Sapsan'ın maksimum hızda kinetik enerjisi 1500 megajoule'ün üzerindedir. Tam bir durma için tümünün fren cihazları tarafından dağıtılması gerekir.
Bir anlaşma oldu tam burada, Habré'de. Burada demiryolu konularıyla ilgili oldukça fazla inceleme makalesi yayınlanıyor, ancak bu konu henüz ayrıntılı olarak ele alınmadı. Bu konuda bir makale, hatta birden fazla makale yazmanın oldukça ilginç olacağını düşünüyorum. Bu nedenle demiryolu ulaşımının fren sistemlerinin nasıl tasarlandığını, hangi sebeplerle bu şekilde tasarlandığını merak edenlerin kedisini rica ediyorum.
1. Hava freninin tarihçesi
Herhangi bir aracı kontrol etme görevi, hızının düzenlenmesini içerir. Demiryolu taşımacılığı da bir istisna değildir; ayrıca tasarım özellikleri bu sürece önemli nüanslar katmaktadır. Tren çok sayıda birbirine bağlı vagondan oluşuyor ve ortaya çıkan sistem oldukça uygun bir hızda önemli bir uzunluğa ve ağırlığa sahip.
Tanım gereği, frenler, bir aracın hızını kontrollü bir şekilde azaltmak için kullanılan yapay, ayarlanabilir direnç kuvvetleri oluşturmak üzere tasarlanmış bir dizi cihazdır.
Görünüşte frenleme kuvveti yaratmanın en bariz yolu sürtünmeyi kullanmaktır. Başlangıçtan günümüze kadar pabuç sürtünmeli frenler kullanılmıştır. Özel cihazlar - yüksek sürtünme katsayısına sahip bir malzemeden yapılmış fren balataları, tekerleğin yuvarlanma yüzeyine (veya tekerlek takımının aksına monte edilmiş özel disklere) mekanik olarak bastırılır. Balatalar ve tekerlek arasında bir frenleme torku oluşturan bir sürtünme kuvveti ortaya çıkar.
Frenleme kuvveti, pedlerin tekerleğe doğru bastırılması kuvveti değiştirilerek ayarlanır - fren basıncı. Tek soru, balatalara basmak için hangi tahrikin kullanıldığıdır ve kısmen frenlerin tarihi, bu tahrikin gelişim tarihidir.
İlk demiryolu frenleri mekanikti ve her vagonda ayrı ayrı özel kişiler (frenciler veya kondüktörler) tarafından manuel olarak çalıştırılıyordu. İletkenler, her arabanın donatıldığı fren platformları üzerine yerleştirildi ve lokomotif sürücüsünün sinyali üzerine frenleri uyguladılar. Sürücü ile kondüktörler arasındaki sinyal alışverişi, tüm tren boyunca uzanan ve özel bir düdüğü harekete geçiren özel bir sinyal halatı kullanılarak gerçekleştirildi.
Fren balatalı klasik iki dingilli yük vagonu. El freni düğmesi görünür
Mekanik olarak çalıştırılan frenin kendisi çok az güce sahiptir. Fren basıncının miktarı iletkenin gücüne ve el becerisine bağlıydı. Ek olarak, insan faktörü böyle bir fren sisteminin çalışmasına müdahale ediyordu - iletkenler görevlerini her zaman doğru şekilde yerine getirmiyordu. Bu tür frenlerin yüksek verimliliğinden ve bunlarla donatılmış trenlerin hızındaki artıştan bahsetmeye gerek yoktu.
Frenlerin daha da geliştirilmesi, öncelikle fren basıncının arttırılmasını ve ikinci olarak tüm araçların sürücünün çalışma yerinden uzaktan kontrol edilebilmesini gerektirdi.
Otomobil frenlerinde kullanılan hidrolik tahrik, kompakt aktüatörlerle yüksek basınç sağlaması nedeniyle yaygınlaşmıştır. Bununla birlikte, böyle bir sistemi trende kullanırken, ana dezavantajı ortaya çıkacaktır: özel bir çalışma sıvısına duyulan ihtiyaç - sızıntısı kabul edilemez olan fren hidroliği. Bir trendeki fren hidrolik hatlarının büyük uzunluğu ve bunların sıkılığına yönelik yüksek gereksinimler, bir hidrolik demiryolu freninin oluşturulmasını imkansız ve mantıksız hale getirmektedir.
Başka bir şey pnömatik tahriktir. Yüksek basınçlı havanın kullanılması, aktüatörlerin - fren silindirlerinin kabul edilebilir boyutlarında yüksek fren basınçları elde etmeyi mümkün kılar. Çalışma sıvısı sıkıntısı yok - etrafımızda hava var ve fren sisteminden çalışma sıvısı sızıntısı olsa bile (ve kesinlikle öyle), nispeten kolay bir şekilde yeniden doldurulabilir.
