Вентил KEf и спирачната система KE на Knorr-Bremse

1. За какво става дума?

Разпределителният вентил (Steuerventil) е основният управляващ елемент в автоматичната въздушна спирачка на железопътния подвижен състав. Неговата задача е да преобразува измененията на налягането в главния спирачен провод (ГВП) в точно дозирано налягане в спирачните цилиндри. Когато машинистът разрежда ГВП, всеки вентил по дължината на влака „чувства“ спада и самостоятелно зарежда своя спирачен цилиндър — без електрическа връзка между вагоните.

Когато казваме „KE спирачка“, имаме предвид Knorr-Bremse mit Einheitswirkung — спирачката на Knorr с еднотипно действие (наричана също Knorr-Einheitsbremse). В специализираната литература тя се описва като многократно разхлабваща се, неизчерпаема, автоматично налягане-поддържаща и непряко действаща еднокамерна въздушна спирачка с триналягателно управление. Допусната е през 1953 г. и оттогава се монтира по целия свят.

KEf е новото поколение разпределителни вентили на Knorr-Bremse, въведено през 2019 г. като наследник на класическите KE вентили. За разликата между двете поколения ще говорим подробно по-долу.

2. Кратка история: как се ражда KE спирачката

След Втората световна война железниците имаха нужда от спирачка, която да издържа на по-дълги и по-тежки влакове, по-високи скорости и по-голяма полезна товароемкост на вагоните. Дотогава в Германия за нови вагони се използваше спирачката Hildebrand-Knorr (Hik), която трябваше да бъде надградена. Knorr-Bremse разработва новата KE спирачка на базата на обширни предвоенни разработки, като съзнателно залага на модулния принцип (Baukastenprinzip) — лесна заменяемост и поддръжка на отделните възли.

Изпитванията са изключително задълбочени. Deutsche Bundesbahn първо проверява вентила на стенд на Knorr, а след това оборудва необходимите за международното допускане вагони и провежда допълнителни стендови и поездни изпитвания. Между 15 и 27 юни 1953 г. германските железници представят изпитвателните влакове пред представителите на V. комисия — т.нар. Спирачен комитет — на Международния железопътен съюз (UIC) и на Техническата единица в железопътното дело (ORE). Извършени са стендови изпитвания на гарите Фрайбург и Вилинген, поездни изпитвания в равнинен участък по линията Манхайм–Базел (Фрайбург–Офенбург) и изпитвания на спускане по Шварцвалдбан между Зомерау и Хаузах. На базата на тези резултати Спирачният комитет препоръчва допускането на KE спирачката за международно движение.

Фиг. 1: Пътят от допускането на KE спирачката (1953 г.) до днешните дни. Авторска схема по данни на Knorr-Bremse.

3. Какво означава „Einheitswirkung“?

Думата „Einheitswirkung“ (еднотипно действие) е ключът към целия успех на тази спирачка. При старите конструкции всеки разпределителен вентил трябваше да бъде напасван към конкретния размер на спирачния цилиндър — различните маси на вагоните изискваха различни цилиндри и различни вентили. При KE спирачката това отпада: времетраенето на запълването и на изпускането на спирачния цилиндър не зависи от размера на цилиндъра. Един и същ вентил покрива всички възможни размери.

Резултатът е еднакъв времеви ход на налягането в спирачните цилиндри по цялата дължина на влака. Влакът се спира „събрано“, без ривки между вагоните — за железопътната практика това е важното спокойно и равномерно тичане на влака (Laufruhe). И добавете към това, че спирачката е многократно разхлабваща се — машинистът може да разхлабва на стъпки, и неизчерпаема — резервоар-запаснителят се допълва от ГВП и по време на спирането, така че спирането може да се повтаря многократно без изчерпване на запасния въздух.

4. Устройство на KE спирачката на вагона

Спирачното оборудване на вагон с KE система се състои от три основни части:

• KE разпределителен вентил (Steuerventil) — в изпълнение, съответстващо на предназначението му;
• резервоар-запаснител (Hilfsluftbehälter) — енергийният източник за спирането;
• спирачният цилиндър (или цилиндри) — преобразува налягането в спирачна сила.

