Пневматично и динамично спиране: пътят към ефективни влакове

Спирачната система е един от най-важните елементи за безопасността и ефективността на железопътния транспорт. Тя трябва да осигурява надеждно намаляване на скоростта, спиране в определеното разстояние и задържане на превозното средство в неподвижно състояние при предвидените експлоатационни условия.

В съвременните електрически и дизел-електрически влакове тези задачи могат да се изпълняват чрез съчетаване на два различни принципа: пневматично спиране и динамично спиране. Първото използва сгъстен въздух за задействане на механичните спирачни механизми, докато второто използва електрическите тягови машини за създаване на спирачен момент.

Правилното им съчетаване позволява да се намали натоварването на фрикционните елементи, да се използва част от кинетичната енергия на влака и да се подобри управлението на спирането. Това обаче изисква съгласувана работа на системите, подходящо управление и запазване на необходимата спирачна ефективност при всички предвидени условия.

1. Как работи пневматичната спирачка?

Пневматичната спирачка използва енергията на сгъстения въздух, за да създаде механична сила върху спирачните елементи. При традиционната автоматична влакова спирачка командата се предава чрез промяна на налягането в главния въздухопровод.

Типичната система включва:

• компресор и система за подготовка на сгъстения въздух;
• главен въздухопровод;
• разпределителен вентил на всяко превозно средство;
• запасен въздушен резервоар;
• спирачен цилиндър;
• механичен лостов предавателен механизъм;
• спирачни калодки или други фрикционни елементи.

Конкретната конструкция и съставът на оборудването зависят от типа на превозното средство и спирачната система.

1.1. Принцип на действие

При автоматичната непряка пневматична спирачка главният въздухопровод се поддържа под определено налягане в режим на движение. Разпределителният вентил на всяко превозно средство реагира на изменението на това налягане и управлява подаването на въздух от запасния резервоар към спирачния цилиндър.

Последователността при задействане е следната:

1. Машинистът подава команда за спиране.
2. Налягането в главния въздухопровод се понижава.
3. Разпределителните вентили реагират на промяната.
4. Сгъстен въздух постъпва в спирачните цилиндри.
5. Спирачният механизъм притиска калодките към колелата или задейства съответните фрикционни елементи.
6. Създава се спирачен момент, който намалява скоростта на влака.

При отпускане на спирачката налягането в главния въздухопровод се възстановява, разпределителните вентили преминават към режим на отпускане и спирачните цилиндри се разтоварват съгласно конструкцията на системата.

Важна особеност на автоматичната непряка спирачка е, че загубата на налягане в главния въздухопровод, например при нарушаване на неговата цялост, предизвиква задействане на спирачките. Именно това е една от основните причини този принцип да се използва широко в железопътния транспорт.

1.2. Предимства и ограничения

Основните предимства на пневматичната спирачка са:

• възможност за управление на спирането по целия състав;
• автоматично задействане при определени откази на главния въздухопровод;
• доказана конструктивна и експлоатационна практика;
• възможност за използване при различни видове железопътни превозни средства.

Същевременно системата има и ограничения. Промяната на налягането се разпространява по въздухопровода с крайна скорост, а действието на разпределителните вентили и пневматичните механизми не е мигновено. При дълги товарни влакове динамиката на задействане и отпускане на спирачките е особено важна за надлъжните сили между вагоните.

Освен това фрикционното спиране преобразува механичната енергия предимно в топлина. Това води до нагряване и износване на спирачните елементи.

За принципа на работа на пневматичната спирачка и съставните ѝ елементи може да се използва техническото ръководство на Международния съюз на железниците (UIC) за симулационната система TrainDy.

Източник: UIC – TrainDy софтуер за надлъжни сили във влакове.

2. Какво представлява динамичното спиране?

Динамичното спиране използва електрическите тягови машини за създаване на спирачен момент. При него електродвигателите преминават в генераторен режим и преобразуват част от механичната енергия на движещия се влак в електрическа енергия.

За разлика от пневматичното спиране, при което спирачният момент се създава чрез фрикционен механизъм, динамичното спиране използва електромагнитното взаимодействие в тяговите машини.

В зависимост от конструкцията на тяговото оборудване и начина на използване на получената електроенергия се разграничават два основни вида.

2.1. Регенеративно спиране

При регенеративното спиране електрическата енергия, произведена от тяговите машини, се връща към електрозахранващата мрежа, когато тя и съответната система за управление позволяват това.

Енергията може да бъде използвана от други влакове, които в същия момент потребяват електроенергия, или да бъде приета от подходяща система за съхранение, ако такава е предвидена.

