Транссибирската железница и спирачната система Матросов

Има железопътни съоръжения, които впечатляват с мащаба си, и има такива, които впечатляват с инженерните решения, позволили им да функционират десетилетия наред при изключително тежки условия. Транссибирската железница съчетава и двете.

Тя преминава през огромни територии, различни климатични зони, планински участъци, безкрайни равнини и райони, в които зимните температури могат да достигнат стойности, немислими за повечето европейски железопътни мрежи.

Но зад движението на хилядите тонове товари и пътници стои една система, за която рядко се говори извън специализираните железопътни среди – автоматичната влакова спирачка.

Особено интересен е руският подход към нейната конструкция. Името на Иван Константинович Матросов заема важно място в историята на автоматичните пневматични спирачки. Неговите конструктивни решения поставят основата на цяло семейство спирачни апарати, използвани в железопътния транспорт на бившия СССР и в редица държави след неговото разпадане.

За специалистите, свикнали да работят със системите на Knorr-Bremse, Oerlikon и други западноевропейски производители, някои от тези решения могат да изглеждат необичайно прости.

Но простотата невинаги означава технологична изостаналост. Понякога тя е резултат от съвсем различна инженерна философия.

В тази статия ще разгледаме Транссибирската железница, развитието на спирачната система Матросов, принципа на нейната работа, устойчивостта ѝ при екстремни температури и причините, поради които руските спирачни системи не получават същото международно разпространение като тези на Knorr-Bremse.

1. Транссибирската железница – най-дългият железопътен маршрут в света

Транссибирската железница, известна още като Транссиб, е едно от най-мащабните железопътни инженерни съоръжения в историята.

Основният маршрут свързва Москва с Владивосток, на брега на Тихия океан. Реалната му дължина по главното трасе е приблизително 9288,2 km. По този показател Транссибирската железница е най-дългият непрекъснат железопътен маршрут в света.

Важно е да се направи едно уточнение: говорим за главния железопътен маршрут, а не за сбор от всички разклонения и прилежащи линии.

Железницата преминава през осем часови зони и свързва европейската част на Русия с Далечния изток.

Основни характеристики:

• Дължина: приблизително 9288,2 km.
• Начална точка: Москва.
• Крайна точка: Владивосток.
• Междурелсие: 1520 mm.
• Часови зони: осем.
• Основно предназначение: товарни и пътнически превози.
• Важна роля: връзка между европейската част на Русия, Сибир и Тихоокеанското крайбрежие.

Източник: Министерство на транспорта на Руската федерация – история на транспортната инфраструктура.

1.1. Строителството – проект с континентални размери

Решението за изграждане на Транссибирската железница е взето през 1891 г. при управлението на император Александър III. Строителството започва същата година и продължава на отделни участъци в продължение на десетилетия.

Предизвикателствата пред строителите са огромни:

• пресичане на големи реки;
• изграждане на мостове с големи отвори;
• прокопаване на тунели;
• работа в райони с вечна замръзналост;
• преодоляване на планински терени;
• осигуряване на доставки и работна сила на огромни разстояния.

Особено сложен е районът около езерото Байкал, където са изградени множество тунели и мостови съоръжения.

Това не е просто железопътна линия. Това е инфраструктурна система, която трябва да работи при условия, различаващи се коренно от тези в Централна и Западна Европа.

1.2. Климатът – сериозно изпитание за подвижния състав

Една от най-съществените особености на Транссибирската железница е огромният температурен диапазон.

В различните участъци климатът е различен. В някои райони зимните температури могат да паднат под −40 °C, а през лятото да надхвърлят +30 °C.

Това означава температурна амплитуда от порядъка на 70–80 °C в определени райони и климатични условия.

За железопътната техника подобни промени са сериозно изпитание.

Те оказват влияние върху:

• механичните хлабини;
• еластичността на уплътненията;
• вискозитета на смазочните материали;
• свойствата на металите;
• поведението на гумените съединителни маркучи;
• работата на клапаните и мембраните;
• влагата и конденза в пневматичната система.

Особено критична е комбинацията от ниска температура, влага и замърсяване на сгъстения въздух.

