Hamulec kolejowy - Railway brake

Tradycyjny hamulec zaciskowy : żeliwna szczęka hamulcowa (brązowa) jest dociskana do powierzchni bieżnej (opony) koła (czerwona) i obsługiwana za pomocą dźwigni (szara) po lewej stronie
Hamulec taśmowy wyposażony do 1873 parowej lokomotywy z kolei Rigi

Hamulec kolejowa jest typem hamulca stosowany w samochodach z kolejowych pociągów , aby umożliwić hamowanie, przyspieszanie sterujący (w dół) lub trzymać je nieruchomo podczas postoju. Chociaż podstawowa zasada jest podobna do tej stosowanej w przypadku pojazdów drogowych, funkcje operacyjne są bardziej złożone ze względu na konieczność kontrolowania wielu połączonych wagonów i skuteczne działanie w przypadku pojazdów pozostawionych bez głównego urządzenia poruszającego . Hamulce zapinane to jeden z rodzajów hamulców stosowanych w pociągach.

Początki

W pierwszych dniach kolei technologia hamulców była prymitywna. Pierwsze pociągi miały hamulce działające na przetargu lokomotywy i na pojazdach w pociągu, gdzie "porterzy" lub, w Stanach Zjednoczonych, hamulcy , podróżujący w tym celu tymi pojazdami, obsługiwali hamulce. Niektóre koleje wyposażały lokomotywy w specjalny gwizdek hamulcowy o głębokim brzmieniu, sygnalizujący tragarzom konieczność włączenia hamulców. Wszystkie hamulce na tym etapie rozwoju były uruchamiane za pomocą śruby i łącznika do klocków hamulcowych nałożonych na bieżniki kół, a hamulce te mogły być używane podczas postoju pojazdów. W najwcześniejszych czasach tragarze podróżowali w prymitywnych schronach na zewnątrz pojazdów, ale zastąpili ich „pomocnicy”, którzy podróżowali wewnątrz pojazdów osobowych i mieli dostęp do koła hamulcowego na swoich stanowiskach. Osiągalna siła hamowania była ograniczona, a także zawodna, ponieważ użycie hamulców przez strażników zależało od ich słuchu i szybkiej reakcji na gwizdek na hamulce.

Wczesnym rozwojem było zastosowanie hamulca parowego do lokomotyw, w którym ciśnienie kotła mogło być stosowane do klocków hamulcowych na kołach lokomotywy. Wraz ze wzrostem prędkości pociągu, konieczne stało się zapewnienie mocniejszego układu hamulcowego, zdolnego do natychmiastowego uruchomienia i zwolnienia przez operatora pociągu, opisanego jako hamulec ciągły, ponieważ byłby skuteczny w sposób ciągły na całej długości pociągu.

W Wielkiej Brytanii wypadek kolejowy Abbots Ripton w styczniu 1876 r. spotęgowały długie drogi hamowania pociągów ekspresowych bez ciągłych hamulców, które – jak się okazało – w niesprzyjających warunkach mogły znacznie przewyższyć te zakładane przy pozycjonowaniu sygnałów. Stało się to oczywiste po próbach hamulców kolejowych przeprowadzonych w Newark w poprzednim roku, aby pomóc Komisji Królewskiej rozważającej wypadki kolejowe. Mówiąc słowami współczesnego urzędnika kolejowego, te

wykazali, że w normalnych warunkach pociąg do zatrzymania wymaga odległości od 800 do 1200 jardów podczas podróży z prędkością 45½ do 48½ mph, co jest znacznie poniżej zwykłej prędkości jazdy najszybszych pociągów ekspresowych. Urzędnicy kolejowi nie byli przygotowani na ten wynik i od razu uznano konieczność znacznie większej siły hamowania

Próby przeprowadzone po Abbots Ripton doniosły, co następuje (dla pociągu ekspresowego z grubsza pasującego do jednego z zaangażowanych, jak podczas upadku 1 na 200, ale w przeciwieństwie do hamowania w sprzyjających warunkach)

Układ hamulcowy Prędkość pociągu Dystans Czas zatrzymania
(s)
mph km/h jd m
Ciągły (próżniowy) 45 72 410 370 26
Ciągły (próżniowy) 45 72 451 412 30
3 furgonetki hamulcowe 40,9 65,8 800 730 59
2 furgonetki hamulcowe 40,9 65,8 631 577 44
2 furgonetki hamulcowe 45 72 795 727 55
1 furgonetka hamulcowa 45 72 1,125 1,029 70

Nie było jednak jednoznacznego rozwiązania technicznego tego problemu, ze względu na konieczność osiągnięcia w miarę równomiernego tempa hamowania w całym pociągu oraz ze względu na konieczność dodawania i usuwania pojazdów z pociągu w częstych punktach podróży. (W tych terminach pociągi jednostkowe były rzadkością).

