Спирачна сила и спирачна маса: какво всъщност означават

Въведение

При оценяването на железопътните спирачки често се използват понятията спирачна сила, спирачна маса и процент спирачна маса. Те описват различни страни на един и същ процес, но не означават едно и също. Смесването им може да доведе до неправилни изводи при техническа диагностика, подготовка на влак за движение и оценка на спирачните му характеристики.

Спирачната сила е механичното въздействие, което противодейства на движението. Спирачната маса е приета оценъчна величина, изразена в тонове, чрез която се представя спирачната способност на превозно средство или влак съгласно определена методика. Процентът спирачна маса съпоставя тази оценъчна величина с масата на превозното средство или влака.

Основното правило е просто: спирачната маса не е действителна маса, която спирачната система добавя към вагона, и не е пряко измерена спирачна сила в тонове. Тя е показател за спирачната способност, определен по стандартизирана процедура.

1. Какво представлява спирачната сила

Спирачната сила е сила, насочена срещу движението на железопътното превозно средство. При обичайната фрикционна спирачка тя възниква вследствие на притискането на спирачните калодки към повърхността на търкаляне на колелото или на спирачните накладки към дисковете.

В спирачната система трябва да се разграничават няколко последователни процеса:

• управляващият сигнал задейства спирачната система;
• в спирачния цилиндър се създава налягане;
• спирачният механизъм преобразува усилието на цилиндъра в притискащо усилие;
• контактът между фрикционните повърхности създава спирачен момент;
• спирачният момент поражда сила, която се предава към колелото и релсата;
• чрез контакта колело–релса тази сила забавя движението на превозното средство.

Реалният резултат зависи не само от налягането в спирачния цилиндър. Влияние оказват предавателното отношение на спирачната лостова система, състоянието и коефициентът на триене на фрикционните елементи, геометрията на спирачния механизъм, скоростта, натоварването и сцеплението между колелото и релсата.

При спирачките, зависещи от сцеплението колело–релса, предаваната сила е ограничена от наличното сцепление. Ако необходимата сила надхвърли тази граница, колелото може да се плъзне. Следователно увеличаването на притискащото усилие не гарантира пропорционално увеличаване на полезната спирачна сила.

Може да ви е интересно още: Спирачна маса на вагон и влак

2. Какво представлява спирачната маса

Спирачната маса е стандартизирана величина за представяне на спирачната способност на железопътно превозно средство. Тя се изразява в тонове и се определя чрез приложима методика за оценяване на спирачните характеристики.

При европейската железопътна практика спирачната маса обикновено се обозначава с буквата B. Стойността ѝ се определя въз основа на спирачни изпитвания и установените характеристики на превозното средство, като се спазват приложимите условия и правила за оценка.

Тази величина е полезна, защото позволява спирачните способности на различни превозни средства да бъдат включени в обща оценка на спирачната осигуреност на влака. Тя обаче не бива да се тълкува като пряко измерване на силата, упражнявана от спирачните калодки или дискове.

Например вагон с маса 80 t може да има определена спирачна маса, която зависи от одобрените му спирачни характеристики и приложимия режим на спиране. Спирачната маса не е непременно равна на действителната маса на вагона. Тя може да бъде по-малка или по-голяма от нея.

Стойността, нанесена върху вагона, трябва да се използва според предназначението и условията, при които е определена. Не е технически правилно тя да се променя произволно въз основа на моментно измерване на налягането или на визуална оценка на спирачния механизъм.

3. Процент спирачна маса и показателят ламбда

За оценка на спирачната осигуреност на влака се използва и процентът спирачна маса, познат като показател ламбда. Той съпоставя сумата на спирачните маси с общата маса на влака.

Процент спирачна маса = (сумарна спирачна маса / обща маса на влака) × 100

При изчисляването трябва да се използват стойностите и правилата, приложими към конкретния влак и неговия режим на експлоатация. Отчитат се активните спирачки, действителната или определената по приложимите правила маса на влака и изискванията към състава.

Показателят ламбда е процентно съотношение, а не коефициент на триене и не пряко измерване на забавянето. Той служи за оценка и оперативно планиране в рамките на съответната нормативна и експлоатационна система.

Пример с товарен влак

Да приемем условен влак със следните характеристики:

• обща маса на влака: 1 200 t;
• сумарна спирачна маса: 840 t.

Процент спирачна маса = (840 / 1 200) × 100 = 70 %

Полученият резултат е 70 %. Това е пример за изчисление, а не нормативно заключение, че влакът може да се движи по всяка линия или при всяка скорост. Допустимостта на движението зависи от приложимите спирачни таблици, маршрута, наклоните, скоростта, сигнализацията и останалите експлоатационни ограничения.

Ако общата маса се увеличи, без да се промени сумарната спирачна маса, процентът спирачна маса ще намалее. Ако спирачната маса се увеличи при непроменена обща маса, процентът ще се повиши. Това е математическа зависимост, но само по себе си не доказва каква точно спирачна сила или спирачен път ще се получи при конкретни условия.