Основните предимства са:

• намаляване на нетното потребление на електроенергия;
• ограничаване на износването на фрикционните спирачни елементи;
• намаляване на топлинното натоварване на механичната спирачка;
• възможност за по-ефективно използване на енергията при чести спирания.

Важно: регенеративното спиране не означава, че цялата енергия на движещия се влак се възстановява. Част от нея се губи при преобразуването, а възможността за връщане на електроенергия зависи от тяговото оборудване и състоянието на захранващата мрежа.

Ако мрежата не може да приеме произведената енергия и няма подходящо устройство за съхранение, регенеративното спиране може да бъде ограничено или да не се използва в съответния режим.

2.2. Реостатно спиране

При реостатното спиране тяговите машини също работят като генератори, но произведената електрическа енергия се разсейва в спирачни резистори под формата на топлина.

Този принцип се използва при определени електрически и дизел-електрически локомотиви и мотрисни влакове.

Основното му предимство е, че динамичното спиране не зависи изцяло от възможността електрозахранващата мрежа да приеме енергията. Необходимите резистори и охлаждащата система обаче трябва да са оразмерени за съответното топлинно натоварване.

При продължително спускане по наклон топлинната мощност и допустимото натоварване на резисторите са съществени ограничения.

2.3. Какво не може да направи динамичната спирачка?

Динамичното спиране не е универсален заместител на пневматичната спирачка.

Неговата ефективност зависи от конструкцията на тяговите машини, скоростта, наличната мощност, сцеплението между колелата и релсите и ограниченията на управлението.

При ниски скорости спирачният момент на много тягови системи намалява. При нулева скорост динамичното спиране не може само по себе си да осигури надеждно неподвижно задържане на влака.

Поради това при много железопътни превозни средства пневматичната спирачка продължава да изпълнява основна функция при окончателното спиране, при ниски скорости и при задържане, съобразно конструкцията и експлоатационните изисквания.

3. Пневматично срещу динамично спиране

Двата принципа имат различни функции и ограничения. Сравнението им показва защо съчетаването им често е по-ефективно от използването само на единия.

Таблицата представя общите принципи. Конкретните характеристики се определят от конструкцията, техническите условия и одобрените режими на работа на съответното превозно средство.

4. Съвместна работа: спирачно смесване

Едно от най-важните решения при съвременните влакове е съгласуваното управление на динамичното и пневматичното спиране. Този процес обикновено се нарича спирачно смесване.

Целта е да се използва наличната динамична спирачна сила, доколкото тя е достъпна и допустима, а пневматичната спирачка да осигури необходимата допълваща сила.

При такава система управлението трябва да отчита заявената спирачна сила, наличния динамичен спирачен момент, скоростта, сцеплението, техническите ограничения и състоянието на оборудването.

4.1. Как протича процесът?

При нормално служебно спиране последователността може да бъде следната:

1. Машинистът задава необходимото намаляване на скоростта.
2. Системата за управление определя необходимата обща спирачна сила.
3. Динамичната спирачка осигурява достъпната част от нея.
4. Пневматичната спирачка осигурява остатъка, когато е необходимо.
5. При промяна на скоростта или наличната динамична спирачна сила разпределението между двата вида спиране се коригира.

Точната последователност зависи от конкретната система. Не всички влакове използват еднакъв алгоритъм и не е задължително динамичното спиране винаги да има приоритет.

При отпадане или ограничаване на динамичното спиране системата трябва да разполага с предвидените средства за запазване на необходимата спирачна ефективност, включително чрез пневматичното спиране, когато конструкцията го осигурява.

4.2. Защо е необходимо правилно съгласуване?

Ако двете системи действат без подходящо съгласуване, е възможно да се получи прекомерна обща спирачна сила, нежелани промени в забавянето или излишно задействане на фрикционните механизми.

При правилно управление се търсят няколко резултата:

• постигане на необходимото забавяне;
• ограничаване на ненужното фрикционно спиране;
• плавно изменение на спирачната сила;
• контрол върху топлинното натоварване;
• запазване на безопасността при откази и неблагоприятни условия.

Тези цели трябва да се постигат в рамките на одобрените характеристики на спирачната система, а не чрез произволно намаляване на участието на пневматичната спирачка.

Технически източник: UIC – Direct electro-pneumatic brake.

5. Как съчетаването на спирачките повишава ефективността?

Ползите от съвместната работа на пневматичното и динамичното спиране не се ограничават до намаляване на износването. Те засягат енергопотреблението, техническото обслужване и експлоатационната надеждност.

