ELEKTRICKÁ TRAKCE 8. ELEKTRICKÉ OVLÁDÁNÍ BRZD

Transkript

Elektrická trakce 8 - Elektrické ovládání brzd
Obsah
4.11.2008
ETR800.DOC
Doc. Ing. Jiří Danzer CSc.
ELEKTRICKÁ TRAKCE 8.
ELEKTRICKÉ OVLÁDÁNÍ BRZD
Obsah
1
2
3
Úvod ..................................................................................................................................................2
1.1
Energie při brzdění .................................................................................................................... 2
1.2
Rozdělení brzd .......................................................................................................................... 3
1.3
Energie pro brzdění................................................................................................................... 3
Brzdy elektrodynamické ....................................................................................................................5
2.1
Brzdění trakčními motory .......................................................................................................... 5
2.2
Brzdění s využitím vířivých proudů ........................................................................................... 8
Provozní mechanická brzda ........................................................................................................... 11
3.1
Pneumatická brzda železničních vozidel ................................................................................ 13
3.1.1
Přímočinná brzda ............................................................................................................. 15
3.1.2
Elektrické ovládání přímo působících brzd ...................................................................... 15
3.1.3
Samočinná brzda ............................................................................................................. 16
3.1.4
Požadavky na průběžnou brzdu ...................................................................................... 18
3.1.5
Součinnost pneumatických brzd ...................................................................................... 20
3.1.6
Elektrické ovládádní samočinné brzdy ............................................................................ 21
3.2
Mechanické brzdy tramvají ..................................................................................................... 26
4
Kolejnicové brzdy ........................................................................................................................... 32
5
Zajišťovací a parkovací brzdy ........................................................................................................ 39
6
Preference a součinnost brzd ........................................................................................................ 41
7
6.1
Preference ............................................................................................................................... 41
6.2
Součinnost brzd ...................................................................................................................... 42
Literatura ........................................................................................................................................ 46
-1-
1. Úvod
1 ÚVOD
Brzdění slouží k udržení rychlosti na spádu, ke snížení rychlosti nebo zastavení a udržení vozidla
nebo soupravy trvale v klidu. V podstatě se jedná buď o umělé zvětšení jízdních odporů (brzdy
třecí), nebo o změnu smyslu tažné síly (motory se využívají jako generátory, elektrodynamická
brzda). Různými prostředky se vytváří brzdná síla jako opak síly tažné. Jí pak odpovídají dynamické
děje při brzdění, které se popisují podobnými rovnicemi jako děje při rozjezdu a jízdě tahem. Výběh
tak odpovídá minimálnímu stupni brzdění (jízdními odpory a stoupáním).
Z provozního hlediska se však brzdění od rozjezdu liší podstatně, protože brzdění zajišťuje
v převážné většině případů bezpečnost dopravy a proto se na všechny aspekty, které se brzdění
týkají, vztahují přísné předpisy, které mají zajistit účinnost a spolehlivost brzdového zařízení.
Ačkoliv hlavním tématem tohoto dílu je elektrické řízení brzd různých typů, je třeba se v nezbytné
míře věnovat i mechanickým systémům brzd tak, aby byly zřejmé jejich vlastnosti a původní
(neelektrický ) způsob řízení. Tento způsob totiž v mnoha případech zůstává zachován jako záložní
stejně jako většinou zůstávají zachovány základní vlastnosti brzd (zejména dynamické) a jejich
ovládání, řízení nebo regulace je proto musí respektovat.
1.1
ENERGIE PŘI BRZDĚNÍ
Základní problém při brzdění představuje nutnost odebrat brzděné soupravě poměrně velké
množství energie. Její velikost roste s hmotností a se čtvercem rychlosti a je řádově stejně veliká jako
energie, odebraná ze zdroje při rozjezdu. Zatímco u tramvaje o 12 t a rychlosti 40 km/h činí přibližně
0,2 kWh, u expresu 800 t s rychlostí 200 km/h je to již 343 kWh.
Nejefektivnější způsob brzdění je vrátit tuto energii do zdroje, to znamená použít rekuperace.
Pro ni musí být vozidlo technicky vybaveno a zdroj (trolej nebo trakční baterie) musí být schopen
rekuperovanou energii odebrat. Zvláštním případem je tzv. „výšková rekuperace“ u podzemní dráhy,
při které se stanice (pokud to okolnosti dovolují) budují blízko pod povrchem a vlastní trať pak
v hloubce větší. Souprava se pak rozjíždí se spádu a brzdí do „protisvahu“. U vozidel se spalovacím
motorem a elektrickým přenosem se pro podobné účely zkouší použít setrvačník sloužící pro
akumulaci energie při brzdění s možností ji využít při následujícím rozjezdu. Příklad byl uveden
v souvislosti s vozidly s více způsoby napájení.
Druhou možností pak je změnit brzdovou energii v teplo.
V případě elektrického odporového brzdění se energie maří v odpornících, které jsou pro tyto
účely speciálně navržené co do materiálů, umístění a chlazení. Elektrická energie se tedy mění v teplo
na místě a za okolností, které lze poměrně volně volit a brzdění nepředstavuje prakticky nárůst
požadavků na údržbu. To jsou hlavní výhody elektrického brzdění, kdy motory pracují jako generátory.
V ostatních případech se jedná o brzdy třecí, kdy se teplo vyvíjí bezprostředně v místě styku
ploch, které se navzájem pohybují.
Při brzdění litinovými brzdovými špalíky na obručích kol se teplo odvádí do obou částí, avšak
vysoké teploty, které při to vznikají, mohou být v řadě ohledů nebezpečné (vznik trhlin na oběžné
-2-
1. Úvod
ploše, uvolnění obručí na hvězdici, nebezpečí požáru) a zároveň toto (klasické) uspořádání váže
umístění brzdy přímo ke kolům.
Při použití kotoučových brzd se sice řada nevýhod zdržových brzd odstraní, avšak teplo se
odvádí pouze do brzdových kotoučů (brzdové obložení je velmi špatně tepelně vodivé).