Към тях се добавя управляващият резервоар (Steuerbehälter), монтиран под самия вентил. Той поддържа т.нар. управляваща камера A, спрямо която вентилът сравнява налягането в ГВП. Изключващият кран и въздушният филтър са вградени в самия вентил, а ГВП минава право през вентилния носач без никакви разклонения — в сравнение с по-старите спирачки монтажът значително се опростява.

Фиг. 2: Опростена схема на KE спирачката на вагон — главният спирачен провод, разпределителният вентил с триналягателното управление, резервоар-запаснителят, управляващият резервоар и спирачният цилиндър. Авторска схема.

Снимка: Разпределителен вентил и релеен вентил на носача под вагон. © Knorr-Bremse Systeme für Schienenfahrzeuge GmbH

Модулността (Baukastenprinzip) е в сърцето на конструкцията. Към едно и също базово вентилно тяло се добавят стандартизирани възли:

• изключващ орган (Absperrorgan);
• уредба за смяна на вида на влака (Zugartenwechsel) — положенията G, P, R;
• релеен вентил (Relaisventil);
• управляваща камера (Steuerkammer).

При превозни средства с електропневматична спирачка вентилът се допълва с електропневматично управление. От конструктивна гледна точка е важно и следното: вместо шайби, метални втулки и конусни кранове, характерни за по-старите спирачки, при KE вентилите се използват каучукови седлови клапани, ненапрегнати каучукови мембрани и каучукови О-пръстени. Това улеснява производството и поддръжката и увеличава издръжливостта — една от причините тези вентили и до днес да работят надеждно по хиляди вагони.

5. Принцип на действие (пример: KE 1c)

Сърцето на вентила е триналягателният вентил (Dreidruckventil). Той се управлява от три налягания: налягането в управляващата камера A (от управляващия резервоар), налягането в ГВП и налягането от резервоар-запаснителя. Ето как протича един цикъл:

5.1 Спиране

1. Машинистът намалява налягането в ГВП.
2. Налягането в камерата A вече е по-високо от налягането в ГВП — триналягателният вентил отваря път от резервоар-запаснителя към Cv-камерата.
3. Въздухът тече, докато сумата от Cv-налягането и налягането в ГВП се изравни с налягането в камерата A — това е избраната стъпка на спиране.
4. Cv-налягането действа върху управлението на релейния вентил, който отваря пътя от резервоар-запаснителя към спирачния цилиндър — до пълното изравняване на налягането в цилиндъра с Cv-налягането.

Два ограничителя правят хода на процеса безупречен:

• Минимален ограничител (0,8 bar): в началото на спирането въздухът постъпва с голямо сечение, докато Cv-налягането достигне 0,8 bar. Така мъртвият ход в спирачната предавка се избира бързо — накладките прилепват към колелетата без забавяне.
• Максимален ограничител (3,8 bar при KE 1c): при достигане на 3,8 bar подаването се блокира. Това е пълното спиране.

5.2 Задържане

При избраната стъпка системата е в равновесие. Ако налягането в спирачния цилиндър падне (например при теч), релейният вентил допълва — вентилът сам възстановява загубите. Ако падне Cv-налягането, триналягателният вентил също допълва от резервоар-запаснителя. Затова спирачката се нарича „автоматично налягане-поддържаща“.

5.3 Разхлабване — степенно

При разхлабването налягането в ГВП се повишава, а Cv-камерата едновременно се изпуска. Това продължава, докато сумата от двете налягания отново се изравни с камерата A — така се получава степенно (многократно) разхлабване: машинистът може да пуска спирачката на стъпки, а не само изцяло. При намаленото Cv-налягане релейният вентил изпуска спирачния цилиндър към атмосферата — също до ново изравняване. През целия процес на разхлабване подаването от резервоар-запаснителя към цилиндъра и Cv-камерата остава затворено, а резервоарът се дозарежда от ГВП през R-пълнителя.

Фиг. 3: Стъпково спиране, задържане и степенно разхлабване — налягането в ГВП и в спирачния цилиндър. Илюстративна диаграма с типични стойности за KE 1c.

Фиг. 4: Характеристика на вентила — налягане в спирачния цилиндър спрямо спада в ГВП. Илюстративна крива с типичен прогресивен ход.