Именно тук започва интересната част от историята на железопътните спирачки.

2. Иван Матросов и развитието на руските автоматични спирачки

Иван Константинович Матросов е един от значимите конструктори в историята на съветското железопътно спирачно оборудване.

Неговата работа е свързана с развитието на автоматичните пневматични спирачки, предназначени за товарни влакове.

През 1931 г. въздухорazпределителят от системата на Матросов е приет като образец за железниците на СССР, а през 1932 г. започва серийното му производство.

Първоначалният модел е известен като въздухораспределител № 320.

До средата на 30-те години системата получава широко разпространение в съветския железопътен подвижен състав.

Историческите данни за развитието на конструкцията са разгледани и в научните публикации на С. С. Довганюк:

• Contribution of inventor I. K. Matrosov to development of the brake system
• Inventor Matrosov I. K. and brake gear development

2.1. Какво прави конструкцията на Матросов толкова значима?

Основната задача на автоматичната влакова спирачка е да осигури безопасно спиране на целия влак, включително при разделяне на състава или при аварийно понижаване на налягането в главния въздухопровод.

При автоматичната непряка пневматична спирачка нормалното зарядно налягане се поддържа в главния въздухопровод.

При понижаване на налягането въздухораспределителят реагира и насочва сгъстен въздух от запасния резервоар към спирачния цилиндър.

При възстановяване на налягането системата преминава към отпускане и повторно зареждане.

Този принцип осигурява важна характеристика: при прекъсване на главния въздухопровод или разделяне на влака спирачките се задействат автоматично.

При Матросов основната роля се изпълнява от специално разработения въздухораспределител, който управлява процесите на:

1. Зареждане.
2. Служебно задействане.
3. Степенно изменение на спирачното налягане.
4. Пълно задействане.
5. Отпускане.
6. Повторно зареждане.

Същественото е, че системата не разчита на един обикновен клапан, а на съгласувана работа на отделни пневматични камери, управляващи елементи и клапанни механизми.

2.2. Развитието на различните модели

С течение на времето системата преминава през множество конструктивни изменения.

Сред по-важните модели са:

Тук е важно да се направи едно разграничение: № 483 не трябва да се разглежда като напълно идентичен с първоначалния апарат на Матросов. Става дума за по-късно развитие на съветската и руската школа за автоматични спирачки.

Съвременната конструкция № 483А-05 например присъства в публикуваната от производителя MTZ Transmash схема на спирачното оборудване на товарен вагон.

Източници:

• MTZ Transmash – история на разработките
• MTZ Transmash – спирачно оборудване на товарен вагон

3. Как работи спирачната система Матросов?

За да разберем надеждността на тази система, трябва да разгледаме не само отделните компоненти, но и логиката на цялото пневматично управление.

Типичната спирачна уредба на товарен вагон включва:

• главен въздухопровод;
• крайни кранове;
• съединителни маркучи;
• разобщителен кран;
• въздухораспределител;
• запасен резервоар;
• спирачен цилиндър;
• механична спирачна предавка;
• при определени изпълнения – авторежим.

3.1. Зареждане

При зареждане компресорната уредба на локомотива подава сгъстен въздух в главния въздухопровод.

Налягането се установява на определената за съответната експлоатационна система стойност.

Въздухораспределителят осигурява зареждането на съответните камери и запасния резервоар.

Спирачният цилиндър е свързан с атмосферата и спирачката е отпусната.

3.2. Служебно задействане

При намаляване на налягането в главния въздухопровод въздухораспределителят реагира на промяната.

Сгъстеният въздух от запасния резервоар се насочва към спирачния цилиндър.

В зависимост от степента на понижаване на налягането се получава съответното спирачно действие.

При системите със степенно задействане машинистът може да управлява силата на спиране чрез последователни изменения на налягането.

3.3. Прекриваща

При прекриваща се запазва постигнатото спирачно състояние.

Въздушното налягане в спирачния цилиндър се поддържа, докато не бъде подадена следваща команда за изменение на спирачното усилие.

Това е особено важно при продължителни спускания и при управление на тежки товарни влакове.