U brzd, které spolupracují s kolejnicemi (elektromagnetické kolejnicové a vířivé brzdy) dochází
k ohřevu kolejnic a případně i k indukci rušivých napětí, což může také představovat provozní
problém.
1.2
ROZDĚLENÍ BRZD
Brzdové systémy lze dělit podle mnoha kritérií, z nichž s ohledem na hlavní cíl uvedeme jen
některé možnosti.
S ohledem na způsob přenosu brzdné síly z vozidla na kolej rozlišujeme brzdy adhezní, kdy se
brzdná síla přenáší na kolejnice adhezí, a brzdy neadhezní. Je zřejmé, že u adhezních brzd je
velikost skutečné brzdné síly závislá na velmi proměnlivém koeficientu adheze mezi kolem a kolejnicí
(viz díl, pojednávající o adhezi, smyku a protismykových zařízeních). Přesto jsou u kolejových vozidel
nejběžnější, ovšem bezpečně dosažitelné brzdné síly jsou menší a jim odpovídající zábrzdné dráhy
jsou delší než například u vozidel silničních (na suché vozovce!). To je na závadu především u
tramvají, které se pohybují v běžném pouličním provozu. Mezi brzdy adhezní patří prakticky všechny
brzdy nekolejových vozidel, brzdy špalíkové, kotoučové, brzdění trakčními motory.
Neadhezní brzdy působí přímo na kolejnice. Jedná se o různé varianty brzd kolejnicových a
ovšem brzdy u vozidel ozubnicových, lanových drah atd. Také vozidla s lineárními motory přirozeně
brzdí neadhezně. Neadhezními brzdami byly nejprve vybavovány tramvaje z důvodů výše zmíněných.
Postupně se jejich použití rozšířilo i na motorové jednotky a vysokorychlostní soupravy pro dodržení
zábrzdných drah, které jsou odvozeny od současných vzdáleností návěstidel .
Rozdělení na brzdy třecí a elektrodynamické má rovněž zásadní význam. Elektrodynamické
brzdy (včetně vířivých) nemají opotřebující se díly a vyžadují jen nepatrnou údržbu. Dají se také
obyčejně snadno elektricky řídit a jejich účinek je dobře definován (například brzdovými
charakteristikami) Na druhé straně nejsou obecně schopné udržet vozidlo v klidu.
Z důvodů bezpečnosti jsou vozidla vybavena nejméně dvěma, často ale více brzdovými systémy
a z hlediska provozu se liší různým způsobem použití a tedy i ovládání těchto brzdových systémů.
Hovoří se pak obyčejně o brzdě provozní, nouzové, havarijní, záchranné ap. Zajištění správné
součinnosti těchto, ve své podstatě často značně rozdílných brzdových systémů může představovat
složitý úkol.
V dalším se budeme podrobněji zabývat jednotlivými systémy brzd, jejich vlastnostmi a způsobem
jejich ovládání. Zapojení do vyšších systémů regulace bude popsáno v souvislosti s řízením jízdy
v samostatném díle.
1.3
ENERGIE PRO BRZDĚNÍ
Z hlediska spolehlivosti a bezpečnosti je (kromě konstrukčního a výrobního provedení, údržby,
obsluhy a dalších samozřejmých podmínek) důležitý zdroj síly resp. energie pro brzdění. Prakticky
-3-
1. Úvod
každé brzdění vyžaduje buď trvale, nebo alespoň na počátku nebo případně před zahájením brzdění
přívod energie. Na možnosti spolehlivě a případně dlouhodobě zajistit tuto energii je tedy přímo
závislá bezpečnost a následně i provozní využití příslušného brzdového systému.
U elektrodynamických brzd se může jednat o energii pro buzení nebo nabuzení motoru a
energii pro chlazení (motorů, měničů, odporníku).
Mechanické brzdy využívají pro brzdění různé zdroje energie (síly). Brzdění může být ovládáno
ručně. Ruční brzda působí obyčejně jen na některá dvojkolí vozidla (např. přilehlý podvozek) a slouží
pro trvalé zajištění vozidla v klidu. Vzhledem k jednoduchosti obsluhy a nezávislosti na dalších
podmínkách je ruční brzda v mnoha případech stále velmi dobrým a používaným zařízením.
Problémem může být u moderních vozidel skutečnost, že ji nelze jiným způsobem (dálkově) ovládat a
obyčejně ani signalizovat její stav.
Dalším zdrojem brzdicí síly může být pružina (pružinové brzdy). K odbrzdění (tzn. stlačení
pružiny) je ovšem třeba použít jiný, řízený zdroj síly, například stlačený vzduch, hydraulické zařízení
nebo elektromotor. Podobné vlastnosti má také kolejnicová brzda s permanentími magnety.
U vozidel železničního typu je nejčastějším zdrojem pro brzdy stlačený vzduch s tlakem 5..10
Bar. Tuto energii lze po omezenou dobu jednoduše uchovávat (v jímkách) a tak realizovat samočinnou
brzdu (viz dále).
U trolejbusů stejně jako u automobilů a často i u tramvají téměř výhradně se při brzdění využívá
stlačená kapalina (olej) o tlaku zhruba 50...200 Bar. V porovnání s brzdami vzduchovými stačí proto
pro vyvinutí stejné síly daleko menší průměr válce a celé zařízení je podstatně menší. Rozdíly mezi
vlastnostmi obou systémů jsou ovšem hlubší. Protože kapalina je prakticky nestlačitelná, přenáší se
síla na pracovní píst okamžitě a v odpovídající velikosti a například škrcením průtoku se dá řídit
pouze rychlost pohybu pracovního pístu. Proto jsou tyto systémy používány často pro řízení polohy
například u různých stavebních strojů. Na druhé straně vzduch je stlačitelný, takže škrcením se řídí
vývin síly na pracovním pístu. Pro řízení brzdné síly je proto vzduch výhodný. Hydraulické systémy
pracují s vysokou účinností, protože se vzhledem k nestlačitelnosti kapalina při stlačování neohřívá na
rozdíl od poměrů při stlačování vzduchu. Kompresní teplo je nutno odvést a představuje ztráty.
