Кінетична енергія "Сапсана" на максимальній швидкості - понад 1500 мегаджоулів. Для повної зупинки вона повинна бути розсіяна на гальмівних пристроях
Була справа, саме тут, на Хабрі. Тут публікується чимало оглядових статей на залізничну тематику, проте ця тема ще не висвітлювалася докладно. Думаю, було б досить цікаво написати про це статтю, а можливо й не одну. Тому прошу під кат тих, кому цікаво як влаштовані гальмівні системи залізничного транспорту, і з яких причин вони влаштовані саме так.
1. Історія появи пневматичного гальма
Завдання управління будь-яким транспортом включає регулювання швидкості його руху. Залізничний транспорт є винятком, більше, його конструктивні особливості вносять у процес істотні нюанси. Поїзд складається з великої кількості зчеплених між собою екіпажів, і система, що вийшла, має значну довжину і масу при досить пристойній швидкості руху.
За визначенням, гальма - комплекс пристроїв, призначених для створення штучних, регульованих сил опору, що використовуються для керованого зниження швидкості руху транспортного засобу.
Найбільш очевидний спосіб гальмівного зусилля, що лежить на поверхні, — використання сили тертя. З самого початку і до сьогодні використовується колодкове фрикційне гальмо. Спеціальні пристрої - гальмівні колодки, виготовлені з матеріалу з високим коефіцієнтом тертя, механічно притискаються до поверхні катання колеса (або спеціальних дисків, встановленим на осі колісної пари). Між колодками та колесом виникає сила тертя, що створює гальмівний момент.
Регулювання гальмівного зусилля виконується за рахунок зміни сили притискання колодок до колеса. гальмівного натискання. Питання тільки в тому, який привід використовується для притискання колодок, і історія гальм, почасти, є історія розвитку цього приводу.
Перші залізничні гальма були механічними і приводилися в дію вручну, окремо на кожному вагоні спеціальними людьми — гальмувальниками чи кондукторами. Кондуктори знаходилися на так званих гальмівних майданчиках, якими було обладнано кожен вагон, і приводили в дію гальма за сигналом локомотива машиніста. Обмін сигналами між машиністом і кондукторами здійснювався за допомогою спеціальної сигнальної мотузки, протягнутої вздовж усього поїзда, що робила спеціальний свисток.
Урожай двовісний вантажний вагон з гальмівним майданчиком. Видно комір ручного гальма
Саме по собі гальмо з механічним приводом має малу потужність. Величина гальмівного натискання залежала від сили та вправності кондуктора. До того ж у роботу такої гальмівної системи втручався людський чинник — кондуктори не завжди виконували свої обов'язки. Про високу ефективність таких гальм, а також збільшення швидкості руху поїздів, обладнаних ними говорити не доводилося.
Подальший розвиток гальм вимагав, по-перше, збільшення гальмівного натискання, і по-друге — забезпечення можливості дистанційного керування ним усім вагонах з робочого місця машиніста.
Гідравлічний привід, що застосовується в автомобільних гальмах, набув широкого поширення за рахунок того, що забезпечує високе натискання при компактності виконавчих пристроїв. Однак, при застосуванні такої системи в поїзді виявляться її основний недолік: необхідність у спеціальному робочому тілі — гальмівній рідині, витік якої неприпустимий. Велика протяжність гальмівних гідравлічних ліній у поїзді, разом із високими вимогами до їхньої герметичності унеможливлюють і нераціональним створення гідравлічного залізничного гальма.
Інша справа – пневматичний привід. Використання повітря високого тиску дозволяє отримати високі гальмівні натискання при прийнятних габаритах виконавчих пристроїв гальмівних циліндрів. Немає недоліку в робочому тілі - повітря навколо нас, і навіть якщо виникає витік робочого тіла з гальмівної системи (а вона неодмінно виникає) її можна легко заповнити.
Найпростішою системою гальма, що використовує енергію стисненого повітря прямодіючі неавтоматичні гальма
Схема прямодіючого неавтоматичного гальма: 1 - компресор; 2 - головний резервуар; 3 - поживна магістраль; 4 - поїзний кран машиніста; 5 - гальмівна магістраль; 6 - гальмівний циліндр; 7 - відпускна пружина; 8, 9 - механічна гальмівна передача; 10 - гальмівна колодка.
Для роботи такого гальма необхідний запас стисненого повітря, що зберігається на локомотиві в спеціальному резервуарі головним резервуаром (2). Нагнітання повітря в головний резервуар та підтримання в ньому постійного тиску виконується компресором (1), що приводиться в дію від енергетичної установки локомотива. Подачу стисненого повітря до приладів керування гальмами виконують спеціальним трубопроводом. живильною (ПМ) або напірний магістраллю (3).