5.1. Намаляване на износването

Когато динамичната спирачка осигурява част от необходимата спирачна сила, фрикционните елементи могат да бъдат използвани по-малко интензивно.

Това може да намали износването на спирачните калодки или накладки, както и топлинното натоварване на съответните компоненти.

Резултатът обаче зависи от режима на движение, броя на спиранията, профила на линията, натоварването и алгоритъма на спирачното смесване. Намаляването на износването не може да се приема като еднакво за всички влакове.

5.2. По-ефективно използване на енергията

При регенеративното спиране част от кинетичната енергия се преобразува в електрическа и може да бъде използвана повторно.

Това е особено полезно при влакове с чести ускорявания и спирания, например в градския и крайградския транспорт.

Реалната икономия зависи от това каква част от енергията може да бъде възстановена и използвана. Влияние оказват загубите при преобразуване, характеристиките на захранващата система и наличието на други потребители на електроенергия.

5.3. Ограничаване на топлинното натоварване

При фрикционното спиране кинетичната енергия се преобразува основно в топлина. При динамичното спиране част от тази енергия се обработва чрез електрическата тяговата система.

Това може да намали топлинното натоварване на фрикционните елементи, но не премахва необходимостта те да бъдат правилно оразмерени, проверявани и поддържани.

При продължително спускане трябва да се отчита и допустимото натоварване на тяговото оборудване, спирачните резистори и останалите компоненти.

5.4. По-добро управление на спирането

Съвременните системи за управление могат да координират спирачната сила между различни механизми и да я адаптират към текущите условия.

Това създава възможност за по-плавно спиране и по-ефективно използване на наличните ресурси.

Самото наличие на електронно управление обаче не гарантира по-къс спирачен път. Той зависи от общата спирачна ефективност, скоростта, сцеплението, натоварването и условията на движение.

6. Практически пример: спиране на влак пред гара

Да разгледаме електрически пътнически влак, който се движи с постоянна скорост и трябва да спре пред гара.

При влак, оборудван с регенеративно и пневматично спиране, процесът може да протече по следния начин:

Първи етап — започване на спирането. Системата за управление задава необходимата спирачна сила. Динамичната спирачка започва да създава спирачен момент, а пневматичната система се включва според алгоритъма и наличните възможности.

Втори етап — основно намаляване на скоростта. Динамичното спиране поема достъпната част от необходимата спирачна сила. Ако електрозахранващата мрежа може да приеме произведената електроенергия, тя се връща към нея.

Трети етап — приближаване към мястото за спиране. С намаляването на скоростта достъпната динамична спирачна сила може да се промени. Управлението коригира участието на пневматичната спирачка, така че да се постигне необходимото забавяне.

Четвърти етап — окончателно спиране. При ниска скорост пневматичната спирачка осигурява необходимата допълваща сила. След спирането влакът се задържа съгласно предвидената конструкция и експлоатационен режим.

При този пример не се задава универсално съотношение между динамичната и пневматичната спирачна сила. То се определя от конкретната конструкция и системата за управление.

Основният извод е, че динамичното спиране може да намали работата на фрикционната спирачка, но крайният резултат трябва да отговаря на изискванията за безопасност и спирачна ефективност.

7. Какво се променя при товарните влакове?

При товарните влакове въпросът е по-сложен. Не всички вагони разполагат с тягови машини, а динамичната спирачка на локомотива действа непосредствено върху оборудваните с нея тягови оси.

Това означава, че динамичното спиране на локомотива не замества автоматично пневматичното спиране на вагоните.

При дълъг товарен състав трябва да се отчитат:

• разпространението на пневматичната команда по влака;
• времето за задействане и отпускане на спирачките;
• надлъжните сили между вагоните;
• масата и разпределението на товара;
• състоянието на спирачните механизми;
• сцеплението между колелата и релсите;
• характеристиките на линията, включително наклоните.

Динамичното спиране на локомотива може да допринесе за намаляване на скоростта и за ограничаване на използването на фрикционните спирачки на самия локомотив. То обаче трябва да бъде съгласувано с пневматичната спирачка на състава.

При определени режими неправилното разпределение на спирачната сила може да увеличи надлъжните усилия. Ето защо при товарните влакове управлението на спирането е не само въпрос на енергийна ефективност, но и на динамиката на целия състав.

8. Сцепление и защита срещу блокиране на колелата

Независимо от използвания принцип на спиране, спирачната сила трябва да бъде съобразена със сцеплението между колелата и релсите.