Dalším zdrojem energie je vozidlová baterie. Pro řízení obou právě jmenovaných brzdových
systémů se používají elektropneumatické nebo elektrohydraulické ventily (a další elektrické,
elektropneumatické a elektrohydraulické přístroje), také počáteční nabuzení dynamických brzd může
být zajištěno z baterie. Bezprostředně pro brzdění se užívá energie z baterie pro elektromagnetické
kolejnicové brzdy a pro brzdy vířivé.
Podrobný a úplný přehled starších a dalších systémů brzd podává [ 1 ].
-4-
2. Brzdy elektrodynamické
2 BRZDY ELEKTRODYNAMICKÉ
Při elektrodynamickém brzdění se využívá k vyvození brzdné síly silových účinků mezi
magnetickým polem a vodičem protékaným proudem. Nejčastěji se pod pojmem elektrodynamické
brzdění rozumí brzdění trakčními motory, které pracují jako generátory poháněné kinetickou energií
brzděné soupravy. Na elektrodynamickém účinku pracují ale i brzdy vířivé zaváděné v poslední době
zvláště pro vysokorychlostní vozidla. V obou případech jde o brzdu „bezkontaktní“ a tedy bez
opotřebení, v druhém případě se může jednat navíc o brzdy neadhezní.
Všechny elektrodynamické brzdy se už z principu vyznačují jednoduchým přímým elektrickým
řízením a rychlostí působení, která není prakticky omezena vlastním zařízením, nýbrž požadavky na
dynamické účinky na vozidle (soupravě).
2.1
BRZDĚNÍ TRAKČNÍMI MOTORY
Význam brzdění trakčními motory závisí v konkrétním případě na počtu poháněných náprav
v soupravě a na pracovním cyklu (hustotě brzdění). Proto má z hlediska brzdění největší význam u
vozidel jako jsou tramvaje, metro a elektrické motorové jednotky. Tam se také plně uplatňuje rychlost
jejich působení a přímá návaznost na řízení tahu.
U lokomotiv má brzdění motorem výhodu především v úspoře jejích špalků, pracnosti při jejich
výměně a ztrát prostoji lokomotiv pro jejich výměnu.
Pro řízení brzdy platí podobná omezení jako pří jízdě tahem, zejména omezení brzdné síly
adhezí, omezení rychlosti nárůstu a poklesu brzdné síly a omezení, daná dimenzováním elektrické
výzbroje.
Vlastnosti elektrické brzdy vyjadřují brzdové charakteristiky. Způsoby brzdění a jim odpovídající
brzdové charakteristiky byly podrobně popsány v předchozích dílech u jednotlivých typů vozidel.
Nejběžnější tvar odpovídá Obr. 1.
Obr. 1 Brzdová charakteristika (edb.dwg)
V oblasti vyšších rychlostí (V1...Vmax) jsou tažné síly omezeny, u odporového brzdění výkonem
brzdového odporníku, u rekuperačního brzdění proudem motorů nebo měničů (v obou případech
obyčejně hyperbolou). Ve střední části (.V2.. V1) záleží na možnostech řízení buzení, brzdového
odporu a především ohledy na adhezi (Fbmax). Pro brzdění se počítá s koeficientem adheze např.
-5-
0,15..0,18, což je zhruba poloviční hodnota než při rozjezdu). Dalším omezením mohou být požadavky
na součinnost (zastupitelnost) elektrodynamické brzdy brzdou vzduchovou.
V oblasti nejnižších rychlostí (0...V2) klesá brzdná síla k nule, pokud se ve zvláštních případech
nepoužije brzdění protiproudem (srov. díl 4. o asynchronních motorech a jejich brzdění v oblasti
nízkých rychlostí). Rychlost, při kterém začíná pokles brzdné síly závisí na vlastnostech trakčního
obvodu a na vlastnostech spolupracující třecí brzdy. V žádném případě nelze elektrodynamickou
brzdou zajistit vozidlo v klidu a pro plynulé zastavení je třeba sladit její řízení s vlastnostmi použité
brzdy parkovací. Při zastavování, kdy je třeba přejít na brzdu parkovací (třecí), jsou rozhodující
vlastnosti brzdy třecí.
Z hlediska brzdění a jeho spolehlivosti u závislých vozidel lze rozdělit brzdění motory na
•
brzdění závislé na napětí v troleji, to jsou případy brzdění rekuperačního a těch případů
brzdění odporového, kdy je pro jeho realizaci zapotřebí napětí v troleji pro buzení, chlazení atd.,
•
brzdění nezávislé, které vyžaduje nejen nezávislý zdroj pro buzení motorů, ale také zajištění
startu brzdění ve všech provozních stavech a zajištění všech dalších podmínek pro správnou činnost
trakčních obvodů (chlazení měničů, motorů, odporníku aj.).
Brzdění motory musí být vždy dostatečně rychle nahraditelné jinou provozní brzdou se stejným
účinkem.
Pokud jsou splněny další podmínky pro činnost brzdění motory ([ 2 ]), může být nezávislá
elektrodynamická brzda započitatelná. Podmínkami jsou zejména omezení rizika smyku (přebrzdění),
ovládání brzdičem samočinné brzdy a samočinný přechod na brzdu samočinnou při poruše. Pak se
brzdové vlastnosti (zábrzdné dráhy při TBZ, viz dále) ověřují i s touto brzdou. Význam to má
především u lokomotiv pro stanovení maximální dovolené rychlosti při strojové jízdě (v ostatních
případech brzdí především vlak).
Vlastní řízení brzdění v uvedených případech závisí na technickém provedení trakčních obvodů.
Z hlediska obsluhy záleží na použitém systému řízení resp. stupni jeho automatizace (viz příslušný
díl). Zpočátku bývala elektrická brzda ovládána samostatným ovladačem, ale teprve vhodné začlenění
do systému řízení zajistilo její plné využívání v provozu.
