Железопътен спирачен път: фактори, които определят спирането

Спирането на железопътен състав изглежда просто само ако се разглежда отстрани: машинистът задейства спирачката, спирачната система създава спирачна сила и влакът спира. В действителност между подаването на командата за спиране и окончателното спиране на влака протича сложен физически и пневматичен процес.

При железопътните превозни средства спирачният път зависи от взаимодействието на множество фактори – началната скорост, масата на влака, характеристиките на спирачната система, времето за задействане на спирачката, спирачната сила на отделните превозни средства, състоянието на контактните повърхности между колелата и релсите, надлъжния наклон на железния път и редица други условия.

Затова не съществува една универсална формула от типа „влак с такава скорост спира за толкова метра“. За конкретен влак и конкретни условия спирачният път е резултат от реалните характеристики на състава, спирачната система и железопътния път.

Методите за изчисляване на спирачните и спирачно-забавящите пътища са регламентирани, наред с други документи, в серията EN 14531, която разглежда както изчисления със средни стойности, така и поетапно изчисляване на процеса на спиране.

1. Какво представлява железопътният спирачен път

Спирачният път е разстоянието, което железопътното превозно средство или влакът изминава от началния момент на задействане на спирачката до пълното спиране.

Това определение трябва да се използва внимателно, защото при реалния процес на спиране спирачната сила не възниква моментално с пълната си стойност.

Между подаването на командата за спиране и достигането на необходимата спирачна сила има определено време. При пневматична спирачна система това време е свързано с разпространението на изменението на налягането по спирачната магистрала, работата на разпределителите, напълването на спирачните цилиндри и изграждането на спирачната сила.

Следователно е полезно процесът да се разглежда условно в няколко етапа:

1. подаване на команда за спиране;
2. реакция на спирачната система;
3. изграждане на спирачната сила;
4. развитие на действителното забавяне;
5. намаляване на скоростта;
6. окончателно спиране.

Това е една от причините изчисляването на спирачния път на влак да е значително по-сложно от изчисляването на спирачния път на идеализирано тяло с постоянна спирачна сила.

2. От какво зависи спирачният път

Основните фактори могат да бъдат разделени на няколко групи:

• скорост на влака;
• маса и натоварване;
• действителна спирачна сила;
• време за задействане и изграждане на спирачната сила;
• състояние на спирачната система;
• сцепление между колело и релса;
• работа на противоповличащата система;
• надлъжен наклон на железния път;
• състояние на ходовата част;
• вид и характеристики на спирачните накладки или калодки;
• температура и условия на работа на спирачните елементи;
• разпределение на спирачните сили по влака;
• наличие и режим на работа на електродинамичната или друга допълнителна спирачка;
• техническото състояние и настройката на отделните спирачни устройства.

Не всички фактори имат еднакво влияние. В някои ситуации определяща може да бъде спирачната система, а в други – сцеплението между колело и релса.

3. Началната скорост – един от най-важните фактори

Скоростта има особено голямо значение за спирачния път.

Кинетичната енергия на движещ се влак се определя от:

E_k = ½ · m · v²

където:

• E_k е кинетичната енергия;
• m е масата;
• v е скоростта.

От уравнението се вижда, че кинетичната енергия нараства с квадрата на скоростта.

Това означава, че увеличаването на скоростта не води просто до пропорционално увеличаване на енергията, която трябва да бъде погълната от спирачната система.

Например, ако масата на влака остане постоянна, увеличаването на скоростта от 100 на 120 km/h увеличава кинетичната енергия приблизително с:

(120 / 100)² = 1,44

или с около 44%.

Това е една от причините изискванията към спирачната ефективност да стават значително по-сериозни при високи скорости.

Важно е обаче да не се прави директният извод, че реалният железопътен спирачен път винаги се изменя точно с квадрата на скоростта. Реалната спирачна сила зависи от скоростта, характеристиките на спирачната система, сцеплението, времето за задействане и други фактори.

