Железнодорожный воздушный тормоз

Эта статья включает список общих ссылок , но в ней недостаточно соответствующих встроенных ссылок . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью, добавляя более точные цитаты. ( июль 2013 г. ) ( узнайте, как и когда удалять это шаблонное сообщение )

Схема трубопроводов 1909 года пневматической тормозной системы Westinghouse 6-ET на локомотиве.

Рукоятка управления и клапан для пневматического тормоза Westinghouse

Железнодорожный пневматический тормоз представляет собой силовую тормозную систему железнодорожного тормоза со сжатым воздухом в качестве рабочей среды. ^[1] В современных поездах используется безотказная пневматическая тормозная система, основанная на конструкции, запатентованной Джорджем Вестингаузом 13 апреля 1869 года. ^[2] Впоследствии для производства и продажи изобретения Вестингауза была организована компания Westinghouse Air Brake Company . В различных формах он был принят почти повсеместно.

Система Westinghouse использует давление воздуха для наполнения воздушных резервуаров (баков) каждого автомобиля. Полное давление воздуха сигнализирует каждому автомобилю о необходимости отпустить тормоза. ^{[ требуется разъяснение ]} Снижение или потеря давления воздуха сигнализирует каждому автомобилю о необходимости затормозить, используя сжатый воздух в своих резервуарах. ^[3]

Обзор

Прямой воздушный тормоз

Сравнительно простая тормозная тяга

В простейшей форме пневматического тормоза, называемой прямой пневматической системой , сжатый воздух давит на поршень в цилиндре. Поршень соединен через механическую связь с тормозными колодками , которые могут тереться о колеса поезда, используя возникающее трение для замедления поезда. Механическая связь может быть довольно сложной, поскольку она равномерно распределяет усилие от одного баллона сжатого воздуха на 8 или 12 колес.

Сжатый воздух поступает от воздушного компрессора в локомотиве и направляется из вагона в вагон по железнодорожной магистрали , состоящей из труб под каждым вагоном и шлангов между вагонами. Основная проблема с прямой пневматической тормозной системой заключается в том, что любое разделение между шлангами и трубками приводит к потере давления воздуха и, следовательно, к потере силы, прикладываемой к тормозам. Это могло легко вызвать неуправляемый поезд . Прямые пневматические тормоза по-прежнему используются на локомотивах, хотя и в виде двухконтурной системы, обычно с каждой тележкой (тележкой) с собственной цепью.

Воздушный тормоз Вестингауза

Чтобы спроектировать систему без недостатков прямой воздушной системы, Вестингауз изобрел систему, в которой каждая часть железнодорожного подвижного состава была оснащена воздушным резервуаром и тройным клапаном , также известным как регулирующий клапан . ^[4]

Компания пневматического тормоза Rotair Valve Westinghouse ^[5]

В отличие от системы с прямым воздухом, система Westinghouse использует снижение давления воздуха в магистрали поезда для косвенного включения тормозов.

Тройной клапан назван так потому, что он выполняет три функции: впускает воздух в готовый к использованию воздушный резервуар, включает тормоза и отпускает их. При этом он поддерживает некоторые другие действия (т. е. он «удерживает» или поддерживает приложение и позволяет сбрасывать давление в тормозном цилиндре и перезаряжать резервуар во время растормаживания). В своей патентной заявке Вестингауз ссылается на свое «устройство с тремя клапанами» из-за трех составных частей клапана, составляющих его: диафрагменный тарельчатый клапан, подающий воздух из резервуара в тормозной цилиндр, клапан для заполнения резервуара и выпускной клапан тормозного цилиндра. . Вскоре Вестингауз улучшил устройство, убрав действие тарельчатого клапана. Эти три компонента стали поршневым клапаном, золотниковым клапаном и выпускным клапаном.

