Sapsan 最大速度时的动能超过 1500 兆焦耳。 为了完全停止，所有这些能量都必须通过制动装置消散。
没关系 就在哈布雷这里。 这里发表了相当多有关铁路主题的评论文章，但尚未详细讨论该主题。 我认为写一篇关于这个的文章会很有趣，而且可能不止一篇。 因此，我向那些对铁路运输制动系统是如何设计的，以及为什么这样设计感兴趣的人询问一下。
1. 空气制动器的历史
控制任何车辆的任务包括调节其速度。 铁路运输也不例外；此外，其设计特点给这一过程带来了显着的细微差别。 火车由大量相互连接的车厢组成，由此产生的系统具有相当大的长度和重量，并且速度非常快。
根据定义， 制动器是一组旨在产生人工、可调节阻力的装置，用于可控地降低车辆的速度。
从表面上看，产生制动力的最明显方法是使用摩擦力。 从一开始直到今天，一直使用蹄式摩擦制动器。 特殊装置——由高摩擦系数材料制成的刹车片以机械方式压在车轮的滚动表面上（或压在安装在轮组轴上的特殊圆盘上）。 刹车片和车轮之间产生摩擦力，产生制动扭矩。
通过改变刹车片压在车轮上的力来调节制动力 - 制动压力。 唯一的问题是用什么驱动器来压刹车片，而刹车的历史在某种程度上就是这种驱动器的发展历史。
第一个铁路制动器是机械式的，由专门的人员（制动员或售票员）在每节车厢上单独手动操作。 列车员位于每节车厢都配备的所谓制动平台上，他们根据机车驾驶员的信号进行制动。 司机和售票员之间的信号交换是通过一条沿着整列火车延伸的特殊信号绳进行的，该信号绳会启动特殊的哨子。
带刹车片的老式两轴货车。 手刹旋钮可见
机械驱动制动器本身功率很小。 制动压力的大小取决于导体的强度和灵活性。 此外，人为因素干扰了这种制动系统的运行——列车员并不总是正确履行其职责。 无需谈论这种制动器的高效率，以及配备它们的列车速度的提高。
制动器的进一步发展首先需要增加制动压力，其次需要能够从驾驶员工作场所远程控制所有汽车。
汽车制动器中使用的液压驱动装置由于通过紧凑的执行器提供高压而变得广泛。 然而，当在火车上使用这种系统时，它的主要缺点就会出现：需要特殊的工作液——制动液，其泄漏是不可接受的。 列车制动液压管路长度大、密封性要求高，导致铁路液压制动器不可能且不合理。
另一件事是气动驱动。 使用高压空气可以在执行器（制动缸）尺寸可接受的情况下获得高制动压力。 工作液并不缺乏——空气就在我们周围，即使制动系统出现工作液泄漏（确实如此），也可以相对容易地补充。
使用压缩空气能源的最简单的制动系统是 直动式非自动制动器
直动式非自动制动器示意图： 1——压缩机； 2-主油箱； 3——供给线； 4 — 司机列车起重机； 5——制动管路； 6——制动缸； 7——释放弹簧； 8、9——机械制动传动； 10 - 刹车片。
为了操作这种制动器，需要供应压缩空气，将其存储在机车上一个称为 主水库 （2）。 将空气注入主罐并保持其压力恒定 压缩机 (1)、由机车动力装置驱动。 压缩空气通过称为“制动控制装置”的特殊管道供应到制动控制装置。 营养 (NM) или 压力 高速公路 (3).
车厢的制动器受到控制，压缩空气通过贯穿整个列车的长管道供应给它们，称为 刹车线（TM） （5）。 当压缩空气通过 TM 供应时，它充满 制动缸 (TC) (6)直接连接到TM。 压缩空气压在活塞上，将制动片10压在机车和汽车上的车轮上。 发生制动。
停止制动，即 离开 制动时，需要将制动管路中的空气释放到大气中，这将导致制动机构由于安装在 TC 中的释放弹簧的作用力而返回到其原始位置。
为了进行制动，需要将制动管路 (TM) 与进给管路 (PM) 连接起来。 度假时，将制动管路与大气相连。 这些功能由特殊设备执行 - 司机火车起重机 (4) - 制动时，它连接 PM 和 PM，释放时，它断开这些管道，同时将空气从 PM 释放到大气中。
在这样的系统中，驾驶员起重机有第三个中间位置 - 翻修屋顶 当PM和TM分离，但TM中的空气没有释放到大气中时，驾驶员的起重机将其完全隔离。 TM 和 TC 中积聚的压力得以维持，其维持在设定水平的时间取决于各种泄漏处的漏气量以及刹车片的热阻，刹车片在摩擦过程中会发热。车轮轮胎。 在制动和释放过程中将其放置在天花板上可以让您逐步调整制动力。 这种类型的制动器提供步进制动和步进释放。
尽管这种制动系统很简单，但它有一个致命的缺陷——当火车脱钩时，制动线破裂，空气从中逸出，火车就无法刹车。 正是由于这个原因，这样的制动器不能用于铁路运输，其失效的成本太高。 即使列车没有破裂，如果存在大量漏气，制动效率也会降低。