4. Масата и натоварването на влака

Масата на влака също има съществено значение.

По-голямата маса означава по-голяма кинетична енергия при една и съща скорост. Същевременно спирачната сила не винаги нараства пропорционално на общата маса.

Особено важно е това при товарните вагони.

Един празен товарен вагон и същият вагон при максимално натоварване могат да имат значително различна маса. Затова спирачната система трябва да може да осигури подходяща спирачна сила при различни режими на натоварване.

При много товарни вагони се използва автоматично или ръчно съобразяване на спирачната сила с натоварването.

Тук трябва да се направи важна разлика между:

• маса на превозното средство;
• спирачна маса;
• процент спирачна маса.

Спирачната маса не е просто физическата маса на вагона. Тя е величина, характеризираща спирачната ефективност и се използва при определяне на спирачната обезпеченост на влака.

UIC IRS 50544-1 разглежда определянето на спирачната ефективност чрез спирачна маса или чрез забавяне и описва преобразуването към процент спирачна маса за експлоатационни цели.

5. Действителната спирачна сила

Спирачната сила е силата, която противодейства на движението на влака.

При конвенционалната фрикционна спирачка тя се създава в резултат на натискането на спирачните накладки или калодки към колелата или спирачните дискове.

Опростено:

F_b ≈ μ · F_N

където:

• F_b е спирачната сила;
• μ е коефициентът на триене;
• F_N е нормалната сила между триещите се повърхности.

В реалната железопътна спирачна система обаче тази зависимост не трябва да се приема като постоянна величина.

Коефициентът на триене може да се изменя в зависимост от:

• скоростта;
• температурата;
• натоварването;
• материала на накладките или калодките;
• състоянието на триещите се повърхности;
• влажността;
• продължителността и режима на спиране.

Поради това при техническите изчисления се използват действителните характеристики на конкретното спирачно оборудване, а не произволно избрана постоянна стойност.

6. Сцеплението между колелото и релсата

Това е един от най-важните фактори при железопътното спиране.

Между колелото и релсата съществува контактна зона с много малка площ. Въпреки това чрез нея трябва да се предаде значителна надлъжна сила.

При спиране спирачната сила се предава към релсата посредством колелото.

Следователно максималната сила, която може да бъде предадена без недопустимо плъзгане, е ограничена от сцеплението между колелото и релсата.

Условно може да се представи като:

F_{сцепление} ≤ μ_кр · N

където:

• F_{сцепление} е максималната предавана надлъжна сила;
• μ_кр е коефициентът на сцепление колело–релса;
• N е натоварването на колелото.

При недостатъчно сцепление увеличаването на командната спирачна сила вече не води до съответно увеличаване на полезната сила между колелото и релсата.

Получава се обратният ефект – колелото започва да се плъзга.

7. Защо плъзгането на колелата е проблем

При блокирало или силно приплъзващо колело възникват няколко опасности.

На първо място се увеличава рискът от образуване на плъзгателни петна и други повреди по повърхността на търкаляне на колелото.

На второ място се влошава използването на наличното сцепление.

На трето място може да се увеличи спирачният път, вместо той да се съкрати.

Това е основният принцип, върху който работи противоповличащата система.

8. Ролята на противоповличащата система

Противоповличащата система следи поведението на колелата и при установяване на тенденция към прекомерно плъзгане управлява спирачната сила така, че да се използва максимално ефективно наличното сцепление.

Тя не създава сцепление.

Това е важно разграничение.

Ако между колелото и релсата има много ниско сцепление, противоповличащата система не може да го увеличи сама. Тя може да предотврати прекомерното използване на наличното сцепление и да възстанови въртенето на колелото.

Съвременните системи за защита от плъзгане използват информация от датчици за скоростта на колелата и управляват спирачното налягане индивидуално или по подходящи групи.