• Если давление в магистрали поезда ниже, чем в ресивере , выпускной портал тормозного цилиндра закрывается и в тормозной цилиндр подается воздух из ресивера вагона. Давление в цилиндре при торможении увеличивается, а в резервуаре уменьшается. Это действие продолжается до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие между давлением в тормозной магистрали и давлением в резервуаре. В этот момент поток воздуха из резервуара в тормозной цилиндр перекрывается ^{[ требуется уточнение ]} , и в цилиндре поддерживается постоянное давление.
• Если давление в линии поезда выше, чем давление в резервуаре, тройной клапан соединяет линию поезда с подачей в резервуар, в результате чего давление воздуха в резервуаре увеличивается. Тройной клапан также вызывает выпуск тормозного цилиндра в атмосферу, отпуская тормоза.
• Когда давление в магистрали поезда и в резервуаре выравнивается, тройной клапан закрывается, в результате чего воздух в резервуаре герметизируется, и тормозной цилиндр не находится под давлением.

Когда машинист нажимает на тормоз, управляя тормозным краном локомотива, линия поезда выходит в атмосферу с контролируемой скоростью, снижая давление в линии поезда и, в свою очередь, запуская тройной клапан на каждом вагоне для подачи воздуха в его тормозной цилиндр. Когда машинист отпускает тормоз, порт тормозного крана локомотива в атмосферу закрывается, позволяя поездной магистрали перезаряжаться компрессором локомотива. Последующее повышение давления в магистрали поезда заставляет тройные клапаны на каждом вагоне сбрасывать содержимое тормозного цилиндра в атмосферу, отпуская тормоза и перезаряжая резервуары.

Таким образом, система Westinghouse отказоустойчива : любой сбой в железнодорожной магистрали, в том числе отрыв поезда («обрыв-два»), приведет к потере давления в железнодорожной магистрали, что приведет к срабатыванию тормозов и перемещению поезда. до остановки, тем самым предотвращая сбежавший поезд.

Современные системы

Современные пневматические тормозные системы выполняют две функции:

• Служебное торможение применяется и отпускает тормоза во время нормальной работы.
• Экстренное торможение быстро приводит в действие тормоза в случае отказа тормозной магистрали или экстренного срабатывания оператором двигателя или аварийной сигнализацией/шнуром/ручкой пассажира.

Когда тормоза поезда задействованы во время нормальной работы, машинист двигателя выполняет «сервисное приложение» или «снижение скорости обслуживания», что означает, что давление в тормозной магистрали снижается с контролируемой скоростью. Для снижения давления в тормозной магистрали требуется несколько секунд. , и, следовательно, требуется несколько секунд для срабатывания тормозов по всему поезду. Изменения давления во время сервисного снижения распространяются с местной скоростью звука , что означает, что тормоза самых задних вагонов сработают через некоторое время после тормозов самых передних вагонов. , так что можно ожидать некоторую слабую приработку.Постепенное снижение давления в тормозной магистрали смягчит этот эффект.

Современные локомотивы используют две пневматические тормозные системы. Система, которая управляет тормозной магистралью, называется автоматическим тормозом и обеспечивает управление рабочим и аварийным торможением всего поезда. Локомотив (ы) во главе поезда («ведущий состав») имеет вторичную систему, называемую независимым тормозом. Независимый тормоз - это система «прямого воздуха», которая делает торможение локомотива в голове поезда независимым от автоматического тормоза, обеспечивая более тонкое управление поездом. Две тормозные системы могут по-разному взаимодействовать в зависимости от предпочтений производителя локомотива или железной дороги. В некоторых системах автоматические и независимые приложения будут аддитивными; в некоторых системах большее из двух будет применяться к составу локомотива. Независимая система также обеспечивает механизм аварийного отключения , который отпускает тормоза ведущих локомотивов, не влияя на торможение остальной части поезда.

В случае, если поезду необходимо совершить аварийную остановку, машинист может выполнить «аварийное применение», которое быстро сбросит все давление в тормозной магистрали в атмосферу, что приведет к более быстрому срабатыванию тормозов поезда. Аварийное применение также происходит, когда целостность тормозной магистрали нарушена, так как весь воздух также будет немедленно выпущен в атмосферу.