6. Основни форми, изпълнения и режими G/P/R

Модулният принцип поражда няколко основни форми на вентила:

Изпълненията се обозначават с букви: a — макс. налягане в СЦ 3,6 ± 0,1 bar (при KE 2: 3,8 ± 0,1 bar), запълване в положение G за 30–40 s; c — макс. 3,8 ± 0,1 bar и запълване в G за 18–30 s (това изпълнение не е било купувано от Deutsche Bundesbahn, но е масово при вагоните на Deutsche Reichsbahn); b — друго налягане и времево поведение. Вентили с типов ключ SL имат бързо разхлабване — от 1 януари 1979 г. те са международно задължителни за товарни вагони, минаващи по сортировъчни хълмове (Ablaufberge).

Режимите на вида на влака се разчитат направо от спирачния надпис (Bremsanschrift) на вагона:

• KE-G — товарен вагон с макс. скорост 75 km/h, фиксирано положение G;
• KE-GP — пътнически вагони в разряд „пътнически влак“ (Personenzug) и бързоходни товарни вагони, смяна G–P;
• KE-GP-A — KE-GP с автоматично непрекъснато натоварване на спирачката;
• KE-GPR — високоефективна спирачка за бързоходни пътнически вагони и локомотиви (с уредба за смяна G–P–R, регулатор на спирачното налягане от осовите лагери, индикатор за спирачното налягане и антисколцова уредба). Работи с две скоростно-зависими стъпки: при скорости над около 50 km/h вагонът се спира с около 160 % от натоварването му, а под 50 km/h — с около 70 %;
• KE-GPR-E — локомотиви с допълнителна електрическа спирачка (например Siemens Vectron).

7. От KEa до KEf: защо беше нужно ново поколение

Първото изпълнение — KEa — за първи път гарантира, че спирачният цилиндър винаги се запълва и изпуска в определените времена, независимо от действителния му размер. Но техническият прогрес не спира: през следващите десетилетия до 2019 г. са разработени и произведени около 500 варианта на вентила KE — всеки със собствен номер на чертеж, собствени дюзи и пръжини, собствен запас от резервни части. За депата и за производството това е огромно логистично бреме.

Затова през 2019 г. Knorr-Bremse пуска платформата KEf (строително състояние f), разработена изцяло от нулата, заедно с нова модулна система от релейни вентили KRf. Идеята е елегантна: един разпределителен вентил KEf в комбинация с един или два релейни вентила KRf покрива изискванията на практически всички типове превозни средства. Новата гама е намалена от около 500 на около 50 варианта, но предлага по-широк диапазон от настройки за конкретни проекти.

Фиг. 5: Модулната архитектура KEf/KRf — разпределителен вентил, релейни вентили и интерфейс за пневматични данни върху общ носач. Авторска схема по данни на Knorr-Bremse.

Снимка: Характеристично поле на натоварващия релеен вентил KRf-C — налягане в спирачната камера (C) спрямо натоварващото налягане (T). © Knorr-Bremse Systeme für Schienenfahrzeuge GmbH

Единичните релейни вентили преобразуват управляващото налягане в налягане за спирачния цилиндър при постоянно съотношение; двустепенните предлагат две избираеми съотношения; натоварващият KRf-C работи с непрекъснато променливо съотношение за автоматично натоварване. Цялата модулна система е прецизирана така, че около 90 % от характеристичните криви, постижими на терен, попадат в диапазона на наклон 0,6–1,5, като броят на T-пръжините е сведен до десет — всяка с широк обхват за механична настройка още при производството.

Към това идват и чисто конструктивни предимства:

• ковани алуминиеви части (drop-forged) вместо ляти — по-здрав и лек корпус;
• разпределителният и релейният вентил се монтират поотделно на носача — платформата се побира дори в нископодови конструкции в стандартно изпълнение, където старият KE изискваше уникално решение за всеки проект;
• носачът няма сменяеми части и остава на вагона, докато малките и леки вентили се демонтират за сервиз — това директно намалява времето за престой и опростява управлението на резервните части.