Изискванията към тези системи са разгледани в UIC IRS 50541-05.

9. Състояние на железния път

Състоянието на контактната повърхност между колелото и релсата може да промени значително условията на спиране.

Особено неблагоприятни са:

• вода;
• замърсяване;
• листна маса;
• масла и други замърсяващи вещества;
• ръжда и продукти от корозия;
• комбинация от влага и замърсяване;
• специфични сезонни условия.

Не трябва обаче механично да се приема, че всяка влажна релса означава една и съща загуба на сцепление.

Реалното сцепление зависи от конкретното състояние на контактната зона и от скоростта, натоварването на колелото, характеристиките на релсата и колелото и други условия.

При ниско сцепление противоповличащата система има особено важно значение.

Може да ви е интересно още: Как завива влакът? Науката за коничните колооси

10. Пясъчното подаване

При някои железопътни превозни средства се използва пясъчно подаване за подобряване на сцеплението между колелото и релсата.

Пясъкът не увеличава спирачната сила на самата спирачна система.

Той има друга задача – да подпомогне възстановяването и използването на сцеплението в контактната зона.

Ефективността на пясъчното подаване зависи от редица фактори:

• количество на подавания пясък;
• място на подаване;
• скорост;
• състояние на релсата;
• състояние на пясъчната система;
• разпределение на пясъка пред колелото.

Следователно неизправната пясъчна система може да има пряко значение за спирачната ефективност при ниско сцепление.

11. Надлъжният наклон на железния път

Наклонът на железния път оказва пряко влияние върху движението на влака.

При движение надолу по наклон силата на тежестта има компонента, насочена по посока на движението. Тя противодейства на спирането.

При движение нагоре по наклон компонентата на тежестта подпомага забавянето.

Следователно един и същ влак с една и съща скорост и една и съща спирачна система може да има различен спирачен път в зависимост от надлъжния профил на железния път.

При изчисляването на спирачния път наклонът не е второстепенен фактор. Той е част от силовия баланс на влака.

12. Съпротивлението при движение

Влакът не се движи в идеална среда без съпротивления.

Върху него действат различни съпротивителни сили, включително:

• съпротивление при търкаляне;
• съпротивление в лагерите;
• съпротивление от въздуха;
• съпротивление, свързано с криви;
• други специфични съпротивления на движението.

При спиране тези сили могат да подпомогнат намаляването на скоростта.

При високи скорости въздушното съпротивление може да стане значим компонент от общото забавяне.

Това е още една причина реалният спирачен процес да не може коректно да бъде представен само с една постоянна спирачна сила.

13. Времето за задействане на спирачката

Този фактор често се подценява.

Ако влакът се движи с висока скорост, дори малък времеви интервал означава значително изминато разстояние.

Например при скорост 100 km/h влакът изминава приблизително:

27,8 m/s

Следователно за 2 секунди той ще измине приблизително:

27,8 × 2 = 55,6 m

Това разстояние е изминато преди да бъде постигнато пълното действие на спирачната система.

При дълъг товарен влак пневматичните процеси по спирачната магистрала са особено важни.

Затова при изчисляването на спирачния път се вземат предвид характеристиките на изграждането на спирачната сила във времето.

14. Разпространение на спирачния процес по влака

При пневматична спирачна система спирачната команда не води до едновременно достигане на еднакво налягане във всички спирачни цилиндри.

Промяната на налягането в спирачната магистрала се разпространява по дължината на влака.

Това означава, че отделните превозни средства започват да развиват спирачна сила в различни моменти.

Този процес е особено важен при дълги влакове.

Поради тази причина реалният спирачен процес на влака представлява последователно развитие на спирачните сили по неговата дължина, а не просто едновременно включване на всички спирачки.

15. Състоянието на спирачната система

Очевидно, но изключително важно условие за нормалния спирачен път е спирачната система да бъде технически изправна.