При экстренном торможении включается дополнительный компонент пневматической тормозной системы каждого автомобиля. Тройной клапан разделен на две части: рабочую секцию, в которой находится механизм, используемый при торможении во время сокращения обслуживания, и аварийную секцию, которая определяет более быстрое аварийное снижение давления в магистрали поезда. Кроме того, ресивер пневматического тормоза каждого автомобиля разделен на две секции — сервисную и аварийную — и известен как «двухсекционный ресивер». при аварийном применении тройной клапан направляет весь воздух из обеих секций двухкамерного резервуара в тормозной цилиндр, что приводит к усилению приложения на 20–30 процентов.

Аварийная часть каждого тройного клапана активируется более высокой скоростью снижения давления в тормозной магистрали. ^{[ как? ]}Из-за длины поездов и малого диаметра тормозной магистрали скорость снижения выше всего в передней части поезда (в случае аварийного включения машинистом) или вблизи разрыва тормозной магистрали (в случае потери целостности тормозной магистрали). Чем дальше от источника аварийного применения, тем ниже скорость снижения может быть снижена до такой степени, что тройные клапаны не будут определять приложение как аварийное снижение. Чтобы предотвратить это, аварийная часть каждого тройного клапана содержит вспомогательный вентиляционный порт, который при активации аварийным приложением также локально сбрасывает давление тормозной магистрали непосредственно в атмосферу. Это служит для более быстрой вентиляции тормозной магистрали и ускорения распространения скорости аварийного снижения по всей длине поезда.

Использование распределенной мощности (т. е. дистанционно управляемые локомотивы в середине поезда и/или в задней части) несколько смягчает проблему временной задержки для длинных поездов, поскольку телеметрический радиосигнал от машиниста в переднем локомотиве управляет удаленными локомотивами. чтобы инициировать снижение тормозного давления, которое быстро распространяется на близлежащие автомобили.

Рабочее давление

Воздушный компрессор локомотива наполняет главный резервуар воздухом под давлением 125–140 фунтов на квадратный дюйм (8,6–9,7 бар; 860–970 кПа). Тормоза поезда отпускаются за счет подачи пониженного и регулируемого давления воздуха основного резервуара в тормозную магистраль через автоматический тормозной кран машиниста. Полностью заряженная тормозная трубка обычно работает при давлении 70–90 фунтов на квадратный дюйм (4,8–6,2 бар; 480–620 кПа) для грузовых поездов и 110 фунтов на квадратный дюйм (7,6 бар; 760 кПа) для пассажирских поездов. Тормоза включаются, когда инженер переводит ручку автоматического тормоза в «рабочее» положение, что вызывает снижение давления в тормозной магистрали.

Во время нормальной эксплуатации давление в тормозной магистрали никогда не снижается до нуля, и фактически для сохранения давления в тормозной магистрали используется наименьшее снижение, которое вызывает удовлетворительную реакцию торможения. Внезапное падение давления, вызванное разгерметизацией тормозной магистрали (например, лопнувший шланг), разрывом поезда надвое и отсоединением воздушных шлангов или переводом машинистом крана автоматического тормоза в аварийное положение, вызовет экстренное торможение . ^[6] С другой стороны, медленная утечка, которая постепенно снижает давление в тормозной магистрали до нуля, что может произойти, если воздушный компрессор не работает и, следовательно, не поддерживает давление в главном резервуаре, не приведет к экстренному торможению.

Улучшения

Электропневматические тормоза или тормоза EP представляют собой тип пневматического тормоза, который позволяет немедленно задействовать тормоза по всему поезду вместо последовательного применения. Тормоза EP используются в Великобритании с 1949 года, а также используются в немецких высокоскоростных поездах (в первую очередь ICE ) с конца 1980-х годов; они полностью описаны в Электропневматической тормозной системе британских железнодорожных поездов . Электропневматические тормоза в настоящее время проходят испытания в Северной Америке и Южной Африке на рудных и угольных поездах, находящихся в неволе.

Пассажирские поезда уже давно имеют 3-проводной вариант электропневматического тормоза, дающий до семи уровней тормозного усилия.