Při řízení tahu pákou s výchylkovým ovládáním je nejpřirozenějším způsobem řízení tahu
směrem vpřed od neutrální polohy a řízení brzdy opačným směrem (k sobě). Tento způsob je
vhodný především tam, kde elektrická brzda představuje hlavní provozní brzdu. Jinak je nutno zajistit
vhodnou součinnost řízení elektrické brzdy s řízením ostatních provozních brzd.
V případech, když elektrická brzda není hlavní provozní brzdou (její účinek není převažující, resp.
dostatečný) je žádoucí ji užívat přednostně a tento požadavek mohou zajistit různé systémy přímého
řízení tak, jak se historicky vyvinuly, nebo řízení (polo)automatické. Protože se však obyčejně i při
automatizovaném řízení požaduje možnost přímého řízení brzdění, vznikají poměrně komplikované
způsoby řízení. Některé jsou popsány dále, jiné v samostatném díle o řízení.
O způsobech řízení bude pojednáno také v dalších kapitolách.
Závěrem je dobré si uvědomit, že jde o brzdění adhezní a že o momentální schopnost přenést
brzdnou sílu adhezí se obecně mohou „dělit“ brzda elektrická a brzda mechanická (například
pneumatická). O součinnosti viz kap.6.2. Podobně jako při jízdě může i při brzdění dojít při překročení
-6-
meze adheze a dojde ke smyku. I když k trvalému zastavení kol při brzdění motory nemůže zřejmě
dojít, protože při nulové rychlosti otáčení motoru brzdná síla klesne k nule, může dojít k situaci, kdy se
kola mohou do krátkodobých smyků dostat a může dojít k poškození obručí. Protismyková ochrana je
tedy i při brzdění motory potřebná zvláště tam, kde je její využívání významné.
Jako speciální případ brzdění asynchronními motory uvedeme zapojení podle [ 3 ]. Na
ozubnicových drahách lze přirozeně také použít asynchronních trakčních motorů napájených
z měničů. Pro extrémní spády, které se tam vyskytují, se elektrodynamické brzdění s pomocí měniče
nejevilo dostatečně spolehlivé. Proto byl navržen, analyzován a zkoušen na upravené starší
lokomotivě způsob brzdění, v jiných případech celkem běžný, a to s buzením pomocí kondenzátorů
se startem z remanentního magnetického toku motorů (vzdálená obdoba tramvajové brzdy). Dvěma
variantám připojení zátěže odpovídají náhradní schémata podle Obr. 2.
Obr. 2 Náhradní schéma při brzdění asynchronním motorem s kondenzátorovým buzením
(zub_sch.bmp)
Momentové charakteristiky obou zapojení se významně liší a jsou uvedeny v Obr. 3. Sériové
zapojení sice vyžaduje poněkud větší kapacitu kondenzátorů, avšak náběh brzdného momentu je
plynulejší a překmit rychlosti menší. Zapojení je v principu velmi jednoduché (využívá ovšem mnoha
spínačů) a start je spolehlivý za všech okolností. Brzda byla úspěšně vyzkoušena i při „spuštění
s kopce“ bez jiného brzdění.
Obr. 3 Momentové charakteristiky "samobuzené“ asynchronní brzdy (zub_cha.bmp)
-7-
2.2
BRZDĚNÍ S VYUŽITÍM VÍŘIVÝCH PROUDŮ
Při tomto způsobu brzdění se proudy, které působí brzdění dynamickými účinky, indukují buď
v kolejnicích, pak se jedná o vířivé brzdy neadhezní, nebo v kotoučích na nápravách a pak jde
zřejmě o brzdy adhezní. Energie se mění v teplo v částech, ve kterých vířivé proudy vznikají. Výhoda
přenosu energie na vhodné místo (do odporníku) zde tedy odpadá. Při jejím použití (zpravidla)
nedochází ke kontaktu mezi materiály a nevzniká tedy zvýšené opotřebení. Tyto brzdy se uplatňují
především u vozidel na vysoké rychlosti.
Princip je znám již dlouho (přehled historie v [ 4 ]), avšak zásadní impuls pro jejich aplikace
představovala stavba vysokorychlostních vlaků TGV na SNCF a ICE vlaků na DB. První provozní
zkoušky vířivých brzd proběhly již v roce 1985, sériové nasazení se však dočkaly až na ICE 3 [ 5 ].
Nejčastěji se používají lineární vířivé brzdy zavěšené na podvozcích nad kolejnicemi. Uspořádání
a základní funkce jsou zřejmé z Obr. 4. Při pohybu magnetů vznikají v kolejnicích vířivé proudy,
jejichž magnetické pole brání tomuto pohybu a vyvozuje tak brzdnou sílu.
Obr. 4 Princip činnosti vířivé brzdy podle[ 6 ] (vir_princ.bmp)
Na rozdíl od magnetických kolejnicových brzd (viz dále) se nepředpokládá styk mezi pólovými
nástavci a hlavou kolejnic, takže jde o brzdu neadhezní a bez opotřebení, což jsou vlastnosti pro
brzdění při vysokých rychlostech velmi vítané. Příklad provedení je na Obr. 5 podle [ 6 ].
Hlavní výhody proti například kolejnicové brzdě jsou, že
•
nedochází k opotřebení,
•
účinek brzdy lze plynule řídit velikostí budicího proudu,
•
účinek brzdy se v oblasti vysokých rychlostí mění relativně málo.
Na druhé straně stojí nevýhody, zejména
•
vznik velkých přitažlivých sil, které jsou na rychlosti závislé hyperbolicky; firma Knorr-Bremse
uvádí pro své konstrukce údaje podle Obr.