На спирачната ефективност могат да повлияят:

• недостатъчно спирачно налягане;
• неизправен разпределител;
• неизправен спирачен цилиндър;
• течове;
• неправилна настройка на спирачната предавка;
• износени накладки или калодки;
• неправилен ход на буталото;
• неизправност на автоматичния регулатор;
• повреда в спирачния цилиндър;
• задържала спирачка;
• неправилно изключена спирачка;
• неправилно функциониране на товарозависимото устройство;
• неизправност на противоповличащата система.

Това показва защо техническият контрол преди движение не е формална процедура.

Резултатът от спирането зависи не само от конструктивните характеристики на спирачката, но и от реалното ѝ състояние.

16. Температурата на спирачните елементи

При спиране кинетичната енергия на влака се преобразува основно в топлина в спирачната система и други съпротивителни механизми.

При фрикционните спирачки значителна част от тази енергия се превръща в топлина в контактните повърхности.

При продължителни спускания и многократни спирания температурата може да стане много висока.

Това може да промени характеристиките на триещите се материали.

Следователно една и съща спирачна система може да показва различно поведение при:

• студена спирачна система;
• нормално загрята система;
• силно нагрята система.

При изчисляване и оценяване на спирачната ефективност характеристиките на триещите материали трябва да бъдат взети предвид в съответствие с приложимите методи и данни за конкретното оборудване.

17. Видът на спирачните накладки и калодки

Материалът на фрикционния елемент оказва влияние върху спирачната сила.

Различните материали имат различни характеристики на триене и различна зависимост от:

• скоростта;
• температурата;
• налягането;
• натоварването;
• състоянието на контактната повърхност.

Това е една от причините при замяна на фрикционни елементи да не може да се приема, че всеки материал със същите размери ще има същото поведение.

Конкретният фрикционен материал трябва да бъде одобрен и използван в съответствие с изискванията за съответното превозно средство и спирачна система.

18. Разпределение на спирачната сила

Не е достатъчно да се знае само общата спирачна сила на влака.

От значение е и къде по влака се развива тази сила.

При правилно проектирана и изправна спирачна система спирачните сили трябва да бъдат разпределени по подходящ начин между отделните превозни средства и оси.

Неправилното разпределение може да доведе до:

• претоварване на отделни спирачни устройства;
• неблагоприятни надлъжни сили във влака;
• неравномерно използване на сцеплението;
• локално прегряване;
• различно поведение на отделни превозни средства.

Поради това при оценяване на спирачната ефективност се разглеждат не само общата сила, но и начинът, по който тя се получава.

19. Електродинамична спирачка и други спирачни системи

При някои железопътни превозни средства към фрикционната спирачка се добавят други видове спиране.

Сред тях могат да бъдат:

• електродинамична спирачка;
• магнитна релсова спирачка;
• вихровотокова спирачка;
• други специализирани системи.

Тези системи не трябва автоматично да се разглеждат като равностойни на фрикционната спирачка.

Особено важно е дали конкретният вид спирачка зависи от сцеплението между колелото и релсата.

Например спирачна система, която не използва непосредствено сцеплението колело–релса, може да има особено значение при условия на ниско сцепление. В същото време нейното използване е подчинено на конструктивните, експлоатационните и нормативните ограничения на конкретното превозно средство.

20. Защо спирачният път не трябва да се изчислява само с една формула

При идеализирано движение с постоянна спирачна сила може да се използва зависимостта:

s = v² / (2a)

Тя е полезна за разбиране на физиката на процеса, но не представлява достатъчен модел за реален железопътен влак.

При реален влак:

• спирачната сила се изменя с времето;
• спирачната сила може да зависи от скоростта;
• спирачните устройства се задействат с различно закъснение;
• сцеплението може да се изменя;
• действат съпротивления;
• има наклон;
• масата и динамичната маса трябва да бъдат отчетени;
• може да има различни видове спирачки;
• противоповличащата система може да регулира спирачното усилие.