Управління гальмами вагонів та подача в них стисненого повітря проводиться за допомогою довгого трубопроводу, що йде через весь поїзд і називається гальмівною магістраллю (ТМ) (5). При подачі стиснутого повітря ТМ він наповнює гальмівні циліндри (ТЦ) (6) підключені безпосередньо до ТМ. Стиснене повітря тисне на поршень, притискаючи гальмівні колодки 10 до колес як на локомотиві, так і на вагонах. Відбувається гальмування.
Для припинення гальмування, тобто відпустки гальм необхідно випустити повітря з гальмівної магістралі в атмосферу, що призведе до повернення гальмівних механізмів у вихідне положення за рахунок зусилля відпускних пружин, встановлених у ТЦ.
Для гальмування необхідно з'єднати гальмівну магістраль (ТМ) із живильною (ПМ). Для відпустки – з'єднати гальмівну магістраль із атмосферою. Ці функції виконує спеціальний прилад. поїзний кран машиніста (4) - при гальмуванні він з'єднує ПМ та ТМ, при відпустці - роз'єднує ці трубопроводи, одночасно випускаючи повітря з ТМ в атмосферу.
У такій системі існує і третє, проміжне положення крана машиніста. перекриш коли ПМ і ТМ роз'єднані, але випуск повітря з ТМ в атмосферу не відбувається — кран машиніста повністю ізолює її. Набраний ТМ і ТЦ тиск зберігається і час його підтримки на встановленому рівні визначається величиною витоків повітря через різні нещільності, а так само термічною стійкістю гальмівних колодок, що нагріваються при терті про бандажі коліс. Постановка в дах як при гальмуванні так і при відпустці дозволяє регулювати гальмівне зусилля сходами. Таке гальмо забезпечує як ступінчасте гальмування, так і ступінчасту відпустку.
При всій простоті такої системи гальма вона має фатальний недолік - при розчепленні поїзда відбувається розрив гальмівної магістралі, повітря з неї виходить і поїзд залишається без гальм. Саме з цієї причини таке гальмо не може бути застосоване на залізничному транспорті, занадто велика ціна його відмови. Навіть без розриву поїзда, за наявності великого витоку повітря, ефективність гальма буде знижена.
З вищесказаного виникає вимога, щоб гальмування поїзда ініціювалося не зростанням, а зниженням тиску ТМ. Але як тоді наповнити гальмівні циліндри? Це дає другу вимогу - на кожній рухомій одиниці в поїзді повинен зберігатися запас стисненого повітря, яке необхідно оперативно поповнювати після кожного гальмування.
До схожих висновків дійшла інженерна думка кінця XIX століття, що виявилося у створенні Джорджем Вестінгаузом у 1872 році першого автоматичного залізничного гальма.
Влаштування гальма Вестингауза: 1 - компресор; 2 - головний резервуар; 3 - поживна магістраль; 4 - поїзний кран машиніста; 5 - гальмівна магістраль; 6 - повітророзподільник (потрійний клапан) системи Вестінгауза; 7 - гальмівний циліндр; 8 - запасний резервуар; 9 - стоп-кран.
На малюнку показано пристрій цього гальма (рисунок а - робота гальма при відпустці; б - робота гальма при гальмуванні). Головним елементом гальма Вестигауза став гальмівний розподільник повітря або, як його ще іноді називають, потрійний клапан. Цей розподільник повітря (6) має чутливий орган - поршень, що працює на різниці двох тисків - в гальмівній магістралі (ТМ) і запасному резервуарі (ЗР). Якщо тиск у ТМ стає меншим ніж у ЗР, то поршень зміщується вліво, відкриваючи шлях повітря з ЗР у ТЦ. Якщо тиск у ТМ стає більшим за тиск у ЗР — поршень зміщується вправо, повідомляючи ТЦ з атмосферою, і одночасно повідомляючи ТМ і ЗР, забезпечуючи наповнення останнього стисненим повітрям з ТМ.
Таким чином, при зниженні тиску в ТМ з будь-якої причини, чи то дії машиніста, чи надмірний витік повітря з ТМ, чи розрив поїзда — гальма спрацюють. Тобто такі гальма мають автоматичністю дії. Ця властивість гальма дозволила додати ще одну можливість з керування гальмами поїзда, що використовується на пасажирських поїздах і досі — екстрена зупинка поїзда пасажиром шляхом сполучення гальмівної магістралі з атмосферою через спеціальний клапан. Стоп кран (9).
Тим знайомий з цією особливістю гальмівної системи поїзда смішно дивитися фільми, де злодії-ковбої хвацько відчіплюють від поїзда вагон із золотом. Для того, щоб подібне можна було здійснити, ковбої повинні перед відчіпкою перекрити кінцеві крани на гальмівній магістралі, що роз'єднують гальмівну магістраль від сполучних рукавів між вагонами. Але вони цього ніколи не роблять. З іншого боку, перекриті кінцеві крани неодноразово спричинили страшні катастрофи, пов'язані з відмовою гальма, як у нас (Каменськ 1987 року, Єрал-Сімська 2011), так і за кордоном.