4. Защо спирачната маса не е спирачна сила

Спирачната сила е физическа величина, измервана в нютони. Спирачната маса е оценъчна величина, изразявана в тонове. Макар че и двете се отнасят до спирачната способност, между тях няма универсално, пряко преобразуване, валидно за всички превозни средства и режими.

Спирачната маса се определя чрез стандартизирани процедури, които отчитат поведението на превозното средство при определени изпитвателни условия. Тя може да бъде свързана с измерени спирачни пътища или други показатели за спирачните характеристики, но не е равнозначна на моментната сила в контакта между фрикционните елементи.

Това разграничение е важно при диагностика. Например едно и също налягане в спирачния цилиндър не доказва, че два вагона развиват еднаква спирачна сила. Възможни са различия в лостовата система, фрикционните материали, износването, регулировката и състоянието на механичните елементи.

По същия начин еднаква спирачна маса, нанесена върху два вагона, не означава непременно, че техните спирачни системи имат идентична конструкция или че развиват еднаква моментна сила при всяка скорост. Тя означава, че спирачната им способност е представена чрез съответната оценъчна величина съгласно приложимите правила.

5. Какво определя действителната спирачна ефективност

Спирачната ефективност на железопътното превозно средство не се определя от един-единствен параметър. Европейските технически изисквания разглеждат способността за забавяне като резултат от наличната спирачна мощност и факторите, които влияят върху преобразуването и разсейването на енергията, включително съпротивлението при движение.

Основните фактори са:

5.1. Конструкция и състояние на спирачната система

Важни са размерите и състоянието на цилиндрите, предавателното отношение на лостовата система, правилната регулировка, ходовете на буталата и състоянието на фрикционните елементи. Износени, замърсени или неправилно монтирани части могат да променят действителната работа на спирачката.

5.2. Натоварване на превозното средство

При товарните вагони масата се променя значително между празно и натоварено състояние. Поради това системите за автоматично или ръчно приспособяване към натоварването, когато са предвидени, трябва да функционират правилно. Неправилната настройка може да доведе до недостатъчно или прекомерно спирачно действие спрямо състоянието на вагона.

5.3. Скорост и време за задействане

Спирачната ефективност трябва да се разглежда при конкретна скорост и с отчитане на времето от подаването на командата до достигането на необходимото спирачно действие. При пневматичните спирачки разпространението на командата по влака и нарастването на налягането не са мигновени. Режимът на спиране и дължината на влака също имат значение.

5.4. Сцепление между колелото и релсата

Влага, замърсяване, листна маса и други условия могат да намалят сцеплението. При такива обстоятелства наличната спирачна сила може да бъде ограничена независимо от възможностите на спирачния механизъм. Системите против плъзгане, когато са монтирани, подпомагат използването на наличното сцепление, но не могат да създадат сцепление, което липсва.

5.5. Наклон и условия по маршрута

При движение по наклон силата на тежестта има съставка по посока на релсовия път. Затова оценката на необходимата спирачна способност зависи от профила на линията, скоростта и изискванията на инфраструктурата. Една и съща спирачна характеристика не осигурява автоматично еднакъв спирачен път при различни експлоатационни условия.

6. Спирачен път, забавяне и спирачна маса

Спирачният път е разстоянието, изминато от началото на определеното спирачно действие до спирането на превозното средство. За техническата оценка е важно да се уточни как е дефинирано началото на измерването и дали се отчита времето за задействане на спирачката.

Забавянето описва изменението на скоростта във времето. То не е постоянно при всички спирания: може да се изменя при нарастване на спирачното усилие, при промяна на скоростта и при различни условия на сцепление.

Спирачната маса и процентът спирачна маса са удобни показатели за оперативна оценка, но не описват напълно кривата на забавянето във времето. За системи, които изчисляват и контролират спирачните криви, са необходими по-подробни характеристики на забавянето и времето за задействане.

Европейските технически спецификации признават както използването на спирачен път и процент спирачна маса, така и оценката чрез профили на забавянето. Изборът на подход зависи от предназначението на оценката и приложимите технически правила.

7. Практически пример: защо доброто налягане не е достатъчно доказателство

Представете си товарен вагон, при който при изпитване се установява налягане в спирачния цилиндър в очаквания диапазон. Това е важен резултат, но не е достатъчен сам по себе си, за да се заключи, че спирачната система развива необходимото действие.

Проверката трябва да обхване и останалите звена на системата:

1. Правилно ли се задейства разпределителят и достига ли командата до спирачния цилиндър?
2. Съответстват ли ходът на буталото и работата на лостовата система на предписанията за конкретния вагон?
3. Осигурени ли са правилното притискане и контактът на фрикционните елементи?
4. Има ли износване, повреда, замърсяване или неправилна регулировка?
5. Работи ли правилно приспособяването към натоварването, ако такова е предвидено?
6. Изпълнени ли са приложимите проверки и изпитвания за съответния тип спирачна система?

Това е пример за диагностична логика, а не заместител на конкретната изпитвателна процедура. Допустимите стойности и редът на проверките трябва да се вземат от документацията за съответния вагон, спирачно оборудване и приложимия стандарт.