3.4. Отпускане

При повишаване на налягането в главния въздухопровод въздухораспределителят преминава към режим на отпускане.

Въздухът от спирачния цилиндър се изпуска, а запасният резервоар се зарежда отново.

При определени варианти на системата има различни характеристики на отпускане в зависимост от избрания режим.

Тук трябва да обърнем внимание на една особеност: при товарните спирачки съществува съществена разлика между равнинния и планинския режим.

При планинския режим отпускането е организирано така, че да не се допуска нежелано пълно отпускане при определени последователности на командите.

Това е важно при продължителни спускания, когато не трябва да се губи контролът върху спирачното действие.

4. Защо Матросов използва толкова различни конструктивни решения?

Един от интересните моменти при разглеждането на руските въздухораспределители е използването на сравнително компактни механизми, мембрани, клапани и отделни пневматични камери.

На пръв поглед някои от тези решения изглеждат по-прости от познатите западноевропейски конструкции.

Но тук има една важна инженерна особеност.

Надеждността не се определя от броя на детайлите, а от това доколко конструкцията е съобразена с условията, в които трябва да работи.

Възможно е един по-прост механизъм да има по-малко потенциални точки на отказ от по-сложен механизъм, ако изпълнява същата функция при подходящи натоварвания.

Това не означава, че всяка проста конструкция е по-надеждна.

Означава, че инженерното решение трябва да бъде оценявано в контекста на предназначението му.

4.1. Диафрагмата вместо буталото

При някои от модернизираните въздухораспределители № 270-005-1 магистралната част използва диафрагмена конструкция.

Това е съществено конструктивно решение.

При определени условия диафрагмата може да намали проблемите, свързани с уплътняването и пропускането на въздух около подвижно бутало.

Техническите описания на № 270-005-1 посочват подобрена чувствителност при задействане и отпускане, както и отстраняване на проблеми, свързани с пропускане през уплътнението на магистралното бутало.

Това е добър пример как промяната на един конструктивен възел може да подобри работата на цялото устройство.

Източник: Техническо описание на въздухораспределител № 270-005-1.

4.2. Конструкция, съобразена с експлоатацията

Руските товарни железници традиционно работят с тежки влакове, значителни разстояния и различни климатични условия.

При такива условия конструкцията трябва да осигурява:

• предвидимо задействане;
• стабилно поддържане на налягането;
• надеждно отпускане;
• устойчивост на замърсявания;
• възможност за ремонт и обслужване;
• работоспособност при ниски температури.

Това са характеристики, които не могат да бъдат оценени само по външния вид на един въздухораспределител.

5. Как спирачната система издържа на температури от −40 до +40 °C?

Това вероятно е най-интересният въпрос от гледна точка на експлоатацията.

Когато говорим за температурна устойчивост, не трябва да си представяме, че един въздухораспределител просто е поставен в студена среда и продължава да работи без никакви изменения.

Всъщност ниските температури влияят върху почти всички елементи на пневматичната система.

5.1. Проблемът с влагата

Един от най-големите врагове на пневматичните спирачки през зимата е влагата.

Сгъстеният въздух съдържа водни пари. При охлаждането им част от влагата може да кондензира.

При отрицателни температури кондензираната вода може да замръзне.

Последствията могат да бъдат:

• блокиране на малки отвори;
• ограничаване на въздушните проходи;
• затруднено движение на клапани;
• неправилна работа на управляващи камери;
• забавено задействане или отпускане;
• замръзване на конденз в тръбопроводите.

Затова надеждността на една спирачна система не зависи единствено от конструкцията на въздухораспределителя.

Тя зависи и от качеството на въздуха, състоянието на въздушните резервоари, уплътненията и правилното техническо обслужване.

5.2. Уплътненията и еластомерите

При ниски температури гумените и еластомерните материали могат да променят своите механични свойства.

В зависимост от използвания материал това може да доведе до:

• повишаване на твърдостта;
• намаляване на еластичността;
• изменение на силата за задействане;
• загуба на уплътняваща способност;
• поява на течове.

При високи температури се наблюдават други процеси – ускорено стареене, промяна на еластичността и намаляване на експлоатационния ресурс.