Через те, що наповнення гальмівних циліндрів походить від вторинного джерела стисненого повітря (запасного резервуара), без можливості його постійного поповнення, таке гальмо називається непрямодіючим. Зарядка ЗР стисненим повітрям відбувається тільки при відпустці гальма, що призводить до того, що при частих гальмуваннях з наступною відпусткою, при недостатній витримці часу після відпустки ЗР не встигнуть зарядиться до потрібного тиску. Це може призвести до повного виснаження гальма та втрати керування гальмами поїзда.
Пневматичний гальмо має й інший недолік, пов'язаний з тим, що падіння тиску в гальмівній магістралі, як і будь-яке обурення, в повітряному середовищі поширюється з великою, але все ж таки кінцевою швидкістю — не більше 340 м/с. Чому не більше? Тому що швидкість звуку – це ідеальний варіант. Але в пневмосистемі поїзда існує низка перешкод, що знижують швидкість поширення стрибка зниження тиску, пов'язаних із опором перебігу повітря. Тому, якщо не вживати спеціальних заходів, швидкість зниження тиску в ТМ буде тим нижчою, чим далі від локомотива знаходиться вагон. У разі гальма Вестингауза швидкість так званої гальмівної хвилі не перевищує 180 - 200 м/с.
Тим не менш, поява пневматичного гальма дозволила підвищити як потужність гальм, так і оперативність керування ними безпосередньо з робочого місця машиніста. зростання протяжності залізничних ліній у всьому світі.
Джордж Вестінгауз був не тільки винахідником, а й підприємливим ділком. Свій винахід він запатентував ще 1869, що дозволило йому розгорнути масове виробництво гальмівного обладнання. Досить швидко гальмо Вестингауза набуло широкого поширення в США, Західній Європі та Російській Імперії.
У Росії гальмо Вестингауза безроздільно панував до Жовтневої революції, та й досить довгий час після неї. Фірма «Вестингауз» збудувала в Петербурзі свій гальмівний завод, а також вміло витіснила з російського ринку конкурентів. Однак, гальмо Вестингауза мало низку принципових недоліків.
По-перше, це гальмо забезпечувало лише два режими роботи: гальмування до повного наповнення гальмівних циліндрів, та відпустку - Випорожнення гальмівних циліндрів. Створити проміжну величину гальмівного натискання з його тривалою підтримкою було неможливо, тобто в гальмі Вестінгауза був відсутній режим перекриші. Не дозволяло реалізувати точне управління швидкістю поїзда.
По-друге, гальмо Вестінгауза погано працювало в довгих поїздах, і якщо в пасажирському русі з цим можна було якось миритися, то у вантажному виникали проблеми. Пам'ятаєте про гальмівну хвилю? Так от, гальмо Вестингауза не мало засобами збільшення її швидкості, і в довгому поїзді зниження тиску в ТМ на останньому вагоні могло початися занадто пізно, та й темпом, істотно нижче, ніж у голові поїзда, що створювало дику нерівномірність спрацьовування гальмівних приладів за складом.
Треба сказати, що вся діяльність фірми «Вестингауз», як у Росії на той час, і у всьому світі наскрізь просочена капіталістичним душком патентних воєн і недобросовісної конкуренції. Це й забезпечило таку недосконалу систему таке довге життя, принаймні в той історичний період.
При цьому слід визнати - гальмо Вестингауза заклало основи гальмівної науки і принцип його дії залишився незмінним у сучасних гальмах рухомого складу.
2. Від гальма Вестінгауза до гальма Матросова - становлення вітчизняної гальмівної науки.
Фактично відразу після появи гальма Вестингауза і усвідомлення його недоліків з'явилися спроби вдосконалення цієї системи, або створення іншої, принципово нової. Наша країна була винятком. На початок XX століття Росія мала розвинену мережу залізниць, які грали значну роль у забезпеченні економічного розвитку та обороноздатності країни. Підвищення ефективності транспорту пов'язане зі збільшенням швидкості його руху і маси вантажу, що одночасно перевозиться, а значить гостро порушувалися питання вдосконалення гальмівних систем.
Істотним поштовхом до розвитку гальмівної науки в РРФСР та СРСР послужило зниження вплив великого західного капіталу, зокрема фірми «Вестингауз», в розвитку вітчизняної залізничної галузі після жовтня 1917 року.