Затова EN 14531 включва методи за изчисляване, които могат да представят развитието на спирачния процес във времето.

При по-подробния метод изчислението се извършва на последователни времеви стъпки, като за всяка стъпка се определят силите, ускорението или забавянето, скоростта и изминатото разстояние.

21. Пример за влиянието на няколко фактора

Да разгледаме условен влак, който се движи със скорост 100 km/h.

При първия сценарий:

• нормално натоварване;
• суха и чиста релса;
• изправна спирачна система;
• нормално сцепление;
• правилно работеща противоповличаща система;
• благоприятен надлъжен профил.

При втория сценарий имаме същия влак и същата начална скорост, но:

• ниско сцепление;
• мокра и замърсена релса;
• част от спирачните устройства работят с намалена ефективност;
• влакът се движи по спускане.

Няма основание да очакваме еднакъв спирачен път.

Вторият случай е по-неблагоприятен, защото няколко независими фактора действат едновременно в посока на влошаване на спирането.

Именно поради това при техническото определяне на спирачната ефективност не се използва един-единствен параметър.

22. Спирачният път и спирачната ефективност не са едно и също

Това разграничение е важно.

Спирачният път е конкретно разстояние, изминато при определени условия.

Спирачната ефективност е по-общо понятие, чрез което се характеризира способността на спирачната система да осигури необходимото забавяне или спиране.

Спирачната ефективност може да бъде представена по различни начини, включително чрез:

• спирачна маса;
• процент спирачна маса;
• забавяне;
• спирачен път.

UIC IRS 50544-1 разглежда именно определянето на спирачната ефективност и връзката между спирачната маса, процента спирачна маса и характеристиките на спирането.

23. Изчисляване и изпитване

Изчислението и изпитването не са взаимозаменяеми.

Изчислението позволява предварително да се определи очакваното поведение на спирачната система при зададени условия.

Изпитването показва как системата се държи в реални условия.

При техническата оценка е важно да се сравняват:

• изчислените стойности;
• резултатите от изпитванията;
• характеристиките на използваното оборудване;
• реалните експлоатационни условия.

EN 14531-1 описва общи алгоритми за изчисляване на спирачни и спирачно-забавящи пътища, а EN 14531-2 разглежда поетапното изчисляване за влакови състави или единични превозни средства.

Това е особено важно при ново превозно средство, промяна на спирачната система или оценяване на спирачната ефективност при различни режими.

24. Най-честите грешки при оценяване на спирачния път

При практическата работа има няколко погрешни подхода, които трябва да се избягват.

Грешка 1: Да се приема, че по-голямата спирачна сила винаги означава по-къс спирачен път

Не винаги.

Ако наличното сцепление е ограничено, прекомерната спирачна сила може да доведе до плъзгане на колелата.

Грешка 2: Да се използва само масата на влака

Масата е важна, но сама по себе си не определя спирачния път.

Необходимо е да се знае и действителната спирачна ефективност.

Грешка 3: Да се пренебрегва времето за задействане

При висока скорост дори няколко секунди представляват десетки метри изминат път.

Грешка 4: Да се пренебрегва наклонът

Един и същ влак може да има различно поведение при спиране на равен участък, при спускане и при изкачване.

Грешка 5: Да се приема постоянен коефициент на триене

Характеристиките на фрикционните материали се изменят според условията на работа.

Грешка 6: Да се приема, че противоповличащата система „увеличава спирачната сила“

Основната ѝ задача е да предотврати прекомерното плъзгане и да управлява спирачната сила според наличното сцепление.

25. Практически подход при анализ на проблем със спирачния път

Когато реален влак покаже по-дълъг от очаквания спирачен път, не трябва веднага да се обвинява само един компонент.

Правилният подход е последователен.

Първо – проверка на условията

Необходимо е да се установят:

• началната скорост;
• масата и натоварването;
• наклонът;
• състоянието на релсата;
• метеорологичните условия;
• режимът на спиране.