6; přitažlivá síla je při 150 km/h přibližně rovna
vyvozované brzdné síle; s poklesem rychlosti roste síla nepřímo úměrně a namáhá konstrukci natolik,
že je nutno budicí proud od určité rychlosti snižovat, aby se průhybem konstrukce zavěšení neměnila
výrazně vzduchová mezera,
•
oteplování kolejnic v závislosti na velikosti „odbrzděné“ energie a sledu vlaků, které brzdí na
stejném místě; zkoušky ukazují že při intervalu 30 min pro ICE mohou být poměry na hranici
přijatelnosti [ 7 ],
-8-
•
rušení zabezpečovacího zařízení některých systémů, zejména pokud využívají magnetické
účinky [ 7 ] (v našich poměrech například magnetické orientační body pro automatické vedení vlaku),
•
vysoké nároky na spotřebu energie, které nejsou splnitelné běžnou vozovou baterií bez
značného předimenzování; proto může být použita jen jako brzda nouzová (na příklad na vložených
vozech ([ 7 ]).
Obr. 5 Příklad provedení vířivé brzdy na podvozku ICE (vir_obr.bmp)
Obr. 6 Parametry vířivé brzdy Knorr [ 9 ] (knor_vir.bmp)
Spotřeba vířivé brzdy a jejího účinku v porovnání s kolejnicovou brzdou je na Obr. 7.
-9-
Obr. 7 Porovnání energetické náročnosti a účinku vířivé a kolejnicové brzdy podle [ 8 ]
(viriva_1.bmp)
Na ICE 3 jsou vířivé brzdy napájeny ze stejnosměrného meziobvodu přes pulzní měniče a při
dynamickém brzdění tedy z brzdové energie podle Obr. 8, u starších vozidel ze sběrnice vlakového
topení.
Obr. 8 Zapojení vířivé brzdy na ICE 3 (ice3.bmp)
Místo v kolejnicích mohou být vířivé proudy indukovány také v kotoučích umístěných na
nápravách podobně jako u kotoučové brzdy. U kolejnicového provedení musí být vzduchová mezera
poměrně velká (obyčejně asi 7 mm s ohledem na tolerance, průhyb a další okolnosti při zavěšení na
podvozku) a pro buzení je zapotřebí značný proud. Uspořádání brzdových kotoučů na nápravě
umožňuje vzduchovou mezeru výrazně zmenšit. Pak lze použít pro buzení i permanentní magnety,
které energii nepotřebují vůbec. Řízení brzdné síly je ovšem komplikovanější, např. mechanickým
natáčením permanentních magnetů (podobný princip jako u kolejnicových brzd - viz dále). Kromě toho
je brzdný výkon omezen oteplením kotoučů, které navíc zvýšením ohmického odporu snižují brzdnou
sílu (pro 500°C asi na polovinu - [ 8 ]).
- 10 -
3. Provozní mechanická brzda
3 PROVOZNÍ MECHANICKÁ BRZDA
V této kapitole se budeme zabývat adhezními provozními brzdami, tj. brzdami určenými
především pro ovládání rychlosti soupravy. Proto musí mít možnost plynulého řízení velikosti
brzdné síly při brzdění i při odbrzďování. Mohou přirozeně také sloužit k brzdění nouzovému, ale jejich
účinek nemusí vždy postačovat a pak musí být doplněny další brzdou (například kolejnicovou).
Jedná se vesměs o brzdy třecí a proto je velikost brzdné síly a omezení adhezí dáno výrazy
Fb = f . P ≤ µ.N
r. 1
[kN, 1,
kN ]
P µ
≤
N f
kde Fb je brzdná síla, P přítlačná síla (na zdrže, kotouče), N nápravové zatížení, µ koeficient adheze
a f koeficient tření. Koeficient tření závisí zejména na
•
rychlosti relativního pohybu ploch, které se třou (na rychlosti závisí mj. i koeficient adheze,
ale obecně jinak, viz Obr. 9 ),
•
materiálu těchto ploch,
•
měrném tlaku ve styku těchto ploch.
Poslední dva vlivy jsou dány konstrukcí. Závislost na rychlosti je různá u různých materiálů.
Konstrukční uspořádání uvažovaných brzd je především dvojí
•
špalíkové brzdy, kdy špalíky ze speciální litiny nebo z kompozitních materiálů (obdobných
materiálům pro brzdové obložení) dosedají na obruč kol,
•
kotoučové brzdy, kdy jsou na nápravách nebo na jiných částech pro přenos momentu
z motoru na nápravu (dutý hřídel, volný konec hřídele trakčního motoru) upevněny kotouče (užívají se
také kotouče přímo na discích kol), na které doléhají čelisti s brzdovým obložením.
Uvedený výčet odpovídá postupnému vývoji. Hlavní nevýhodou špalíkové brzdy s litinovými
špalíky je, že vznikající teplo může způsobit poškození obručí a vyžaduje poměrně časté výměny zdrží
a vyvolává s tím spojené náklady na práci, materiál a ztráty prostoji. Opotřebení zdrží z kompozitních
materiálů je výrazně nižší, ovšem účinek na obruče může být ještě nepříznivější. Špalíky vedou teplo
podstatně hůře (na rozdíl od litinových) a nemají „čisticí účinek“ na povrch kola.
Na moderních vozidlech (hnacích i vložených, rychlých vlacích i tramvajích, s výjimkou
nákladních vozů) se používají prakticky výhradně brzdy kotoučové (čelisťové), protože umožňují
oddělit a tím i optimalizovat brzdové funkce od kol a přinášejí větší konstrukční volnost v řešení
brzdového systému, snížení jeho hmotnosti a možnost jeho umístění na odpružených částech
podvozku.
Z hlediska zdroje síly (nejčastěji brzdový válec a stlačený vzduch) není mezi uvedenými systémy
zásadní rozdíl, podobně jako mezi jejich ovládáním. Pro řízení je ale důležitý rozdíl mezi závislostí
koeficientu tření a koeficientu adheze na rychlosti. Například pro nejběžnější případ litinových
špalíků a špalíků z kompozitních materiálů je závislost na rychlosti uvedena na Obr. 9, kde je uveden
také průběh koeficientu adheze. Pokud tedy nemá při žádné rychlosti dojít ke smyku, musí podle r. 1
platit přibližně
- 11 -
r. 2
P ≤ 0,7 N
Na druhé straně je vidět, že pro dosažení maximálního brzdného účinku v průběhu brzdění je
třeba s ohledem na adhezi v závislosti na rychlosti měnit přítlačnou sílu (špalíků nebo čelistí) tak,
že při vyšších rychlostech se použije přítlak vyšší. V v oblasti velmi nízkých rychlostí musí být přítlak
odpovídajícím způsobem snižován, aby nedošlo ke smyku. Tomu odpovídá běžný způsob ručního
řízení brzdy a musí tomu odpovídat i řízení automatické.