Следователно температурната устойчивост не се постига само чрез металната конструкция.

Изключително важен е правилният подбор на материалите за мембрани, маншети, пръстени и уплътнения.

5.3. Металните части

Металите също променят размерите си при температурни колебания.

Това е особено важно при механизми с прецизни хлабини.

Конструкторът трябва да предвиди температурните деформации така, че да не се стига до блокиране или прекомерно увеличаване на хлабините.

При правилно проектирана конструкция температурните промени са част от предварително отчетените експлоатационни условия.

5.4. Какво показват руските стандарти?

Тук има един много важен документ – ГОСТ 33724.1-2016.

Той регламентира изискванията за безопасност и методите за контрол на пневматичното спирачно оборудване на железопътния подвижен състав.

Стандартът обхваща въздухораспределители, машинистки кранове, спирачни блокове и уплътнителни гумени изделия.

Друг важен документ е ГОСТ 34434-2018, който определя техническите изисквания и правилата за изчисление на спирачните системи на товарни железопътни вагони.

В него е заложено изискване спирачната система да запазва работоспособността си след краткотрайно въздействие на температура +80 °C за четири часа при определените условия на изпитване.

Важно уточнение: това не означава, че всяка система Матросов има разрешена постоянна работна температура от −50 до +80 °C. Конкретните работни температури зависят от климатичното изпълнение и документацията на съответния апарат.

Източници:

• ГОСТ 33724.1-2016 – Росстандарт
• ГОСТ 34434-2018 – технически изисквания към спирачните системи на товарни вагони

Това е съществен момент: надеждността при ниски температури не е случайно качество на дадена конструкция. Тя трябва да бъде доказана с изпитвания, контрол и съответствие с приложимите стандарти.

6. Матросов срещу Knorr-Bremse KE – две инженерни философии

Тук стигаме до сравнението, което вероятно ще бъде най-интересно за специалистите по железопътни спирачки.

В продължение на десетилетия Knorr-Bremse се утвърждава като един от водещите световни производители на спирачно оборудване.

Системата KE е позната в голяма част от европейския железопътен транспорт.

Първият въздухораспределител KE влиза в експлоатация през 1953 г.

Според производителя съществено подобрение спрямо по-старите конструкции е използването на надеждни гумени мембрани и клапани със седлово уплътняване вместо механични плъзгащи клапани с високи изисквания за обслужване.

Източник: Knorr-Bremse – Pneumatic Brake Control.

6.1. Какво отличава KE?

Системата KE се характеризира с:

• модулна конструкция;
• степенно задействане;
• степенно отпускане;
• контролирани времена за пълнене на спирачния цилиндър;
• различни конструктивни варианти;
• възможност за интегриране с допълнителни спирачни устройства;
• съответствие с международните изисквания за UIC и TSI при съответните одобрени изпълнения.

Едно от важните предимства на KE е възможността да бъде интегрирана в различни типове подвижен състав при стандартизирани интерфейси.

6.2. Температурна устойчивост на KE

Тук има интересен факт, който често остава незабелязан.

Според официалната информация на Knorr-Bremse съвременният KE за UIC пазара има работен температурен диапазон от −40 до +70 °C.

Предлага се и нискотемпературно изпълнение за −50 °C.

Това показва, че съвременните западноевропейски конструкции също са проектирани за работа в изключително тежки климатични условия.

Следователно не можем да твърдим, че Матросов е по-студоустойчив само защото е създаден и използван в Русия.

Трябва да сравняваме конкретни модели, конкретни изпълнения и резултатите от изпитванията.

6.3. Сравнение на двете системи

Тази таблица не е оценка кой апарат е по-добър. Тя показва, че двете конструктивни школи решават сходни инженерни задачи с различни технически средства.

7. Един особено интересен пример – скоростта на разпространение на спирачната вълна

При дългите товарни влакове времето за разпространение на спирачната команда има огромно значение.

Колкото по-дълъг е влакът, толкова по-сложен става процесът на синхронизиране на спирачните действия по целия състав.

Това е една от причините при развитието на въздухораспределителите да се обръща особено внимание на чувствителността и динамичните характеристики.