Второ – проверка на спирачната система

Следва проверка на:

• наляганията;
• времето за задействане;
• работата на разпределителите;
• спирачните цилиндри;
• спирачната предавка;
• състоянието на накладките или калодките;
• товарозависимото управление;
• изправността на отделните спирачни единици.

Трето – проверка на противоповличащата система

При условия на ниско сцепление трябва да се провери:

• дали датчиците работят;
• дали системата правилно разпознава тенденцията към плъзгане;
• дали управлява правилно налягането;
• дали има записани неизправности;
• дали пясъчното подаване работи, когато е необходимо.

Четвърто – сравнение с изчислените характеристики

Резултатът трябва да се сравни с очакваното поведение на конкретния влак и конкретната спирачна конфигурация.

Това позволява да се отдели проблем в самата спирачна система от проблем, причинен основно от условията на сцепление или железопътния профил.

26. Как се променя спирачният път при различни условия

Условно може да се обобщи:

Таблицата е опростена. В реалния процес факторите си взаимодействат и не трябва да се разглеждат напълно независимо един от друг.

27. Най-важният извод

Железопътният спирачен път не е характеристика само на спирачката.

Той е резултат от взаимодействието между:

влака + спирачната система + колелото + релсата + железопътния профил + условията на движение.

Може да имаме технически изправна и мощна спирачна система, но при недостатъчно сцепление колело–релса възможността за предаване на спирачната сила към релсата ще бъде ограничена.

Обратно, отлично сцепление няма да компенсира неизправна или недостатъчно ефективна спирачна система.

Следователно правилното разбиране на спирачния път изисква да се разглежда целият спирачен процес, а не само крайният резултат – разстоянието от началото на спирането до спирането на влака.

28. Нормативни и технически документи

При задълбочено изучаване на темата е целесъобразно да се използват следните документи:

1. EN 14531-1:2015+A1:2018 – железопътни приложения; методи за изчисляване на спирачни и спирачно-забавящи пътища и неподвижно задържане; общи алгоритми.
2. EN 14531-2:2015 – железопътни приложения; методи за изчисляване на спирачни и спирачно-забавящи пътища; поетапно изчисляване за влакови състави или единични превозни средства.
3. UIC IRS 50544-1 – „Спирачки – Спирачна ефективност“. Документът определя спирачната ефективност и методите за нейното определяне чрез спирачна маса или забавяне.
4. UIC IRS 50541-05 – изисквания към противоповличащите системи на железопътните превозни средства.
5. Приложимите технически спецификации за оперативна съвместимост и национални правила, когато се извършва оценка на конкретен влак, превозно средство или железопътна линия.

Тези документи не трябва да се разглеждат като взаимозаменяеми. Всеки от тях има различна област на приложение – изчисляване, оценяване на спирачната ефективност, противоповличаща система или експлоатационни изисквания.

Заключение

Ефективното спиране на железопътен влак е резултат от правилното съчетаване на много технически фактори.

Началната скорост определя огромна част от кинетичната енергия, която трябва да бъде разсеяна. Масата определя инерцията на влака. Спирачната система определя възможната спирачна сила. Сцеплението колело–релса ограничава силата, която реално може да бъде предадена към релсата. Наклонът и съпротивленията при движение променят силовия баланс, а времето за задействане на спирачката добавя допълнително изминато разстояние.

При ниско сцепление особено важна става правилната работа на противоповличащата система и, когато е предвидено, на пясъчното подаване.

Затова при анализа на железопътен спирачен път трябва да се задава не въпросът:

„Колко метра са необходими на този влак, за да спре?“

а много по-точният въпрос:

„При каква скорост, маса, спирачна конфигурация, сцепление, наклон и техническо състояние е определен този спирачен път?“

Едва тогава получената стойност има технически смисъл.