Główne typy rozwiązań to:

  • System sprężynowy: James Newall, konstruktor wagonów kolei Lancashire i Yorkshire , w 1853 roku uzyskał patent na system, w którym obracający się pręt przechodzący przez długość pociągu był używany do nawijania dźwigni hamulcowych na każdym wagonie wbrew sile stożkowej sprężyny prowadzone w cylindrach. Pręt, zamontowany na dachach wagonów w gumowych czopach , został wyposażony w przeguby uniwersalne i krótkie odcinki ślizgowe, aby umożliwić ściskanie zderzaków . Hamulce były sterowane z jednego końca pociągu. Osłona nawinęła pręt, ściskając sprężyny, aby zwolnić hamulce; były powstrzymywane przez pojedynczą zapadkę pod jego kontrolą (chociaż w nagłych wypadkach kierowca mógł pociągnąć za linkę, aby zwolnić zapadkę). Kiedy grzechotka została zwolniona, sprężyny uruchomiły hamulce. Jeśli pociąg się rozdzielił, hamulce nie były przytrzymywane przez zapadkę w przedziale strażnika, a sprężyny w każdym wagonie wciskały hamulce na koło. Nadmierny luz w złączach ograniczał skuteczność urządzenia do około pięciu wózków; dodatkowe osłony i przedziały hamulcowe były konieczne w przypadku przekroczenia tej liczby. Aparat ten został sprzedany kilku firmom, a system otrzymał rekomendację Zarządu Handlowego . Firma L&Y przeprowadziła symultaniczne badanie z podobnym systemem zaprojektowanym przez innego pracownika, Charlesa Fay, ale stwierdzono niewielką różnicę w ich skuteczności. W wersji Fay, opatentowanej w 1856 r., pręty przechodziły pod wózkami, a zastosowanie sprężyny, które oferowało ważną „automatyczną” cechę Newalla, ale mogło działać zbyt gwałtownie, zostało zastąpione ślimakiem i zębatką dla każdego hamulca.
  • Hamulec łańcucha, w którym łańcuch był połączony w sposób ciągły wzdłuż dolnej części pociągu. Po ciasnym zaciągnięciu aktywowało sprzęgło cierne, które wykorzystywało obrót kół do zaciśnięcia układu hamulcowego w tym momencie; system ten ma poważne ograniczenia co do długości pociągu, który może być obsługiwany (ponieważ siła hamowania była znacznie słabsza po trzecim wagonie) i osiągnięcia dobrej regulacji (daje luz wymagany przez sprzęgi sworzniowe , którego łańcuch o stałej długości nie mógł uwzględnić ). W Stanach Zjednoczonych hamulec łańcucha został niezależnie opracowany i opatentowany przez Luciousa Stebbinsa z Hartford, Connecticut w 1848 roku i przez Williama Loughridge z Weverton, Maryland w 1855 roku. Brytyjska wersja była znana jako Clark and Webb Brake, po Johnie Clarku, który opracował go w latach 40. XIX wieku, a Francis William Webb udoskonalił go w 1875 r. Hamulec łańcucha był używany do lat 70. XIX wieku w Ameryce i lat 90. XIX wieku w Wielkiej Brytanii.
    • Hamulec Heberlein jest chlubnym wariacja na hamulec łańcucha popularny w Niemczech, stosując podwieszone kabel zamiast jego underlinked łańcuch.
  • Hamulce hydrauliczne. Podobnie jak w przypadku hamulców samochodowych (pasażerskich); ciśnienie uruchamiające w celu uruchomienia hamulców było przekazywane hydraulicznie. Znalazły one pewną przychylność w Wielkiej Brytanii (np. w Midland i Great Eastern Railways), ale jako płyn hydrauliczny używano wody, a nawet w Wielkiej Brytanii „Możliwości zamrażania przeciwstawiały się hamulcom hydraulicznym, chociaż Great Eastern Railway, która używała ich do chwilę przezwyciężyłem to za pomocą słonej wody"
Zawór obrotowy Westinghouse Hamulec pneumatyczny firmy
  • Prosty system próżniowy. Wyrzutnik w lokomotywie wytworzył podciśnienie w ciągłej rurze wzdłuż pociągu, umożliwiając zewnętrzne ciśnienie powietrza do obsługi cylindrów hamulcowych w każdym pojeździe. System ten był bardzo tani i skuteczny, ale miał główną wadę polegającą na tym, że przestawał działać w przypadku podziału pociągu lub pęknięcia rury kolejowej.
  • Automatyczny hamulec podciśnieniowy. System ten był podobny do prostego systemu próżniowego, z tą różnicą, że wytworzenie próżni w przewodzie pociągu wyczerpywało zbiorniki próżniowe w każdym pojeździe i zwalniało hamulce. Jeśli kierowca zastosował hamulec, jego zawór hamulcowy kierowcy wpuścił powietrze atmosferyczne do rury pociągu, a to ciśnienie atmosferyczne zastosowane hamulce przeciw próżni w zbiornikach próżniowych. Będąc hamulcem automatycznym, system ten stosuje siłę hamowania w przypadku podziału pociągu lub pęknięcia rury pociągowej. Jego wadą jest to, że w każdym pojeździe wymagane były duże zbiorniki próżniowe, a ich wielkość i dość skomplikowane mechanizmy były postrzegane jako niedopuszczalne.
  • Westinghouse układ hamulcowy. W systemie tym w każdym pojeździe znajdują się zbiorniki powietrza, a lokomotywa ładuje rurę pociągu nadciśnieniem, co zwalnia hamulce pojazdu i ładuje zbiorniki powietrza na pojazdach. Jeśli kierowca używa hamulców, jego zawór hamulcowy uwalnia powietrze z rury pociągu, a potrójne zawory w każdym pojeździe wykrywają utratę ciśnienia i wpuszczają powietrze ze zbiorników powietrza do cylindrów hamulcowych, uruchamiając hamulce. System Westinghouse wykorzystuje mniejsze zbiorniki powietrza i cylindry hamulcowe niż odpowiednie urządzenia próżniowe, ponieważ można zastosować umiarkowanie wysokie ciśnienie powietrza. Jednak do wytworzenia sprężonego powietrza wymagana jest sprężarka powietrza, a we wcześniejszych czasach kolei wymagało to dużej tłokowej sprężarki powietrza parowego, co było uważane przez wielu inżynierów za wysoce niepożądane. Kolejną wadą była konieczność całkowitego zwolnienia hamulca przed jego ponownym użyciem — początkowo nie było dostępnego „stopniowego zwalniania” i dochodziło do licznych wypadków, gdy siła hamowania była chwilowo niedostępna.