8. KEf и дигитализацията на товарния влак

Най-важното в KEf обаче е отвъд пневматиката. Платформата е проектирана с нов канал за данни — интерфейс за събиране на пневматични работни данни и допълнителна сензорна кутия. Това е основата на целия спектър от цифрови приложения:

• наблюдение на състоянието (condition monitoring) — включително непрекъснат контрол на състоянието на спирачките от машиниста по време на движение;
• автоматизирана спирачна проба, която да ускори подготовката на влаковете;
• интеграция на изпълнителни модули (актуатори) — пътят към мрежова електропневматична спирачка;
• съвместимост с концепциите за Digital Freight Train, вкл. разработките по „Flagship Area 5“ на европейската програма Europe’s Rail (свързана и с автоматичната цепка DAC).

Снимка: KEf вентил с модула за пневматични работни данни (синя сензорна кутия). © Knorr-Bremse Systeme für Schienenfahrzeuge GmbH

Мащабът на внедряването говори сам за себе си: над 100 000 вентила от семейството KE/KR са в ежедневна работа. До края на 2022 г. повече от 3 000 KEf и KRf вентила са монтирани на около 400 модерни нископодови вагони тип „покет“ (pocket wagons) T3000 на швейцарския разработчик на товарни вагони Ferriere Cattaneo — именно компактността на KEf позволява инсталирането им в ултра-ниската конструкция на тези вагони, а в експлоатация вентилите впечатляват с висока наличност.

9. KE или KEf? Сравнение в една таблица

10. Заключение

KE спирачката е един от онези инженерни продукти, които променят цял един отрасъл: с нея еднотипното действие на спирачките става стандарт, на който разчитаме и до днес. Личното ми мнение е, че KE спирачката е една от най-успешните спирачни системи, създавани някога — и колкото повече я разглобям на стенда, толкова повече се убеждавам в това. KEf е логичната ѝ еволюция: същата проверена пневматична философия, но в компактен, модерен и дигитално-готов вид, който ще ни носи през следващите десетилетия — до влака с автоматична цепка и автоматизирана спирачна проба.

Използвани източници

1. Petter, T., Heller, J., Jass, S.: From KEa to KEf: a new generation and a major step toward rail freight digitization, Knorr-Bremse, август 2023 г. — https://rail.knorr-bremse.com/en/de/stories/online-magazine/from-kea-to-kef-a-new-generation-and-a-major-step-toward-rail-freight-digitization
2. Knorr-Bremse mit Einheitswirkung, Wikipedia (DE) — https://de.wikipedia.org/wiki/Knorr-Bremse_mit_Einheitswirkung — с посочените там първоизточници: Denzin, P.: Leitfaden der Bremstechnik, transpress, Берлин 1969, с. 135–185; Kirschstein, H.: Die neue Knorr-Druckluftbremse, Bauart „KE“, Eisenbahntechnische Rundschau, януари 1954, с. 13–29; Knorr-Bremse Handbuch – Bremstechnische Begriffe und Werte für Schienenfahrzeuge, 1976, с. 49–54; Arbeitsmappe Technischer Wagendienst, декември 1990.
3. Knorr-Bremse AG: Historie – Meilensteine der Unternehmensgeschichte — https://www.knorr-bremse.com/de/unternehmen/historie
4. New generation of KEf valves support modern freight car operations, Railway International, 2 януари 2024 г. — https://railway-international.com/news/75567-the-new-generation-of-kef-valves-has-attractive-features-that-support-modern-freight-car-operations
5. UIC Leaflet 540: Air brakes for freight trains and passenger trains — https://uic.org (рамковият документ за автоматичните въздушни спирачки; виж също авторската статия UIC 540: Основополагащият документ за автоматичните въздушни спирачки и неговото значение днес на spirachki.eu)
6. Авторски материали на spirachki.eu: От KEA до KEF: Новото поколение вентили на Knorr; Функционен вентил КЕ; Разпределителният вентил KEf на Knorr-Bremse; Стент за KEF вентили — https://spirachki.eu/

Всички източници са посетени през ноември 2026 г. Снимките с бележка „© Knorr-Bremse Systeme für Schienenfahrzeuge GmbH“ са официални изображения на производителя, използвани с посочване на източника. Схемите и диаграмите са авторски (Федя Серафиев) и могат да се използват с посочване на автора и на линк към тази статия.