Zvlášť významné to může být v případě současného ovládání vozidel s různým provedením brzd
(např. kotoučové na vozech a špalíkové na lokomotivách).
Obr. 9 Závislost koeficientu tření a adhezního součinitele na rychlosti (treni1.bmp)
.
- 12 -
Obr. 10 Součinitelé tření (treni2.bmp)
Podobné pro závislosti koeficientů tření na rychlosti za různých okolností uvádí [ 10 ], Obr. 10. V
Obr. 10 jednotlivé křivky pro
•
1a - součinitel tření litinových špalíků při měrném tlaku 0,4 MPa,
•
1b dtto pro 1,0 MPa,
•
1c dtto pro 2 MPa,
•
2 součinitel tření brzdového obložení (kotoučové brzdy),
•
3 součinitel smykového tření kol po kolejnicích.
Také odtud je zřejmá značná rozdílnost průběhů a nelinearita působení brzd závislosti na
rychlosti.
Nejprve se soustředíme na pneumatickou brzdu, typickou pro vozidla železničního typu, a poté se
zmíníme o systémech častěji užívaných u tramvají. V obou případech nejde o vyčerpávající přehled,
nýbrž jen zjednodušený popis typických aplikací.
3.1
PNEUMATICKÁ BRZDA ŽELEZNIČNÍCH VOZIDEL
Brzdy využívající pro vyvození přítlačné síly stlačeného vzduchu jsou u vozidel železničního typu
(například také u metra) základní a jejich historie je velmi dlouhá. Obsáhlý přehled je v [ 1 ].
Pro výklad budeme používat zjednodušená vzduchová schémata, aby z nich byla zřejmá jejich
základní funkce a propojení s případným elektrickým ovládáním a kontrolou. Všechny jiné
pneumatické přístroje stejně jako řada dalších pomocných zařízení, která mají mj. za úkol zajistit, aby
stlačený vzduch neobsahoval mechanické nečistoty, vlhkost a olej nebudou uváděny, ačkoliv jsou pro
spolehlivou funkci nezbytné. Pro skutečné provedení je třeba se obrátit na schémata vzduchových
obvodů konkrétního vozidla. V nich jsou zahrnuty i další funkce, zajišťované stlačeným vzduchem
(ovládání elektrických přístrojů, zajišťovacích a kolejnicových brzd, vzduchové vypružení, pískování
aj.).
Brzdovou výstroj vyrábí řada velkých firem, například Knorr Bremse (SRN), SAB-Wabco
(Švédsko), Westinghouse (USA), u nás pak Dako Třemošnice a ovšem řada dalších. Jednotné
označen přístrojů ve schématech vhodné pro naše účely však není ustálené a proto pro následující
zjednodušená principiální zapojení budeme používat označení podle Tab. 1.
Tab. 1 Vybraná zařízení, použité znčky a jejich význam ve vzduchových schématech.
Značka
Název
Brzdový válec (BV)
Funkce
Základní součást brzdové výstroje nebo brzdové
jednotky, zdroj brzdné síly
Dvojitá zpětná
Zařízení, které propojuje na výstup to ze dvou vstupních
záklopka
potrubí , které má větší tlak; vzduch při tom může proudit
oběma směry
- 13 -
Značka
Název
Funkce
Elektropneumatický
Elektricky ovládaný ventil, v provedení “normálním” při
ventil
nabuzení otevírá průchod vzduchu, při “inverzním”
provedení ho za stejných okolností zavírá
HP
Elektropneumatický
Jako v předešlém případě, po uzavření ventilu se prostor
ventil s odvětráním
za ventilem spojí s atmosférou
Hlavní potrubí
Potrubí, procházející celou soupravou, které slouží pro
zásobování vzduchem a současně k ovládání
samočinné brzdy v jednotlivých vozidlech soupravy
NP
Kohout (ruční)
Uzavírá nabo otevírá průchod vzduchu
Kompresor
Pístový a rotační kompresor - zdroj tlakového vzduchu
Napájecí potrubí
Potrubí, připojené k hlavním jímkám, které slouží pro
napájení vzduchových zařízení na vozidle; může být
propojeno s dalšími vozidly
Převodník tlaku
Převádí tlak v připojeném potrubí na (zpravidla)
stejnosměrné analogové napětí pro účely signalizace,
kontroly či regulace
Rozvaděč
Zařízení, které na základě tlaku v průběžném potrubí řídí
brzdění na příslušném vozidle (PV je pomocný a RV
rozvodový vzduchojem)
Ruční ovladač brzdy Převodník mechanické výchylky ruční páky na změnu
(brzdič)
tlaku v potrubí za ovladačem
Tlakový spinač
Spínač ovládaný tlakem v připojeném potrubí; velikost
tlaku, hystereze mohou být případně i nastavitelné,
uspořádání kontaktů různé,
Upravovač tlaku
Zařízení, které omezuje tlak v potrubí za ním na
nastavenou hodnotu
ZZ
Zpětná záklopka s naznačeným směrem průchodu
vzduchu
Zdrojem
stlačeného
vzduchu
jsou
kompresory,
pístové
nebo
rotační,
poháněné
elektromotorem a řízené tak, aby byl tlak v hlavních jímkách udržován v požadovaném rozmezí
(obyčejně 8..10 Bar=0,8..1,0 MPa). O kompresorech viz ETR II, díl 6. Vlastní spotřeba a chlazení.