基于上述情况，要求列车制动不是通过增加 TM 中的压力，而是通过降低 TM 中的压力来启动。 那么如何给制动缸加注呢？ 这就产生了第二个要求——列车上的每个移动单元必须储存一定的压缩空气，并且在每次制动后必须及时补充。
1872 世纪末的工程学思想也得出了类似的结论，乔治·威斯汀豪斯 (George Westinghouse) 于 XNUMX 年发明了第一个自动铁路制动器。
西屋制动装置：1-压缩机； 2-主油箱； 3——供给线； 4 — 司机列车起重机； 5——制动管路； 6 — 西屋系统的空气分配器（三阀）； 7——制动缸； 8——备用油箱； 9-截止阀。
下图显示了该制动器的结构（图a——释放时制动器的工作情况；b——制动时制动器的工作情况）。 Westigauze 制动器的主要元件是 制动空气分配器 或者，有时被称为， 三联阀。 该空气分配器 (6) 在制动管路 (TM) 和储气罐 (R) 中具有敏感机构 - 一个根据两个压力之间的差值进行操作的活塞。 如果 TM 中的压力小于 TC 中的压力，则活塞向左移动，打开空气从 CM 到 TC 的通道。 如果 TM 中的压力大于 SZ 中的压力，活塞将向右移动，使 TC 与大气连通，同时连通 TM 和 SZ，确保后者充满压缩空气TM。
因此，如果 TM 中的压力因任何原因而降低，无论是驾驶员的操作、TM 中的空气过多泄漏还是列车破裂，制动器都会起作用。 也就是说，此类制动器具有 自动动作。 制动器的这种特性使得控制火车制动器成为可能，这种方法至今仍在客运列车上使用 - 乘客通过特殊阀门将制动管路与大气连通来紧急停止火车 - 紧急刹车 （9）。
对于那些熟悉火车制动系统这一功能的人来说，观看电影中盗贼牛仔以黄金从火车上取下车厢的钩子是很有趣的。 为了实现这一点，牛仔们必须在脱开之前关闭制动管路上的端阀，该端阀将制动管路与汽车之间的连接软管分开。 但他们从来不这样做。 另一方面，闭端阀门不止一次在国内（1987 年卡门斯克，2011 年埃拉尔-西姆斯卡亚）和国外造成与制动故障相关的可怕灾难。
由于制动气缸的填充是通过辅助压缩空气源（备用气罐）进行的，无法持续补充，因此这种制动器称为 间接作用。 仅在释放制动器时才向制动器充入压缩空气，这导致在频繁制动然后释放的情况下，如果释放后没有足够的时间，制动器将没有时间充入所需的压力。 这可能会导致制动器完全耗尽并失去对火车制动器的控制。
气动制动器还有另一个缺点，即制动管路中的压降与任何干扰一样，以较高但仍然有限的速度（不超过 340 m/s）在空气中传播。 为什么不多呢？ 因为声速是理想的。 但在列车气动系统中存在许多障碍，这些障碍降低了与气流阻力相关的压降的传播速度。 因此，除非采取特殊措施，否则车厢距离机车越远，TM中的压力降低率就越低。 就西屋电气制动器而言，所谓的速度 制动波 不超过 180 - 200 m/s。
然而，气动制动器的出现使得直接在驾驶员工作场所提高制动器的功率和控制效率成为可能，这有力地推动了铁路运输的发展，提高了车辆的速度和重量。火车，因此，铁路货运周转量大幅增加，世界各地铁路线的长度也随之增加。
乔治·威斯汀豪斯不仅是一位发明家，也是一位富有进取精神的商人。 他早在 1869 年就为自己的发明申请了专利，这使他能够大规模生产制动设备。 很快，西屋电气制动器就在美国、西欧和俄罗斯帝国广泛普及。
在俄罗斯，西屋电气制动器一直占据主导地位，直到十月革命及其后相当长的一段时间。 西屋公司在圣彼得堡建立了自己的制动器工厂，还巧妙地将竞争对手赶出了俄罗斯市场。 然而，西屋电气制动器有许多根本性的缺点。
首先，该制动器仅提供两种操作模式： 制动 直到制动缸完全充满，并且 假期 — 清空制动缸。 长期维护不可能产生中等大小的制动压力，也就是说，西屋制动器没有模式 翻修屋顶。 这无法精确控制火车速度。
其次，西屋电气的制动器在长途列车上效果不佳，虽然这在客运交通中可以容忍，但在货运交通中却出现了问题。 还记得刹车波吗？ 因此，西屋电气制动器没有办法提高其速度，并且在长火车中，最后一节车厢制动液压力的下降可能开始得太晚，并且下降速度明显低于列车头部的速度。列车，这导致列车上的制动装置运行不均匀。
必须说，西屋公司的一切活动，无论是在当时的俄罗斯还是在全世界，都彻底浸透了专利战和不正当竞争的资本主义气味。 这就是确保这样一个不完善的体系能够如此长寿的原因，至少在那个历史时期是这样。