Uwaga: istnieje wiele wariantów i rozwoju wszystkich tych systemów.

Próby w Newark wykazały, że skuteczność hamowania hamulców pneumatycznych Westinghouse jest wyraźnie lepsza: ale z innych powodów na brytyjskich kolejach powszechnie przyjęto system próżniowy.

Układ hamulcowy Masa pociągu z silnikiem Prędkość pociągu Odległość zatrzymania Czas się zatrzymać
(s)
Zmniejszenie prędkości Szyny
długie tony ton mph km/h jd m g m/s 2
Westinghouse automatyczny 203 tony 4 cwt 206,5 52 84 304 278 19 0,099 0,97 suchy
Hydraulika Clarka 198 ton 3 cwt 201,3 52 84 404 369 22,75 0,075 0,74 suchy
Odkurzacz Smitha 262 ton 7 cwt 266,6 49,5 79,7 483 442 29 0,057 0,56 suchy
Łańcuch Clarka i Webba 241 ton 10 cwt 245,4 47,5 76,4 479 438 29 0,056 0,55 suchy
Hydraulika Barkera 210 ton 2 cwt 213,5 50,75 81,67 516 472 32 0,056 0,55 suchy
Odkurzacz Westinghouse 204 tony 3 cwt 207,4 52 84 576 527 34,5 0,052 0,51 mokry
Fay mechaniczne 186 ton 3 cwt 189,1 44,5 71,6 388 355 27,5 0,057 0,56 mokry
Powietrze Steel & McInnes 197 ton 7 cwt 200,5 49,5 79,7 534 488 34,5 0,051 0,50 mokry