Basınçlı hava enerjisini kullanan en basit fren sistemi doğrudan etkili otomatik olmayan fren
Doğrudan etkili otomatik olmayan bir frenin şeması: 1 - kompresör; 2 - ana tank; 3 - besleme hattı; 4 - sürücü treni vinci; 5 - fren hattı; 6 - fren silindiri; 7 - serbest bırakma yayı; 8, 9 - mekanik fren iletimi; 10 - fren balatası.
Böyle bir freni çalıştırmak için lokomotifte özel bir tankta depolanan basınçlı hava gereklidir. ana rezervuar (2). Ana tanka hava enjekte edilerek içindeki basıncın sabit tutulması gerçekleştirilir. kompresör (1), lokomotif enerji santrali tarafından tahrik edilmektedir. Fren kontrol cihazlarına basınçlı hava, adı verilen özel bir boru hattı aracılığıyla sağlanır. beslenme (NM) veya basınç otoyol (3).
Arabaların frenleri kontrol edilir ve tüm tren boyunca uzanan uzun bir boru hattı aracılığıyla onlara basınçlı hava verilir ve çağrılır. fren hattı (TM) (5). TM aracılığıyla basınçlı hava sağlandığında, doldurulur fren silindirleri (TC) (6) doğrudan TM'ye bağlanır. Basınçlı hava, hem lokomotifte hem de arabalarda fren balatalarını (10) tekerleklere doğru bastırarak pistona baskı yapar. Frenleme meydana gelir.
Frenlemeyi durdurmak için yani ayrılmak frenler, fren hattından atmosfere havanın serbest bırakılması gerekir, bu da TC'ye takılı serbest bırakma yaylarının kuvveti nedeniyle fren mekanizmalarının orijinal konumlarına dönmesine yol açacaktır.
Fren yapmak için fren hattını (TM) besleme hattına (PM) bağlamak gerekir. Tatil için fren hattını atmosfere bağlayın. Bu işlevler özel bir cihaz tarafından gerçekleştirilir - sürücü treni vinci (4) - fren yaparken PM ve PM'yi bağlar, serbest bırakıldığında bu boru hatlarının bağlantısını keser ve aynı anda PM'den atmosfere hava salar.
Böyle bir sistemde sürücü vincinin üçüncü bir ara konumu vardır - yeniden çatı PM ve TM ayrıldığında ancak TM'den atmosfere hava salınımı gerçekleşmediğinde sürücünün vinci onu tamamen izole eder. TM ve TC'de biriken basınç korunur ve ayarlanan seviyede tutulma süresi, çeşitli sızıntılardan kaynaklanan hava sızıntısı miktarına ve ayrıca sürtünme sırasında ısınan fren balatalarının termal direncine göre belirlenir. tekerlek lastikleri. Hem frenleme sırasında hem de serbest bırakma sırasında tavana yerleştirilmesi, frenleme kuvvetini kademeli olarak ayarlamanıza olanak tanır. Bu tip fren hem kademeli frenleme hem de kademeli serbest bırakma sağlar.
Böyle bir fren sisteminin basitliğine rağmen ölümcül bir kusuru vardır - tren ayrıldığında fren hattı kırılır, hava ondan kaçar ve tren frensiz kalır. Bu nedenle demiryolu taşımacılığında böyle bir fren kullanılamaz, arızalanmasının maliyeti çok yüksektir. Tren yırtılmasa bile büyük bir hava kaçağı varsa fren verimi düşecektir.
Yukarıdakilere dayanarak, tren frenlemesinin TM'deki basınçtaki bir artışla değil, bir azalmayla başlatılması gerekliliği ortaya çıkar. Peki o zaman fren silindirlerini nasıl dolduracağız? Bu, ikinci gereksinimi doğurur: Trendeki her hareketli ünite, her frenlemeden sonra derhal yenilenmesi gereken bir basınçlı hava kaynağı depolamalıdır.
1872. yüzyılın sonundaki mühendislik düşüncesi de benzer sonuçlara vardı ve bu, XNUMX'de George Westinghouse tarafından ilk otomatik demiryolu freninin yaratılmasıyla sonuçlandı.
Westinghouse fren cihazı: 1 - kompresör; 2 - ana tank; 3 - besleme hattı; 4 - sürücü treni vinci; 5 - fren hattı; 6 - Westinghouse sisteminin hava dağıtıcısı (üçlü valf); 7 - fren silindiri; 8 - yedek tank; 9 - durdurma vanası.