综上所述，应该认识到，西屋制动器奠定了制动科学的基础，其工作原理在现代机车车辆制动器中保持不变。
2、从西屋制动器到马特罗索夫制动器——国内制动科学的形成。
几乎在西屋制动器出现并认识到其缺点之后，立即出现了改进该系统或创建另一个全新系统的尝试。 我国也不例外。 XNUMX世纪初，俄罗斯拥有发达的铁路网络，为保障国家经济发展和国防能力发挥了重要作用。 运输效率的提高与运输速度和同时运输货物质量的增加有关，这意味着改进制动系统的问题已迫切提出。
俄罗斯联邦以及后来的苏联制动科学发展的一个重要推动力是1917年XNUMX月后西方大资本，特别是西屋公司对国内铁路工业发展影响力的减弱。
F.P. 卡赞采夫（左）和 I.K. 水手们（右）——国内铁路制动器的创造者
第一个标志，年轻的国内制动科学的第一个重大成就，是工程师弗洛伦蒂·皮梅诺维奇·卡赞采夫（Florenty Pimenovich Kazantsev）的发展。 1921年，卡赞采夫提出了一个系统 直动式自动制动器。 下图描述了卡赞采夫提出的所有主要思想，其目的是解释改进的自动制动器的基本操作原理
直动式自动制动：1-压缩机； 2-主油箱； 3——供给线； 4 — 司机列车起重机； 5——制动管路漏气供给装置； 6——制动管路； 7——连接制动软管； 8——端阀； 9——截止阀； 10——止回阀； 11——备用油箱； 12——空气分配器； 13——制动缸； 14——制动杆传动装置。
因此，第一个主要思想是 TM 中的压力是间接控制的 - 通过减少/增加一个称为 调压箱 （乌尔）。 如图所示，位于驱动器水龙头 (4) 右侧和电源装置顶部，用于检测 TM 泄漏情况 (5)。 从技术上来说，这个蓄水池的密度比制动管路（一条长达数公里、贯穿整列列车的管道）的密度更容易保证。 UR 中压力的相对稳定性使得可以使用 UR 中的压力作为参考来维持 TM 中的压力。 事实上，当TM中的压力降低时，装置(5)中的活塞打开从供应管线填充TM的阀门，从而保持TM中的压力等于UR中的压力。 这个想法还有很长的路要走，但现在 TM 中的压力不再取决于外部泄漏的存在（在一定限度内）。 设备 5 已迁移到操作员的起重机上，并以经过修改的形式保留至今。
这种类型制动器的设计的另一个重要思想是由制动液通过止回阀10提供动力。当制动阀中的压力超过制动阀中的压力时，该阀打开，从制动器填充该阀体液。 这样，泄漏物就可以不断地从储备库中补充，并且制动器不会耗尽。
卡赞采夫提出的第三个重要想法是空气分配器的设计，该空气分配器的工作原理不是两个压力差，而是三个压力差——制动管路中的压力、制动缸中的压力以及特殊工作室（WC）中的压力，在释放期间，其由来自制动管路的压力以及备用油箱供给。 在制动模式下，充气压力与储备容器和制动管路断开，保持初始充气压力值。 该特性广泛用于机车车辆制动器，既可以提供逐步释放，又可以控制货运列车沿列车 TC 填充的均匀性，因为工作室充当初始充气压力的标准。 根据其价值，可以提供逐步释放并组织尾车提前填充购物中心。 我将在有关该主题的其他文章中详细描述这些事情，但现在我只想说卡赞采夫的工作激励了我国科学学校的发展，从而导致了原创性科学的发展。机车车辆制动系统。
另一位从根本上影响了国内机车车辆制动器发展的苏联发明家是伊万·康斯坦丁诺维奇·马特罗索夫。 他的想法与卡赞采夫的想法并没有本质上的不同，然而，卡赞采夫和马特罗索夫制动系统（以及其他制动系统）的后续运行测试表明，当主要用于货运列车时，第二个系统在性能特征方面具有显着的优越性。 因此，带有空气分配器的Matrosov制动器是有条件的。 320号成为进一步开发和设计1520毫米轨距铁路制动设备的基础。 俄罗斯和独联体国家使用的现代自动制动器可以名副其实地命名为“马特罗索夫制动器”，因为它在发展初期就吸收了伊万·康斯坦丁诺维奇的思想和设计方案。
取而代之的是结论
结论是什么？ 写这篇文章让我确信这个主题值得写一系列文章。 在这篇试点文章中，我们介绍了机车车辆制动器的发展历史。 接下来，我们将深入探讨有趣的细节，不仅涉及国内制动器，还涉及西欧同行的发展，重点介绍各种类型和机车车辆服务类型的制动器的设计。 所以，我希望这个话题会很有趣，并在中心再次见到您！
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来源： habr.com