В Северной Америке Westinghouse Air Brake поставила тормозное оборудование High Speed ​​Control для нескольких обтекаемых пассажирских поездов после Второй мировой войны . Это была электрически управляемая накладка на обычное тормозное оборудование пассажирского локомотива Д-22 и локомотива 24-РЛ. На обычной стороне регулирующий клапан устанавливает эталонное давление в объеме, который устанавливает давление в тормозном цилиндре через ускорительный клапан. Что касается электрической стороны, то давление второго прямого воздушного поезда управляло релейным клапаном через двухходовой обратный клапан. Этот «прямой» поезд был заряжен (от резервуаров на каждом вагоне).и выпускается магнитными клапанами на каждом вагоне, управляемыми электрически трехпроводной линией поезда, которые, в свою очередь, управляются «главным электропневматическим контроллером» в управляющем локомотиве. Этот контроллер сравнивал давление в прямолинейном воздушном потоке с давлением, создаваемым самоперекрывающейся частью инженерного клапана, сигнализируя всем «прикладывающим» или «отпускающим» магнитным клапанам в потоке об одновременном открытии, изменяя давление в «прямом трубопроводе». воздуха» гораздо быстрее и равномернее, чем это возможно при простой подаче воздуха прямо из локомотива. Релейный клапан был оснащен четырьмя диафрагмами, магнитными клапанами, электрическим оборудованием управления и датчиком скорости на оси, так что на скорости более 60 миль в час (97 км / ч) применялось полное тормозное усилие. и постепенно снижалась на скорости 60 миль в час (97 км / ч), 40 и 20 миль в час (64 и 32 км / ч), в результате чего поезд плавно останавливался. Каждая ось также была оборудована антиблокировочной системой тормозов. Комбинация минимизировала тормозной путь, позволяя двигаться на полной скорости между остановками. «Прямой воздух»(электропневматический поезд) , антиблокировочная и регулировочная части системы никоим образом не зависели друг от друга, и любые или все эти опции могли поставляться отдельно. ^[7]

Более поздние системы заменяют автоматический пневматический тормоз электрическим проводом, который проходит по кругу вокруг всего поезда и должен оставаться под напряжением, чтобы тормоза не выключались. В Великобритании он известен как «поездной провод». Он проходит через различные «регуляторы» (переключатели, управляемые давлением воздуха), которые контролируют критически важные компоненты, такие как компрессоры, тормозные магистрали и воздушные резервуары. Кроме того, если поезд разделится, провод будет разорван, что гарантирует отключение всех двигателей и немедленное экстренное торможение обеих частей поезда .

Более поздними инновациями являются пневматические тормоза с электронным управлением , в которых тормоза всех вагонов (вагонов) и локомотивов соединены своего рода локальной сетью , что позволяет индивидуально управлять тормозами каждого вагона и составлять отчеты о производительности каждого вагона. тормоза.

Ограничения

Пневматическая тормозная система Westinghouse очень надежна, но не безотказна. Резервуары автомобиля заполняются только тогда, когда давление в тормозной магистрали выше, чем давление в резервуаре. Полная перезарядка резервуаров в длинном поезде может потребовать значительного времени (в некоторых случаях от 8 до 10 минут ^[8] ), в течение которого давление в тормозной магистрали будет ниже, чем давление в резервуаре локомотива.

Если тормоза должны быть задействованы до завершения перезарядки, потребуется большее уменьшение тормозной магистрали для достижения желаемого тормозного усилия, поскольку система начинает работу в более низкой точке равновесия (более низкое общее давление). Если несколько сокращений тормозных трубок выполняются в короткой последовательности («раздувание тормоза» на железнодорожном сленге), может быть достигнута точка, когда давление в резервуаре автомобиля будет сильно истощено, что приведет к значительному снижению усилия поршня тормозного цилиндра, что приведет к отказу тормозов. При нисходящем классе результатом будет бегство.

В случае потери торможения из-за истощения резервуара водитель двигателя может восстановить управление с помощью экстренного торможения, поскольку аварийная часть двухкамерного резервуара каждого автомобиля должна быть полностью заряжена - на нее не влияют нормальные условия. скидки на обслуживание. Тройные клапаны обнаруживают аварийное снижение на основе скорости снижения давления в тормозной магистрали. Следовательно, если из тормозной магистрали можно быстро выпустить достаточный объем воздуха, тройной клапан каждого автомобиля вызовет экстренное торможение. Однако, если давление в тормозной магистрали слишком низкое из-за чрезмерного количества срабатываний тормоза, аварийное срабатывание не создаст достаточно большого объема воздушного потока, чтобы отключить тройные клапаны, в результате чего машинист не сможет остановить поезд.