В техническа сравнителна таблица за въздухораспределителите № 270-002, № 270-005-1 и № 483-000 са посочени следните стойности:

Тези стойности са особено интересни.

Те показват развитието на конструкцията и стремежа към по-бързо разпространение на спирачния сигнал.

Важно е да уточним, че това са публикувани сравнителни технически показатели, а не универсални стойности за всички експлоатационни условия. Реалното поведение зависи от състоянието и конфигурацията на целия влак, дължината на главния въздухопровод и режима на задействане.

Източник: Сравнителна характеристика на въздухораспределители № 270 и № 483.

8. Защо руските спирачни системи не са толкова разпространени в Европа?

Това е въпрос, на който не може да се отговори само с технически аргументи.

Ако една система работи надеждно, има сравнително проста конструкция и е подходяща за тежки климатични условия, защо не е получила същото международно разпространение като KE?

Отговорът вероятно се крие в съчетание от няколко фактора.

8.1. Различни стандарти и железопътни традиции

Европейската железопътна мрежа се развива около система от стандарти и изисквания, свързани с UIC, EN и впоследствие TSI.

Руската и съветската железопътна система се развиват при различни технически и експлоатационни условия.

Това води до различия в:

• конструкцията на въздухораспределителите;
• работните налягания;
• времевите характеристики;
• интерфейсите;
• изпитванията;
• ремонтните процедури;
• техническата документация.

Наличието на работеща и надеждна система не означава автоматично, че тя може да бъде включена в международния железопътен трафик без допълнителни изпитвания и одобрения.

8.2. Международна съвместимост

За да бъде един железопътен вагон допуснат до международна експлоатация, неговата спирачна система трябва да отговаря на приложимите изисквания за съвместимост.

Например европейските изисквания за UIC спирачка включват конкретни характеристики на главния въздухопровод, режимите G и P, времето за задействане и отпускане и спирачната ефективност.

Тези изисквания са описани в европейската техническа спецификация за оперативна съвместимост на товарните вагони.

Източници:

• Регламент ЕС № 321/2013 – товарни вагони
• UIC Leaflet 540 – Air Brakes for Freight Trains and Passenger Trains

Следователно въпросът не е просто дали един въздухораспределител може да спира влак.

Въпросът е дали той осигурява необходимите характеристики в състава на различни типове вагони, локомотиви и международни влакове.

8.3. Производствена и сервизна инфраструктура

Knorr-Bremse изгражда международна производствена, сервизна и доставна мрежа.

Това има огромно значение.

Когато един оператор избира спирачна система, той не купува само въздухораспределител.

Той избира:

• наличност на резервни части;
• обучен сервизен персонал;
• ремонтна документация;
• изпитвателно оборудване;
• сертифициране;
• дългосрочна техническа поддръжка.

Съветската железопътна система има собствена производствена и ремонтна инфраструктура, която е достатъчна за огромния вътрешен пазар.

Но това не означава автоматично международно присъствие.

8.4. Геополитически и икономически фактори

Не бива да се пренебрегват и политическите обстоятелства.

Разделението на железопътните пазари по време на Студената война, различните индустриални стандарти, търговските отношения и последвалите геополитически ограничения оказват влияние върху международното разпространение на руското оборудване.

След разпадането на СССР много държави запазват техническата си инфраструктура, но други постепенно преминават към европейски стандарти.

Това създава допълнителни пречки пред международното разпространение на оборудването.

Въпреки това би било неправилно да заключим, че руските спирачки не се използват в Европа единствено по политически причини.

Няма достатъчно основание за подобно еднозначно твърдение. Техническата съвместимост, сертифицирането, производствената поддръжка и икономиката също имат съществено значение.

9. Какво можем да научим от руската инженерна школа?

Един от най-интересните аспекти на системата Матросов е инженерният подход.

В железопътната техника понякога съществува тенденция сложността да се приема като признак за по-високо технологично ниво.

Но практиката показва, че надеждността често се постига чрез правилен баланс между:

• функционалност;
• конструктивна простота;
• устойчивост;
• лесна диагностика;
• ремонтопригодност;
• наличност на резервни части.