Същественото е, че измерването на един параметър не доказва само по себе си цялостната спирачна ефективност. За обосновано заключение са необходими резултатите от предписаните проверки и изпитвания.

8. Как се определя и използва спирачната маса

Спирачната маса не трябва да се определя по предположение или чрез произволно преобразуване на налягането в спирачния цилиндър. Тя се установява по приложимата методика за съответния тип превозно средство и спирачна система.

В европейската железопътна практика стандартът EN 16834 разглежда определянето на спирачните характеристики и свързаните с тях величини. Международният съюз на железниците публикува документ IRS 50544-1 за спирачните характеристики, който обхваща определянето им чрез спирачна маса или забавяне, както и използването на процента спирачна маса.

При практическото използване на тези данни трябва да се спазват няколко принципа:

• да се използват стойностите, определени и нанесени съгласно приложимите правила;
• да се проверява съответствието между действителното състояние на спирачната система и данните за превозното средство;
• да не се променят нанесените стойности без предвидената процедура и необходимото техническо основание;
• при изчисляване на спирачната осигуреност на влака да се прилагат действащите правила за състава, масата, режима на спиране и маршрута;
• да се разграничават резултатите от функционална проверка от резултатите, които доказват спирачните характеристики по съответната методика.

Нормативните документи се изменят и заменят. Затова при реално изпитване, приемане или експлоатация трябва да се използва действащата редакция на приложимия документ, а не само познато от по-стара документация обозначение.

9. Чести погрешни тълкувания

„Спирачната маса е силата на спирачката, изразена в тонове.“

Не. Спирачната маса е оценъчна величина за спирачната способност. Тя не е пряко измерена механична сила.

„Ако налягането в цилиндъра е нормално, спирачката е изправна.“

Не непременно. Налягането е само един от параметрите. Трябва да се проверят механичното предаване на усилието, фрикционните елементи, регулировката и останалите предписани показатели.

„По-високият процент спирачна маса винаги означава по-къс спирачен път.“

Това не може да се приема като универсално правило без уточняване на условията. Спирачният път зависи и от скоростта, времето за задействане, характеристиките на спирачната система, сцеплението и профила на линията.

„Еднаква спирачна маса означава еднаква спирачна сила във всеки момент.“

Не. Спирачната маса представя спирачната способност по определена методика. Моментната сила и забавянето могат да се различават според конструкцията, скоростта и условията.

„Спирачната маса може да се коригира само по резултат от манометър.“

Не. Промяната на официално определена стойност изисква приложимата процедура и техническо основание. Измерването на налягане само по себе си не определя нова спирачна маса.

Заключение

Спирачната сила, спирачната маса и процентът спирачна маса са свързани понятия, но имат различно техническо значение. Спирачната сила е физическото действие, което забавя движението. Спирачната маса е стандартизирана оценъчна величина за спирачната способност. Процентът спирачна маса съпоставя тази величина с масата на превозното средство или влака.

За правилната оценка на железопътната спирачна система не е достатъчно да се разгледа само един показател. Необходимо е да се отчитат конструкцията и състоянието на спирачния механизъм, натоварването, времето за задействане, скоростта, сцеплението и условията по маршрута.

В практиката най-надеждният подход е да се съчетаят техническата диагностика, предписаните функционални проверки и изпитванията по приложимите нормативни документи. Само така спирачните характеристики могат да бъдат оценени обосновано, без да се смесват измерени величини с показатели, предназначени за стандартизирана оценка.

Използвани технически източници

1. Европейска комисия — Регламент (ЕС) № 321/2013 относно техническата спецификация за оперативна съвместимост на подсистемата „Подвижен състав — товарни вагони“, консолидиран текст. В раздела за спирачните характеристики се разглежда способността за забавяне и факторите, които влияят върху спирачното действие.
   https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?uri=CELEX:02013R0321

2. Европейски железопътен стандарт EN ISO 24478:2023 — Железопътни приложения. Спиране. Общи термини и определения. Източник за терминологията, включително спирачна маса, процент спирачна маса, спирачен момент и спирачна мощност.
   https://www.iso.org/obp/ui/?_escaped_fragment_=iso:std:iso:24478:ed-1:v2:en

3. Международен съюз на железниците — IRS 50544-1, „Спирачки — спирачни характеристики“. Документът разглежда определянето на спирачните характеристики чрез спирачна маса или забавяне и преобразуването към процент спирачна маса за експлоатационни цели.
   https://shop.uic.org/en/irs/14851-brakes-braking-performance.html

4. Европейска железопътна агенция — Ръководство за прилагане на техническата спецификация за оперативна съвместимост относно експлоатацията и управлението на движението. Съдържа обяснения за оценяване на спирачните характеристики на влака чрез процента спирачна маса и за използването му в експлоатацията.
   https://www.era.europa.eu/domains/technical-specifications-interoperability/operation-and-traffic-management-tsi_en

Бележка за приложението: Посочените документи са технически източници за терминологията и общите принципи. За конкретни изпитвания, приемане на вагон или изчисляване на спирачната осигуреност трябва да се проверят действащите редакции на приложимите стандарти, техническата документация на превозното средство и експлоатационните правила.