Чтобы предотвратить разгон из-за потери тормозного давления, можно использовать динамическое (реостатическое) торможение , чтобы локомотив (ы) помогал задерживать поезд. Часто смешанное торможение , одновременное применение динамического и поездного тормозов, будет использоваться для поддержания безопасной скорости и сохранения провисания на спусках. Затем следует соблюдать осторожность при отключении рабочих и динамических тормозов, чтобы предотвратить повреждение тягового механизма, вызванное внезапным выходом из строя поезда.

Еще одним решением проблемы потери тормозного давления является двухтрубная система, установленная на большинстве пассажирских вагонов локомотивов и многих грузовых вагонах. В дополнение к традиционной тормозной трубе это усовершенствование добавляет трубку главного резервуара , которая постоянно наполняется воздухом непосредственно из основного резервуара локомотива. В основном резервуаре хранится продукция воздушного компрессора локомотива , и в конечном итоге он является источником сжатого воздуха для всех систем, которые его используют.

Поскольку локомотив постоянно поддерживает давление в трубе основного резервуара, резервуары вагона можно заряжать независимо от тормозной магистрали, что достигается с помощью обратного клапана , предотвращающего обратную подачу в трубу. Такое расположение помогает уменьшить описанные выше проблемы с потерей давления, а также сокращает время, необходимое для отпускания тормозов, поскольку тормозная магистраль должна только перезаряжаться.

Давление в трубопроводе основного резервуара также можно использовать для подачи воздуха для вспомогательных систем, таких как пневматические дверные приводы или пневматическая подвеска. Почти все пассажирские поезда (все в Великобритании и США) и многие грузовые теперь имеют двухтрубную систему.

Несчастные случаи

На обоих концах каждой кабины установлены угловые краны . Эти клапаны отсекают воздух от поездной магистрали и выпускают воздух из соединительных шлангов для отцепки вагонов. Пневматический тормоз работает только в том случае, если открыты угловые краны, кроме крана в передней части локомотива и в конце поезда. ^[9]

Пневматический тормоз может выйти из строя, если один из угловых кранов случайно закрыт. В этом случае тормоза вагонов за закрытым краном не реагируют на команду машиниста. Это произошло во время крушения поезда Пенсильванской железной дороги в 1953 году с участием поезда Федерального экспресса Пенсильванской железной дороги , который сбежал, направляясь к станции Юнион в Вашингтоне, округ Колумбия , в результате чего поезд врезался в пассажирский зал и провалился сквозь пол. Точно так же в железнодорожной аварии на Лионском вокзале экипаж случайно закрыл клапан, что снизило мощность торможения.

Существует ряд мер предосторожности, которые обычно принимаются для предотвращения такого рода несчастных случаев. На железных дорогах действуют строгие утвержденные правительством процедуры проверки пневматических тормозных систем при составлении поездов во дворе или подборе вагонов в пути. Обычно они включают в себя подключение шлангов пневматического тормоза, зарядку тормозной системы, настройку тормозов и ручную проверку автомобилей, чтобы убедиться, что тормоза включены, а затем отключение тормозов и ручную проверку автомобилей, чтобы убедиться, что тормоза отпущены. Особое внимание обычно уделяется самому заднему вагону поезда либо путем ручного осмотра, либо с помощью автоматического устройства в конце поезда., чтобы обеспечить непрерывность тормозной магистрали по всему поезду. Когда тормозная трубка неразрывна по всему поезду, невозможность включения или отпускания тормозов на одном или нескольких вагонах является признаком неисправности тройных клапанов вагонов. В зависимости от места проведения воздушных испытаний, наличия ремонтных мощностей и правил, регулирующих допустимое количество неработающих тормозов в поезде, вагон может быть отправлен на ремонт или доставлен на следующий терминал, где его можно отремонтировать.