Ф.П. Казанцев (ліворуч) та І.К. Матросів (праворуч) — творці вітчизняного залізничного гальма
Першою ластівкою, першим серйозним досягненням молодої вітчизняної гальмівної науки стали розробки інженера Флорентія Піменовича Казанцева. 1921 року Казанцев запропонував систему прямодіючого автоматичного гальма. Наведена нижче схема описує всі основні ідеї, привнесені не тільки Казанцевим, та її завдання пояснити основні принципи роботи вдосконаленого автоматичного гальма.
Прямодіючий автоматичний гальмо: 1 - компресор; 2 - головний резервуар; 3 - поживна магістраль; 4 - поїзний кран машиніста; 5 - пристрій живлення витоків гальмівної магістралі; 6 - гальмівна магістраль; 7 - сполучні гальмівні рукави; 8 - кінцевий кран; 9 - стоп-кран; 10 - зворотний клапан; 11 - запасний резервуар; 12 - розподільник повітря; 13 - гальмівний циліндр; 14 - гальмівна важільна передача.
Отже, першою основною ідеєю є те, що керування тиском у ТМ здійснюється опосередковано через зниження/підвищення тиску в спеціальному резервуарі, званому зрівняльним резервуаром (УР). Він показаний на малюнку праворуч від крана машиніста (4) та зверху від пристрою живлення витоків із ТМ (5). Щільність цього резервуара забезпечити технічно набагато легше ніж щільність гальмівної магістралі — труби, що довжиною досягає кілометрових порядків і йде через весь поїзд. Відносна стабільність тиску в УР дозволяє підтримувати тиск у ТМ, використовуючи тиск в УР як задає. І справді, поршень у пристрої (5) при зниженні тиску ТМ опускається вниз, відкриваючи клапан, що наповнює ТМ з живильної магістралі, тим самим підтримуючи в ТМ тиск, що дорівнює тиску в УР. Ця ідея мала ще довгий шлях розвитку, але тепер тиск у ТМ не залежав від наявності зовнішніх витоків з неї (до відомих меж). Пристрій 5 перекочував у кран машиніста і залишається в ньому, в модифікованому вигляді, і до цього дня.
Іншою важливою ідеєю, що лежить в основі конструкції даного типу гальма, є живлення ЗР від ТМ через зворотний клапан 10. При перевищенні тиску в ТМ над тиском ЗР цей клапан відкривається, наповнюючи ЗР з ТМ. Таким чином відбувається безперервне поповнення витоків із запасного резервуара та забезпечується невичерпність гальма.
Третьою важливою ідеєю, запропонованою Казанцевим, є конструкція розподільника повітря, який працює на різниці не двох тисків, а трьох — тиску в гальмівній магістралі, тиску в гальмівному циліндрі, і тиску в спеціальній робочій камері (РК), яка при відпустці живиться тиском від гальмівної магістралі , разом із запасним резервуаром. У режимі гальмування РК роз'єднується із запасним резервуаром та гальмівною магістраллю, зберігаючи величину початкового зарядного тиску. Ця властивість широко використовується в гальмах рухомого складу як для забезпечення ступінчастої відпустки, так і для управління рівномірністю наповнення ТЦ вздовж поїзда у вантажних складах, тому що робоча камера є еталоном початкового зарядного тиску. Виходячи з його величини можна забезпечити і ступінчасту відпустку та організувати більш раннє наповнення ТЦ у хвостових вагонах. Детальний опис цих речей залишу для інших статей на цю тему, поки що скажу, що роботи Казанцева послужили стимулом для розвитку в нашій країні наукової школи, що призвела до розробки оригінальних систем гальма рухомого складу.
Іншим радянським винахідником, який кардинально вплинув на розвиток вітчизняних гальм рухомого складу, став Іван Костянтинович Матросов. Його ідеї, принципово не відрізнялися від ідей Казанцева, проте пізніше експлуатаційні випробування систем гальм Казанцева і Матросова (разом з іншими системами гальма) показали істотну перевагу другої системи в частині експлуатаційних характеристик при застосуванні, перш за все, на вантажних поїздах. Таким чином гальмо Матросова з розподільником повітря ум. №320 став основою для подальшої розробки та проектування гальмівного обладнання залізниць колії 1520 міліметрів. Сучасне автоматичне гальмо, що використовується в Росії та країнах СНД, по праву може носити ім'я гальма Матросова, оскільки ввібрав, на початковому етапі свого розвитку, ідеї та конструкторські рішення Івана Костянтиновича.
Замість висновку
А який висновок? Робота над цією статтею переконала мене в тому, що тема варта циклу статей. У цій, пілотній статті, ми торкнулися історії розвитку гальм рухомого складу. У наступних підемо в пікантні подробиці, торкнувшись не тільки вітчизняного гальма, а й розробки колег із Західної Європи, висвітливши влаштування гальм різних типів та роду служби рухомого складу. Отже, я сподіваюся, що тема буде цікавою, і до нових зустрічей на хабрі!
Дякую за вашу увагу!
Джерело: habr.com