- 14 -
3.1.1
PŘÍMOČINNÁ BRZDA
Přímočinná brzda je nejstarší a také nejednodušší variantou pneumatické brzdy (od roku 1856).
Základní zapojení je na Obr. 11 se dvěma variantami ovládání vzduchem:
•
výchylkové ovládání pomocí ručně ovládaného upravovače tlaku vzduchu pro brzdění, Obr.
11 a,
•
přírůstkové ovládání ručním ovládáním napouštěcího a vypouštěcího ventilu, kterým se
řídí tlak v BV, Obr. 11b.
Obr. 11 Přímočinná brzda (vzd_brz.dwg)
Tlak v brzdovém válci může dosáhnou hodnoty tlaku v napájecím potrubí (pokud není omezen).
Pokud se ovšem přeruší (otevře, přetrhne) potrubí za brzdičem, všechny připojené brzdy přestanou
brzdit. Proto je tato brzda používána především pro brzdění trakčních vozidel (ev. nedělitelné
soupravy trakčních vozidel), kde v takovém případě lze použít některou jinou, dostatečně účinnou
brzdu (vždy musí existovat).
Na lokomotivách bývá přímočinná brzda označována také jako lokomotivní nebo přídavná a
slouží především pro brzdění při jízdě samotné lokomotivy, při posunu, manipulaci a pro zajištění
vlaku v klidu (po zabrzdění např. samočinnou brzdou), protože se vyznačuje relativně rychlou reakcí
při brzdění i odbrzďování. Její ovládání bývá zcela odděleno a při ručním ovládání prakticky
nezávislé na ostatních brzdových systémech.
3.1.2
ELEKTRICKÉ OVLÁDÁNÍ PŘÍMO PŮSOBÍCÍCH BRZD
Elektrické ovládání nejčastěji „kopíruje“ přímé ovládání vzduchem. Analogií k uspořádání na
Obr. 11b je zapojení na Obr. 12.
Obr. 12 Ovládání přímočinné brzdy EPV (vzd_br.dwg)
Napájení EPV může řídit ruční ovladač nebo jiné elektrické zařízení. Výhodou je, že na
stanoviště (resp. na obě stanoviště) není třeba přivádět potrubí a elektrický ovladač lze snáze
konstrukčně začlenit do řídicího pultu. Aby byla zajištěna bezpečnost, musí být pro brzdění použit
inverzní ventil, který při ztrátě napětí způsobí zabrzdění.
- 15 -
V souvislosti s různými automatizačními zařízeními se používají i další způsoby ovládání brzdy
přímočinného typu, dva příklady jsou na Obr. 13.
Zapojení na Obr.
13a představuje parkovací brzdu, která umožňuje například regulátoru
rychlosti „udržovat nulovou požadovanou rychlost“. Neslouží k brzdění za pohybu, pouze pro zajištění
soupravy v klidu. Je řízena ve dvou stavech: „zabrzdit“ (nastaveným tlakem při nabuzení EPV) a
„odbrzdit“ při odbuzení EPV (EPV je „normální“ s odvětráním potrubí za EPV při jeho uzavření).
Obr. 13 Parkovací a doplňková brzda (vzd_br.dwg)
Na Obr. 13b je naznačeno zapojení pro řízení přímočinné brzdy ve funkci doplňkové brzdy.
Nakreslené uspořádání je standardním třístavovým regulátorem tlaku v BV na požadovanou hodnotu
tlaku reprezentovanou elektrickým signálem s převodníkem tlaku jako čidlem skutečné hodnoty.
Slouží na trakčních vozidlech s elektrodynamickým brzděním trakčními motory pro doplnění velikosti
brzdné síly trakčního vozidla na stálou hodnotu jednak v oblasti vysokých rychlostí, kde brzdná síla
od motorů je podle charakteristiky (Obr.
1) omezena (výkonem odporníků, měničů ap. resp.
možnostmi buzení motorů), jednak při nízkých rychlostech.
Doplňková brzda je pak řízena společně s řízením elektrodynamické brzdy a stává se vlastně
její „součástí“ při brzdění trakčního vozidla. V případech výpadku elektrodynamické brzdy může
případně převzít celou brzdovou práci na trakčním vozidle. Pak ovšem musí její účinek odpovídat
plnému účinku elektrodynamické brzdy (v oblasti středních rychlostí) resp. dynamická brzda musí být
odpovídajícím způsobem trvale omezena.
U trakčních vozidel s kotoučovými brzdami se někdy používá tzv. čisticí brzda. Provedením se
podobá obyčejné špalíkové brzdě, špalíky jsou ovšem daleko menší stejně jako přítlačná síla. Účelem
tohoto zařízení není totiž skutečně brzdit, nýbrž očistit povrch nákolků pro zlepšení adhezních poměrů
před brzděním. Proto se čisticí brzda automaticky krátkodobě aktivuje například na začátku každého
brzdění (schéma řízení může odpovídat Obr. 13a).
3.1.3
SAMOČINNÁ BRZDA
Samočinná brzda je charakteristická pro železniční vozidla a podobné případy, kdy je nutno
počítat s možností samovolného rozdělení (přetržení) soupravy a je nutno zajistit brzdění i
takovém případě. Zřejmou podmínkou je, aby každé vozidlo mělo vždy k dispozici energii pro
brzdění a zabrzdilo i v případě, že není propojeno s trakčním vozidlem (zabrzdit musí samočinně i
utržená část vlaku). Samočinná brzda se někdy označuje také jako průběžná nebo vlaková.
- 16 -
Obr. 14 Schéma samočinné brzdy (vzd_br.dwg)
Maximálně zjednodušené schéma samočinné brzdy je na Obr. 14. Celou soupravou prochází
hlavní potrubí HP a v každém brzděném vozidle je na něj připojen rozvaděč, řídící brzdu na vozidle.
Do soupravy mohou být zapojena i vozidla, která mají pouze hlavní potrubí, nebo, což je z hlediska
funkce totéž, mají přívod vzduchu k rozvaděči uzavřený.
