tredje viktiga idén som Kazantsev föreslår är designen av en luftfördelare som fungerar på skillnaden mellan inte två tryck, utan tre - tryck i bromsledningen, tryck i bromscylindern och tryck i en speciell arbetskammare (WC), som under frigöring matas av tryck från bromsledningen , tillsammans med en reservtank. I bromsläge kopplas laddningstrycket från reservbehållaren och bromsledningen, vilket bibehåller värdet på det initiala laddningstrycket. Denna egenskap används i stor utsträckning i bromsar för rullande materiel både för att ge stegvis frigöring och för att kontrollera enhetligheten i fyllningen av TC längs tåget i godståg, eftersom arbetskammaren fungerar som standard för det initiala laddningstrycket. Baserat på dess värde är det möjligt att tillhandahålla stegvis frigöring och organisera tidigare fyllning av köpcentret i bakvagnarna. Jag kommer att lämna en detaljerad beskrivning av dessa saker för andra artiklar om detta ämne, men för nu ska jag bara säga att Kazantsevs arbete fungerade som ett incitament för utvecklingen av en vetenskaplig skola i vårt land, vilket ledde till utvecklingen av original bromssystem för rullande materiel.
En annan sovjetisk uppfinnare som radikalt påverkade utvecklingen av inhemska rullande materielbromsar var Ivan Konstantinovich Matrosov. Hans idéer skilde sig inte i grunden från Kazantsevs idéer, men efterföljande operativa tester av bromssystemen Kazantsev och Matrosov (tillsammans med andra bromssystem) visade det andra systemets betydande överlägsenhet när det gäller prestandaegenskaper när de används främst på godståg. Således är Matrosov-bromsen med en luftfördelare villkorad. Nr 320 blev grunden för vidareutveckling och design av bromsutrustning för 1520 mm spårvidd järnväg. En modern automatisk broms som används i Ryssland och OSS-länderna kan med rätta bära namnet på Matrosovs broms, eftersom den absorberade, i det inledande skedet av sin utveckling, idéerna och designlösningarna från Ivan Konstantinovich.
I stället för en slutsats
Vad är slutsatsen? Arbetet med den här artikeln övertygade mig om att ämnet är värt en serie artiklar. I denna pilotartikel berörde vi historien om utvecklingen av bromsar för rullande materiel. I det följande kommer vi att gå in på saftiga detaljer och beröra inte bara den inhemska bromsen, utan också på utvecklingen av kollegor från Västeuropa, och belyser designen av bromsar av olika typer och typer av rullande materielservice. Så jag hoppas att ämnet kommer att vara intressant och att vi ses igen på navet!
Tack för din uppmärksamhet!
Källa: will.com