Един механизъм може да изглежда по-груб и непретенциозен, но да изпълнява задачата си изключително добре.

Друг може да бъде технологично по-сложен, но да предлага по-добра интеграция, по-прецизно управление и по-широки възможности за стандартизация.

Няма универсално решение.

Точно затова сравнението между Матросов и KE е толкова интересно.

То показва, че две различни инженерни школи могат да достигнат до работещи решения на една и съща фундаментална задача.

10. Заключение – надеждността не винаги изглежда впечатляващо

Транссибирската железница е доказателство за това какво може да постигне инженерната мисъл, когато трябва да преодолее огромни географски и климатични предизвикателства.

Но зад мащаба на този железопътен проект стоят хиляди технически решения, които остават невидими за пътниците.

Едно от тях е автоматичната спирачна система.

Матросов е важна част от историята на железопътното спирачно оборудване. Неговите разработки поставят основата на конструктивна школа, която впоследствие е усъвършенствана и адаптирана към нуждите на тежкия товарен транспорт.

От друга страна, Knorr-Bremse KE е резултат от дългогодишно развитие на западноевропейската пневматична спирачна техника и предлага висока степен на стандартизация и международна съвместимост.

Коя система е по-добра?

Този въпрос няма универсален отговор.

Ако оценяваме системите по ремонтопригодност, надеждност, цена на жизнения цикъл, температурна устойчивост или съвместимост, резултатът може да бъде различен.

Личното ми мнение е, че не трябва да подценяваме конструкция само защото изглежда по-проста или защото е създадена в различна инженерна школа.

В железопътния транспорт най-важното не е колко сложен изглежда един апарат, а дали изпълнява функцията си надеждно, предвидимо и безопасно през целия си експлоатационен живот.

И може би точно тук се крие най-интересният урок от системата Матросов.

Понякога най-доброто инженерно решение не е това с най-много детайли, а това, при което всеки детайл има точно определена задача и изпълнява тази задача безотказно.

Използвани технически и исторически източници

1. Министерство на транспорта на Руската федерация – исторически сведения за Транссибирската железница и нейната дължина:
   https://history.mintrans.ru/metro/zt-objects.html

2. S. S. Dovhaniuk – Contribution of inventor I. K. Matrosov to development of the brake system, History of Science and Technology:
   https://www.hst-journal.com/index.php/hst/article/view/273

3. S. S. Dovhaniuk – Inventor Matrosov I. K. and brake gear development:
   https://hst-journal.com/index.php/hst/article/view/242

4. MTZ Transmash – история на разработването и производството на спирачно оборудване:
   https://mtz-transmash.ru/en/company/developments/

5. MTZ Transmash – схема на спирачното оборудване на товарен вагон:
   https://mtz-transmash.ru/en/info/plans/gruzovojj_vagon/

6. ГОСТ 33724.1-2016 – пневматично спирачно оборудване на железопътния подвижен състав:
   https://protect.gost.ru/gost/details/b9530558-d611-4804-80d7-2a4901a8a76e

7. ГОСТ 34434-2018 – технически изисквания и правила за изчисление на спирачните системи на товарни вагони:
   https://internet-law.ru/documents/prod/gost_gosudarstvennyj-standart/32/gost_65937.html

8. Knorr-Bremse – Pneumatic Brake Control, технически характеристики на KE и температурни изпълнения:
   https://rail.knorr-bremse.com/en/dk/portfolio/products-and-systems/braking-systems/control/pneumatic-control/

9. UIC Leaflet 540 – Air Brakes for Freight Trains and Passenger Trains:
   https://uic.org/IMG/pdf/202307_uic_leaflet_540_7thed_app_a_b.pdf

10. Регламент ЕС № 321/2013 – техническа спецификация за оперативна съвместимост на товарните вагони:
    https://eur-lex.europa.eu/legal-content/en/ALL/?uri=CELEX%3A32013R0321

11. Крилов и съавтори – сравнителни технически характеристики на въздухораспределители № 270-002, № 270-005-1 и № 483-000:
    https://poezdvl.com/books/krilov/krilov_33.html