Późniejsza praktyka brytyjska

W praktyce brytyjskiej tylko pociągi pasażerskie były wyposażone w hamulce ciągłe do około 1930 roku; pociągi towarowe i mineralne jeździły z mniejszą prędkością i opierały się na sile hamowania lokomotywy, tendera i furgonetki hamulcowej — ciężkiego pojazdu umieszczonego z tyłu pociągu i zajmowanego przez strażnika .

Pojazdy towarowe i mineralne miały hamulce ręczne, które były uruchamiane za pomocą dźwigni ręcznej obsługiwanej przez personel na ziemi. Te hamulce ręczne były używane tam, gdzie było to konieczne, gdy pojazdy były zaparkowane, ale także, gdy pociągi zjeżdżały ze stromego nachylenia. Pociąg zatrzymał się na szczycie wzniesienia, a strażnik podszedł do przodu, aby „przypiąć” uchwyty hamulców, więc hamulce zostały częściowo uruchomione podczas zjazdu. Wczesne samochody ciężarowe miały klamki hamulcowe tylko z jednej strony, ale od około 1930 r. klamki hamulcowe były wymagane po obu stronach dobrych pojazdów. Pociągi zawierające pojazdy z hamulcem ręcznym były określane jako „niewyposażone”: były w użyciu w Wielkiej Brytanii do około 1985 roku. Od około 1930 wprowadzono pociągi półwyposażone, w których pojazdy towarowe wyposażone w hamulce ciągłe były ustawiane obok lokomotywy, dając wystarczająca siła hamowania do jazdy przy wyższych prędkościach niż pociągi niewyposażone. Badanie w styczniu 1952 roku zobaczył 52-wagon, 850 ton, pociąg węglowy uruchomić 127 mil (204 km) na średnio 38 mil na godzinę (61 km / h), w porównaniu do zwykłej prędkości maksymalnej na głównej linii Midland z 25 mil na godzinę (40 km/h) dla niewyposażonych pociągów towarowych. W 1952 r. 14% wagonów otwartych, 55% wagonów krytych i 80% wagonów bydlęcych miało hamulce próżniowe.

W pierwszych dniach diesla lokomotyw , specjalnie zaprojektowany czuły hamulec został dołączony do lokomotywy w celu zwiększenia siły hamowania podczas ciągnięcia niedostosowanej pociągów. Tendencja hamulca była niska, tak że maszynista nadal widział linię i sygnalizował z przodu, czy tener hamulca był napędzany (pchany) przed lokomotywę, co często się zdarzało.

Do 1878 roku w różnych krajach było ponad 105 patentów na układy hamulcowe, z których większość nie została powszechnie przyjęta.

Hamulce ciągłe

Wraz ze wzrostem obciążenia pociągu, nachylenia i prędkości, hamowanie stało się problemem. Pod koniec XIX wieku zaczęły pojawiać się znacznie lepsze hamulce ciągłe . Najwcześniejszym typem hamulca ciągłego był hamulec łańcuchowy, który wykorzystywał łańcuch biegnący przez całą długość pociągu do jednoczesnego uruchamiania hamulców we wszystkich pojazdach.

Hamulec łańcucha został wkrótce zastąpiony przez hamulce pneumatyczne lub próżniowe . Hamulce te wykorzystywały węże łączące wszystkie wagony pociągu, dzięki czemu operator mógł włączać lub zwalniać hamulce za pomocą jednego zaworu w lokomotywie.

Te ciągłe hamulce mogą być proste lub automatyczne, przy czym zasadniczą różnicą jest to, co się stanie, jeśli pociąg pęknie na pół. W przypadku prostych hamulców do uruchomienia hamulców potrzebne jest ciśnienie, a cała siła hamowania jest tracona, jeśli z jakiegokolwiek powodu przewód ciągły zostanie przerwany. Proste, nieautomatyczne hamulce są więc bezużyteczne, gdy naprawdę coś pójdzie nie tak, jak pokazuje katastrofa kolejowa w Armagh .