Şekil bu frenin yapısını göstermektedir (Şekil a - serbest bırakma sırasında frenin çalışması; b - frenleme sırasında frenin çalışması). Westigauze freninin ana unsuru şuydu: fren hava distribütörü veya bazen denildiği gibi, üçlü vana. Bu hava distribütörü (6), fren hattında (TM) ve yedek haznede (R) iki basınç arasındaki farkla çalışan bir piston olan hassas bir organa sahiptir. TM'deki basınç TC'den daha az olursa piston sola doğru hareket ederek CM'den TC'ye hava yolunu açar. TM'deki basınç SZ'deki basınçtan daha yüksek olursa, piston sağa doğru hareket ederek TC'yi atmosferle iletişim kurar ve aynı zamanda TM ile SZ'yi iletişim halinde tutarak ikincisinin basınçlı havayla doldurulmasını sağlar. TM.
Böylece, sürücünün hareketleri, TM'den aşırı hava sızıntısı veya trenin patlaması gibi herhangi bir nedenle TM'deki basınç düşerse frenler çalışacaktır. Yani, bu tür frenler var otomatik eylem. Frenin bu özelliği, bugüne kadar yolcu trenlerinde kullanılan tren frenlerini kontrol etmek için başka bir olasılığın eklenmesini mümkün kıldı - özel bir valf aracılığıyla fren hattını atmosferle iletişim kurarak trenin bir yolcu tarafından acil olarak durdurulması - acil freni (9).
Trenin fren sisteminin bu özelliğine aşina olanlar için, hırsız-kovboyların altın dolu bir arabayı trenden çıkardığı ünlü filmleri izlemek eğlencelidir. Bunun mümkün olabilmesi için kovboyların, fren hattını arabalar arasındaki bağlantı hortumlarından ayıran fren hattı üzerindeki uç valfleri ayırmadan önce kapatması gerekir. Ama asla yapmazlar. Öte yandan, kapalı uçlu valfler, hem burada (1987'de Kamensk, 2011'de Eral-Simskaya) hem de yurt dışında, birden fazla kez fren arızasıyla bağlantılı korkunç felaketlere neden olmuştur.
Fren silindirlerinin doldurulmasının ikincil bir basınçlı hava kaynağından (yedek tank) sürekli olarak yenilenmesi mümkün olmaksızın gerçekleşmesi nedeniyle, böyle bir frene fren denir. dolaylı olarak etkili. Frenin basınçlı hava ile şarj edilmesi yalnızca fren serbest bırakıldığında gerçekleşir; bu, sık sık frenleme ve ardından serbest bırakma durumunda, serbest bırakıldıktan sonra yeterli süre yoksa, frenin gerekli basınca şarj olmak için zamanı olmayacağı gerçeğine yol açar. Bu, frenin tamamen tükenmesine ve trenin frenlerinin kontrolünün kaybedilmesine neden olabilir.
Pnömatik frenin ayrıca, fren hattındaki basınç düşüşünün, herhangi bir rahatsızlık gibi, havada yüksek ancak yine de sonlu bir hızla (340 m/s'den fazla olmayan) yayılmasıyla ilgili başka bir dezavantajı vardır. Neden daha fazla olmasın? Çünkü ses hızı idealdir. Ancak trenin pnömatik sisteminde, hava akışına dirençle ilişkili basınç düşüşünün yayılma hızını azaltan bir takım engeller vardır. Bu nedenle özel önlemler alınmadığı sürece vagon lokomotiften uzaklaştıkça TM'deki basınç düşme oranı daha düşük olacaktır. Westinghouse freni durumunda, sözde frenin hızı frenleme dalgası 180 - 200 m/s'yi aşmaz.
Bununla birlikte, pnömatik frenin ortaya çıkışı, hem frenlerin gücünü hem de doğrudan sürücünün çalışma yerinden kontrol verimliliğini arttırmayı mümkün kıldı.Bu, demiryolu taşımacılığının gelişmesi için güçlü bir itici güç oldu, hız ve ağırlık arttı. trenler ve bunun sonucunda demiryolundaki yük cirosunda muazzam bir artış, dünya çapında demiryolu hatlarının uzunluğundaki artış.
George Westinghouse sadece bir mucit değil aynı zamanda girişimci bir iş adamıydı. 1869'da buluşunun patentini aldı ve bu ona fren ekipmanlarının seri üretimine başlamasına olanak sağladı. Oldukça hızlı bir şekilde Westinghouse freni ABD, Batı Avrupa ve Rusya İmparatorluğu'nda yaygınlaştı.