Стандартизация

Современный пневматический тормоз не идентичен оригинальному пневматическому тормозу, поскольку в конструкцию тройного клапана были внесены небольшие изменения, которые не полностью совместимы между версиями и поэтому должны вводиться поэтапно. Однако основные пневматические тормоза, используемые на железных дорогах по всему миру, удивительно совместимы.

Европейские системы

Европейские железнодорожные пневматические тормоза включают тормоз Kunze-Knorr (изобретенный Георгом Кнорром и изготовленный Knorr-Bremse ) ^[10] и Oerlikon . Принцип работы такой же, как у пневматического тормоза Westinghouse. В эпоху пара британские железные дороги были разделены - некоторые использовали вакуумные тормоза, а некоторые - пневматические, но вакуумный тормоз постепенно стандартизировался. Некоторые локомотивы, например, на Лондонской, Брайтонской и Южнобережной железных дорогах , были оснащены двойным оборудованием , чтобы они могли работать как с поездами с вакуумным, так и с пневматическим тормозом. В эпоху дизелей процесс был обратным, и Британские железные дорогив 1960-х годах перешли с подвижного состава с вакуумными тормозами на подвижные составы с воздушными тормозами. ^[11]

• Пневматические тормоза и компоненты
• Тормоз товарного поезда Kunze-Knorr (схема)

• Тормозной клапан Эрликон

• Контроллер тормоза ČD и тормозной кран (Чехия)

• Локомотив Лондонской, Брайтонской и Южнобережной железной дороги . Обратите внимание на три трубы: одну для вакуумного тормоза, одну для пневматического тормоза и одну для парового нагрева.

Вакуумные тормоза

Основным конкурентом пневматического тормоза является вакуумный тормоз, который работает при отрицательном давлении. Вакуумный тормоз немного проще пневматического. Вместо воздушного компрессора в паровых машинах используется эжектор без движущихся частей, а в дизельных или электрических локомотивах — механический или электрический «вытяжной вентилятор». Отводные краны на концах вагонов не требуются, так как свободные шланги засасываются на монтажный блок.

Однако максимальное давление в вакуумной системе ограничено атмосферным давлением, поэтому все оборудование должно быть намного больше и тяжелее, чтобы компенсировать это. Этот недостаток усугубляется на большой высоте. Вакуумный тормоз также значительно медленнее нажимает и отпускает тормоз, что требует от водителя более высокого уровня навыков и предусмотрительности. И наоборот, вакуумный тормоз изначально имел то преимущество, что допускал постепенное растормаживание, тогда как автоматический пневматический тормоз Westinghouse изначально был доступен только в форме прямого растормаживания, все еще распространенной в грузовых перевозках.

Основной недостаток вакуумных тормозов — невозможность легко обнаружить утечки. В системе с принудительным подачей воздуха утечка быстро обнаруживается из-за выхода сжатого воздуха. Обнаружить утечку вакуума сложнее, хотя ее легче устранить, потому что кусок резины (например) можно просто обвязать вокруг утечки, и он будет надежно удерживаться на месте вакуумом.

Электровакуумные тормоза со значительным успехом использовались в южноафриканских электропоездах. Несмотря на то, что, как указано выше, требуется более крупное и тяжелое оборудование, характеристики электровакуумного тормоза приближаются к характеристикам современных электропневматических тормозов. Однако их использование не повторялось.

Смотрите также

• Двойной тормоз
• Пневматический тормоз (автомобиль)
• Соединитель Gladhand  - муфта шланга с блокировкой, установленная на шлангах, подающих сжатый воздух для торможения .
• Железнодорожный гусеничный тормоз

Рекомендации

• Руководство по пневматическому тормозу и управлению поездом. Copyright 2006 Alaska Railroad Corporation
• Руководство по пневматическому тормозу и управлению поездом . Copyright 2003 Железнодорожная компания BNSF
• Колесный динамометр AAR - торможение: [1]
• Руководство по эксплуатации сжатого воздуха, ISBN 0-07-147526-5 , McGraw Hill Book Company 

Внешние ссылки

Информация

• Железнодорожно-технический: воздушные тормоза
• Как останавливается ваш поезд , статья Билла Райха 1951 года с иллюстрацией