При неблагоприятни условия, например влажни релси, замърсяване или наличие на листна маса, достъпната сила на сцепление може да намалее. Ако приложената сила надхвърли възможностите на контакта колело–релса, може да настъпи приплъзване или блокиране на колелата.

Това е важно както за фрикционното, така и за динамичното спиране, тъй като и двата вида създават спирачен момент върху колелата.

Системите за защита срещу приплъзване и блокиране на колелата следят съответните параметри и ограничават спирачната сила, когато това е необходимо.

Тяхната задача не е просто да намалят спирачната сила, а да подпомогнат използването на наличното сцепление, без да се нарушават изискванията за безопасност.

Наличието на динамична спирачка не премахва физическите ограничения на контакта колело–релса. Затова управлението на спирането трябва да отчита състоянието на пътя, характеристиките на превозното средство и работата на защитните системи.

9. Безопасност и нормативни изисквания

В железопътния транспорт ефективността не може да се разглежда отделно от безопасността.

Съгласно европейските технически изисквания основната спирачна функция на влака трябва да отговаря на определени принципи, включително непрекъснато управление и автоматично действие при прекъсване на управляващата линия. Динамичното спиране може да допълва основната спирачна функция, но приложимите изисквания зависят от вида на превозното средство и съответната техническа спецификация.

Спирачната ефективност трябва да бъде определена и проверена по приложимите правила. Не е достатъчно една система да създава голяма спирачна сила при определени условия — необходимо е да се докаже, че превозното средство изпълнява изискванията в предвидените режими.

При оценката се отчитат фактори като:

• скоростта и масата на влака;
• характеристиките на спирачната система;
• наличната спирачна ефективност;
• поведението при отказ или ограничена функционалност;
• топлинното натоварване;
• сцеплението и условията на експлоатация.

Европейската агенция за железопътен транспорт (ERA) подчертава, че системата ETCS контролира скоростта и положението на влака и при необходимост може да задейства спирачната система. Самото спиране се изпълнява от спирачното оборудване на влака, а ETCS използва модел на спирачната динамика за изчисляване и контрол на спирачните криви.

Източник: ERA – спирачни криви.

Допълнителна нормативна основа предоставя европейската техническа спецификация за оперативна съвместимост, свързана с подвижния състав и спирачните системи.

Източник: Регламент (ЕС) № 1302/2014 – техническа спецификация за оперативна съвместимост на подвижния състав.

При конкретен проект или ремонт трябва да се проверят приложимата редакция на нормативния документ, одобрената документация на превозното средство и предписанията на производителя. Общото описание на принципа на работа не замества техническите изисквания за конкретната система.

10. Бъдещето на железопътното спиране

Развитието на железопътните спирачни системи е насочено към по-прецизно управление, по-добра диагностика и намаляване на експлоатационните разходи, без компромис с безопасността.

Сред важните направления са:

• усъвършенстване на електронното управление на спирачките;
• по-добро съгласуване на динамичното и пневматичното спиране;
• по-ефективно използване на регенеративната енергия;
• наблюдение на състоянието на спирачните компоненти;
• подобряване на защитата срещу приплъзване и блокиране на колелата;
• разработване и изпитване на нови електропневматични и електромеханични решения.

Европейската инициатива Europe’s Rail разглежда нови решения за електронно управление и електромеханично задействане на спирачките. Тези разработки показват посоката на развитие, но не означават, че всички нови технологии вече са масово внедрени или са подходящи за всяко превозно средство.

Източник: Europe’s Rail – търсене на по-ефективни спирачни системи.

Заключение

Пневматичното и динамичното спиране изпълняват различни, но взаимно допълващи се функции. Пневматичната спирачка остава основен елемент за надеждното спиране на влаковете, докато динамичната спирачка позволява да се използват възможностите на тяговите машини за създаване на спирачен момент и, при регенеративния режим, за възстановяване на част от кинетичната енергия.

Правилното им съчетаване може да намали износването на фрикционните елементи, да ограничи топлинното натоварване и да подобри енергийната ефективност. Ползите обаче зависят от конструкцията на превозното средство, управлението на спирачките, условията на движение и възможностите на електрозахранващата система.

По-ефективното спиране не означава просто по-малко използване на пневматичната спирачка. То означава правилно разпределение на спирачната сила, контрол върху енергията и износването и доказана способност на целия влак да спре безопасно при предвидените условия.

В железопътния транспорт икономията има стойност само когато е постигната при запазена спирачна ефективност и надеждност на системата.