Rusya'da Westinghouse freni Ekim Devrimi'ne kadar ve devrimden sonra da oldukça uzun bir süre üstünlüğünü sürdürdü. Westinghouse şirketi, St. Petersburg'da kendi fren fabrikasını kurdu ve aynı zamanda rakiplerini ustaca Rusya pazarından uzaklaştırdı. Ancak Westinghouse freninin bir takım temel dezavantajları vardı.
İlk olarak, bu fren yalnızca iki çalışma modu sağlıyordu: frenleme Fren silindirleri tamamen dolana kadar ve tatil — fren silindirlerinin boşaltılması. Uzun süreli bakımıyla orta düzeyde fren basıncı oluşturmak imkansızdı, yani Westinghouse freninin modu yoktu yeniden çatı. Bu, tren hızının hassas kontrolüne izin vermedi.
İkincisi, Westinghouse freni uzun trenlerde pek işe yaramadı ve yolcu trafiğinde bu bir şekilde tolere edilebilirken yük trafiğinde sorunlar ortaya çıktı. Frenleme dalgasını hatırladın mı? Bu nedenle, Westinghouse freni hızını artırma olanağına sahip değildi ve uzun bir trende, son vagondaki fren hidroliğindeki basınç düşüşü çok geç başlayabilir ve bu oran, vagonun başındaki orandan önemli ölçüde daha düşük olabilir. tren boyunca fren cihazlarının dengesiz çalışmasına neden olan tren.
Westinghouse şirketinin hem o dönemde Rusya'da hem de dünya çapındaki tüm faaliyetlerinin, patent savaşları ve haksız rekabetin kapitalist kokusuna tamamen doymuş olduğu söylenmelidir. Bu kadar kusurlu bir sistemin, en azından o tarihsel dönemde, bu kadar uzun ömürlü olmasını sağlayan şey budur.
Bütün bunlarla birlikte, Westinghouse freninin fren biliminin temellerini attığı ve çalışma prensibinin modern demiryolu taşıtları frenlerinde değişmeden kaldığı kabul edilmelidir.
2. Westinghouse freninden Matrosov frenine - yerli fren biliminin oluşumu.
Westinghouse freninin ortaya çıkmasından ve eksikliklerinin farkına varılmasından hemen sonra, bu sistemi iyileştirme veya temelde yeni bir tane yaratma girişimleri ortaya çıktı. Ülkemiz bir istisna değildi. XNUMX. yüzyılın başında Rusya, ülkenin ekonomik kalkınmasının ve savunma kabiliyetinin sağlanmasında önemli rol oynayan gelişmiş bir demiryolları ağına sahipti. Taşımacılığın verimliliğinin arttırılması, hareket hızının ve aynı anda taşınan kargo kütlesinin artmasıyla ilişkilidir; bu, fren sistemlerinin iyileştirilmesi sorunlarının acilen gündeme geldiği anlamına gelir.
RSFSR'de ve daha sonra SSCB'de fren biliminin gelişmesi için önemli bir itici güç, Ekim 1917'den sonra büyük Batı sermayesinin, özellikle de Westinghouse şirketinin yerli demiryolu endüstrisinin gelişimi üzerindeki etkisinin azalmasıydı.
F.P. Kazantsev (solda) ve I.K. Denizciler (sağda) - yurtiçi demiryolu freninin yaratıcıları
Genç yerli fren biliminin ilk ciddi başarısı olan ilk işaret, mühendis Florenty Pimenovich Kazantsev'in gelişimiydi. 1921'de Kazantsev bir sistem önerdi doğrudan etkili otomatik fren. Aşağıdaki şemada sadece Kazantsev tarafından ortaya atılan tüm ana fikirler açıklanmamakta olup, amacı geliştirilmiş otomatik frenin temel çalışma prensiplerini açıklamaktır.
Doğrudan etkili otomatik fren: 1 - kompresör; 2 - ana tank; 3 - besleme hattı; 4 - sürücü treni vinci; 5 - fren hattı sızıntısı besleme cihazı; 6 - fren hattı; 7 - fren hortumlarının bağlanması; 8 - uç valfi; 9 - durdurma vanası; 10 - çek valf; 11 - yedek tank; 12 - hava dağıtıcısı; 13 - fren silindiri; 14 - fren kolu iletimi.