Z drugiej strony, hamulce automatyczne wykorzystują ciśnienie powietrza lub podciśnienia, aby zatrzymać hamulce przed zbiornikiem znajdującym się w każdym pojeździe, który uruchamia hamulce, jeśli ciśnienie/podciśnienie zostanie utracone w przewodzie pociągu . Hamulce automatyczne są zatem w dużej mierze „ bezawaryjne ”, chociaż wadliwe zamknięcie kranów wężowych może prowadzić do wypadków, takich jak wypadek na Gare de Lyon .

Standardowy hamulec pneumatyczny Westinghouse ma dodatkowe ulepszenie potrójnego zaworu i lokalnych zbiorników w każdym wagonie, które umożliwiają pełne włączenie hamulców tylko przy niewielkim obniżeniu ciśnienia powietrza, skracając czas potrzebny na zwolnienie hamulców, ponieważ nie wszystko ciśnienie jest uwalniane do atmosfery.

Hamulce nieautomatyczne nadal odgrywają rolę w silnikach i kilku pierwszych wagonach, ponieważ można nimi sterować całym pociągiem bez konieczności stosowania hamulców automatycznych.

Rodzaje

Hamulce pneumatyczne kontra podciśnieniowe

wskaźnik hamulca pneumatycznego duplex kierowcy ; lewa wskazówka pokazuje główny przewód zbiornika zasilającego pociąg, prawa wskazówka pokazuje ciśnienie w cylindrze hamulcowym w bar

Na początku XX wieku wiele brytyjskich kolei stosowało hamulce próżniowe zamiast pneumatycznych hamulców kolejowych stosowanych w większości innych części świata. Główną zaletą próżni było to, że próżnia może być wytwarzana przez wyrzutnik pary bez ruchomych części (i który może być napędzany parą lokomotywy parowej ), podczas gdy pneumatyczny układ hamulcowy wymaga głośnej i skomplikowanej sprężarki .

Jednak hamulce pneumatyczne mogą być znacznie skuteczniejsze niż hamulce próżniowe dla danego rozmiaru cylindra hamulcowego. Sprężarka hamulców pneumatycznych jest zwykle w stanie wytworzyć ciśnienie 90  psi (620  kPa ; 6,2  bara ) w porównaniu z tylko 15 psi (100 kPa; 1,0 bar) dla podciśnienia. W systemie próżniowym maksymalna różnica ciśnień to ciśnienie atmosferyczne (14,7 psi lub 101 kPa lub 1,01 bara na poziomie morza, mniej na wysokości). Dlatego pneumatyczny układ hamulcowy może wykorzystywać znacznie mniejszy cylinder hamulcowy niż układ próżniowy, aby wytworzyć taką samą siłę hamowania. Ta przewaga hamulców pneumatycznych wzrasta na dużych wysokościach, np. w Peru i Szwajcarii, gdzie dziś hamulce podciśnieniowe są używane przez koleje drugorzędne. Znacznie wyższa skuteczność hamulców pneumatycznych i upadek lokomotywy parowej spowodowały, że hamulec powietrzny stał się wszechobecny; jednak hamowanie podciśnieniowe jest nadal stosowane w Indiach , Argentynie i RPA , ale liczba ta będzie spadać w najbliższej przyszłości. Zobacz Jane's World Railways .

Ulepszenia hamulców pneumatycznych

Jednym z ulepszeń automatycznego hamulca pneumatycznego jest posiadanie drugiego przewodu pneumatycznego (głównego zbiornika lub głównej linii) wzdłuż pociągu do ładowania zbiorników powietrza w każdym wagonie. To ciśnienie powietrza może być również używany do obsługi załadunku i rozładunku na drzwi wagonów pszenicy i węgiel i balastowych wagonów . W wagonach pasażerskich główna rura zbiornika służy również do dostarczania powietrza do obsługi drzwi i zawieszenia pneumatycznego.