Dolayısıyla ilk ana fikir, TM'deki basıncın dolaylı olarak kontrol edilmesidir - adı verilen özel bir rezervuardaki basıncın azaltılması/arttırılması yoluyla. dalgalanma tankı (UR). Şekilde sürücü musluğunun (4) sağında ve güç kaynağı cihazının üstünde TM'den (5) sızıntı olup olmadığı gösterilmektedir. Bu rezervuarın yoğunluğunu sağlamak, teknik olarak, birkaç kilometre uzunluğa ulaşan ve tüm tren boyunca uzanan bir boru olan fren hattının yoğunluğunu sağlamaktan çok daha kolaydır. UR'deki basıncın göreceli stabilitesi, UR'deki basıncı referans olarak kullanarak TM'deki basıncın korunmasını mümkün kılar. Aslında cihazdaki (5) piston, TM'deki basınç azaldığında, besleme hattından TM'yi dolduran valfi açarak TM'deki basıncı UR'deki basınca eşit tutar. Bu fikrin geliştirilmesinde hala kat edilmesi gereken uzun bir yol vardı, ancak artık TM'deki baskı, ondan gelen dış sızıntıların varlığına (belirli sınırlara kadar) bağlı değildi. Cihaz 5, operatörün vincine taşındı ve bugüne kadar değiştirilmiş bir biçimde orada kaldı.
Bu tip frenin tasarımının altında yatan bir diğer önemli fikir, çek valf 10 aracılığıyla fren hidroliğinden güç sağlanmasıdır. Fren valfindeki basınç, fren valfindeki basıncı aştığında, bu valf açılır ve valfi frenden doldurur. sıvı. Bu sayede sızıntılar yedek hazneden sürekli olarak yenilenir ve fren bitmez.
Kazantsev tarafından önerilen üçüncü önemli fikir, iki basınç değil üç basınç farkıyla çalışan bir hava dağıtıcısının tasarımıdır - fren hattındaki basınç, fren silindirindeki basınç ve özel bir çalışma odasındaki (WC) basınç, serbest bırakma sırasında yedek bir tankla birlikte fren hattından gelen basınçla beslenir. Frenleme modunda, başlangıç dolum basıncının değeri korunarak, dolum basıncının yedek rezervuardan ve fren hattından bağlantısı kesilir. Bu özellik, hem adım adım serbest bırakma sağlamak hem de yük trenlerinde TC'nin tren boyunca doldurulmasının tekdüzeliğini kontrol etmek için demiryolu taşıtları frenlerinde yaygın olarak kullanılır, çünkü çalışma odası ilk yükleme basıncı için bir standart görevi görür. Değerine bağlı olarak, kuyruk arabalarında kademeli olarak serbest bırakılmasını sağlamak ve alışveriş merkezinin daha erken doldurulmasını organize etmek mümkündür. Bu konuyla ilgili diğer makaleler için bunların ayrıntılı bir açıklamasını bırakacağım, ancak şimdilik sadece Kazantsev'in çalışmasının ülkemizde bir bilim okulunun gelişmesi için bir teşvik görevi gördüğünü ve bu da orijinalin gelişmesine yol açtığını söyleyeceğim. Demiryolu taşıtlarının fren sistemleri.
Yerli demiryolu araçlarının frenlerinin gelişimini kökten etkileyen bir diğer Sovyet mucidi de Ivan Konstantinovich Matrosov'du. Fikirleri temelde Kazantsev'in fikirlerinden farklı değildi, ancak Kazantsev ve Matrosov fren sistemlerinin (diğer fren sistemleriyle birlikte) daha sonraki operasyonel testleri, ikinci sistemin öncelikle yük trenlerinde kullanıldığında performans özellikleri açısından önemli üstünlüğünü gösterdi. Bu nedenle, hava dağıtıcılı Matrosov freni şartlıdır. No. 320, 1520 mm hat açıklığına sahip demiryolları için fren ekipmanının daha da geliştirilmesi ve tasarımının temelini oluşturdu. Rusya ve BDT ülkelerinde kullanılan modern otomatik fren, gelişiminin ilk aşamasında Ivan Konstantinovich'in fikirlerini ve tasarım çözümlerini özümsediği için haklı olarak Matrosov freni adını taşıyabilir.
Bunun yerine bir sonuca
Sonuç nedir? Bu makale üzerinde çalışmak, konunun bir dizi makaleye layık olduğu konusunda beni ikna etti. Bu pilot makalede demiryolu taşıtları frenlerinin gelişim tarihine değindik. Aşağıda sadece yerli frene değil, aynı zamanda Batı Avrupa'daki meslektaşlarımızın gelişmelerine de değinerek, çeşitli tip ve demiryolu taşıtları hizmet türlerindeki frenlerin tasarımını vurgulayarak ilginç ayrıntılara gireceğiz. Umarım konu ilgi çekici olur ve tekrar merkezde görüşürüz!
İlginiz için teşekkür ederim!
Kaynak: habr.com