Hamulce elektropneumatyczne

Brytyjski elektryczny hamulec maszynisty
Czterostopniowy uchwyt hamulca w elektrycznym zespole trakcyjnym klasy 317 w Wielkiej Brytanii

Hamulec EP o wyższej wydajności wykorzystuje „główną rurę zbiornika” doprowadzającą powietrze do wszystkich zbiorników hamulców w pociągu, przy czym zawory hamulcowe są sterowane elektrycznie za pomocą trójprzewodowego obwodu sterującego. Zapewnia to od czterech do siedmiu poziomów hamowania, w zależności od klasy pociągu. Pozwala również na szybsze uruchomienie hamulców, ponieważ elektryczny sygnał sterujący jest skutecznie i natychmiastowo przekazywany do wszystkich pojazdów w pociągu, podczas gdy zmiana ciśnienia powietrza, która aktywuje hamulce w konwencjonalnym systemie, może zająć kilka sekund lub dziesiątki sekund, aby tył pociągu. System ten nie jest jednak stosowany w pociągach towarowych ze względu na koszty.

System przyjęty w British Railways od 1950 roku jest opisany w Elektropneumatyczny układ hamulcowy w brytyjskich pociągach kolejowych

Hamulce pneumatyczne sterowane elektronicznie

Elektronicznie sterowane hamulce pneumatyczne (ECP) są rozwinięciem końca XX wieku, aby radzić sobie z bardzo długimi i ciężkimi pociągami towarowymi i są rozwinięciem hamulca EP o jeszcze wyższym poziomie kontroli. Dodatkowo informacje o działaniu hamulców na każdym wagonie są zwracane do pulpitu sterowniczego kierowcy.

Dzięki ECP linia zasilająca i sterująca jest instalowana od wagonu do wagonu od przodu pociągu do tyłu. Elektryczne sygnały sterujące rozchodzą się skutecznie natychmiastowo, w przeciwieństwie do zmian ciśnienia powietrza, które rozchodzą się z dość małą prędkością, ograniczoną w praktyce przez opór przepływu powietrza w rurociągu, tak że hamulce we wszystkich wagonach mogą być uruchamiane jednocześnie, a nawet z od tyłu do przodu, a nie od przodu do tyłu. Zapobiega to „popychaniu” wagonów z tyłu, co skutkuje skróceniem drogi hamowania i mniejszym zużyciem wyposażenia.

W Ameryce Północnej dostępne są dwie marki hamulców ECP, jedna firmy New York Air Brake, a druga firmy Wabtec . Te dwa typy są wymienne.

Identyfikacja

Hamulce pneumatyczne działają pod wysokim ciśnieniem, a przewody pneumatyczne na końcach taboru mają małą średnicę. Z drugiej strony hamulce podciśnieniowe działają na niskim ciśnieniu, a węże na końcach taboru mają większą średnicę.

Hamulce pneumatyczne w skrajnych pojazdach pociągu są wyłączane za pomocą kranu. Hamulce próżniowe w skrajnych pojazdach pociągu są uszczelnione zatyczkami, które są zasysane na swoje miejsce.

Odwracalność

Połączenia hamulcowe między wagonami można uprościć, jeśli wagony zawsze kierują się w ten sam sposób. Wyjątkiem byłyby lokomotywy, które często są obracane na obrotnicach lub trójkątach .

Na nowej linii kolejowej Fortescue, otwartej w 2008 roku, wagony są eksploatowane w zestawach, choć ich kierunek zmienia się na pętli balonowej w porcie. Połączenia ECP są tylko z jednej strony i są jednokierunkowe.

Wypadki z hamulcami

Wadliwe lub niewłaściwie zastosowane hamulce mogą prowadzić do ucieczki pociągu ; w niektórych przypadkach spowodowało to wraki pociągów :

Galeria

Zobacz też

Producenci

Bibliografia

Źródła

Dalsza lektura

  • Marsh, GH i Sharpe, AC Rozwój hamulców kolejowych. Część 1 1730-1880 Czasopismo kolejnictwa 2(1) 1973, 46-53; Część 2 1880-1940 Czasopismo kolejnictwa 2(2) 1973, 32-42
  • Winship, IR Akceptacja ciągłych hamulców na kolei w Wielkiej Brytanii Historia technologii 11 1986, 209-248. Obejmuje rozwój od około 1850 do 1900.

Zewnętrzne linki