Rozvaděč je poměrně složité zařízení, jehož funkci lze bez nároků na přesnost a úplnost popsat
následovně:
•
na počátku zajišťuje naplnění pomocného vzduchojemu PV, rozvodového vzduchojemu RV a
prostor vlastního rozvaděče R na tlak v HP; po naplnění na jmenovitý tlak 5 Bar je odbrzděno,
v brzdovém válci BV není tlak,
•
při následujícím snížení tlaku v HP je původní tlak „zapamatován“ (uchován) v rozvodovém
vzduchojemu RV a v závislosti na rozdílu tlaku v RV proti tlaku v HV se zvyšuje tlak v BV
přepouštěním vzduchu z PV; PV představuje onu zásobu energie pro brzdění daného vozidla,
•
naopak zvyšováním tlaku v HP se vzduch z BV vypouští a brzdný účinek klesá případně až
do úplného odbrzdění (tlak v HP se téměř vyrovná s tlakem v RV); zároveň se doplňuje vzduch do PV
tak, aby byl k dispozici pro další brzdění.
Je vidět, že při úniku vzduchu z HP ať v důsledky poruchy, nehody nebo záměrně činností
strojvedoucího (rychlobrzda, nouzová brzda), zásahem zabezpečovacího zařízení (šoupátko LVZ)
nebo i cestujícími v případě akutního nebezpečí (záchranná brzda) bude brzda uveden v činnost.
Samočinná brzda je tedy ovládána tlakem v HP a jeho velikost je ovládána brzdičem na
vedoucím trakčním vozidle (na soupravě je v činnosti vždy pouze jeden brzdič). Brzdičem se řídí tlak
v HP napouštěním vzduchu z hlavních jímek a napájecího potrubí nebo vypouštěním vzduchu do
atmosféry.
Existuje řada konstrukcí brzdičů v závislosti na výrobci a požadovaných vlastnostech. Základní
polohy, který jsou nutné vždy a zajišťují uvedené funkce, jsou
•
plnicí poloha pro rychlé plnění „prázdné“ soupravy vzduchem zvýšeným tlakem (např. po
sestavení), která zároveň umožňuje rychlé odbrzdění plnicím švihem (viz dále),
•
jízdní poloha, tlak v HP je udržován na 5 Bar doplňováním ztrát netěsnostmi a při
odbrzďování, ev.. při plnění PV v soupravě,
•
poloha provozní brzdění, která umožňuje postupné snižování nebo zvyšování tlaku v HP a
tím nastavení požadovaného brzdného účinku,
•
rychlobrzda, kdy je rychle a úplně vypuštěn vzduch z HP.
Další funkce, které souvisí s ovládání samočinné brzdy jsou zejména
- 17 -
•
závěr, poloha v níž je spojení mezi brzdičem a HP uzavřeno,
•
nízkotlaké přebití, kdy je zvýšen tlak v HP na 5,5 Bar a poté pomalu snižován na jmenovitou
hodnotu 5,0 Bar aniž se vyvolá brzdění.
Závěr slouží k odpojení všech dalších brzdičů, které mohou být na soupravě, k zamezení
doplňování vzduchu z hlavních jímek při rychlobrzdě a při zkoušce těsnosti brzdových prostorů.
Nízkotlaké přebití je určeno k rychlému odbrzdění nákladních vlaků a odstranění „přebití“ soupravy.
Tento (velice zjednodušený) výklad základních funkcí je uveden proto, že elektrické ovládání
musí přirozeně umožnit také všechny nebo alespoň všechny v daném případě potřebné způsoby
ovládání. Je třeba zdůraznit, že při elektrickém ovládání se nahrazuje elektricky především brzdič,
a to z důvodů, které byly uvedeny kapitole 3.1.2 pro brzdu přímočinnou.
3.1.4
POŽADAVKY NA PRŮBĚŽNOU BRZDU
Průběžná brzda je hlavní provozní brzdou na železnici a závisí na ní v rozhodující míře
bezpečnost dopravy. Proto je její provedení, funkce a zkoušení určeno mnoha předpisy, ať je její
ovládání provedeno jakkoliv.
Samočinná brzda s popsanými vlastnostmi byla poprvé postavena firmou Westinghouse v roce
1875 a od té doby je nepřetržitě zdokonalována i řadou dalších firem. Protože se mezinárodní provoz
vozů osobní i nákladní dopravy stal brzy skutečností, bylo nutno zajistit kompatibilitu brzd vozidel
různých výrobců a zároveň její bezpečnou funkci. Proto byla a je brzdová výstroj předmětem
mezinárodních předpisů UIC. Uvádí se 20 + 5 podmínek, jimž musí tyto brzdy vyhovovat (viz citaci
příslušných předpisů v [ 11 ], dnes zřejmě poněkud změněných). Zkrácený obsah hlavních ustanovení
uvádíme jednak proto, že charakterizuje základy činnosti brzdy, jednak proto, že podle prvního a
klíčového ustanovení musí jakékoliv, tedy i elektrické řízení zachovat tyto základní funkce. Jedná
se zejména o následující požadavky:
•
Brzda musí být samočinná, k jejímu ovládání musí stačit stlačený vzduch a jediné potrubí.
•
Nové tlakové brzdy musí bez závad účinkovat s brzdami již schválenými.
•
Normální tlak je 5 Bar, brzda však musí pracovat v rozmezí 4...6 Bar.
•
Brzda musí být v pohotovostním stavu a v odbrzděné poloze, jeli v hlavním potrubí normální
tlak (tj. 5 Bar). Zabrzdění se dosáhne snížením tlaku v hlavním potrubí a odbrzdění jeho opětovným
zvýšením. Když tlak v hlavním potrubí dosáhne hodnoty 4,85 Bar, musí tlak v BV klesnout pod 0,3
Bar.
•
Brzda musí umožnit jednak rychlé zabrzdění náhlým a vydatným vypuštěním vzduchu
z hlavního potrubí (rychlobrzda), jednak úplné zabrzdění postupným snižováním tlaku v hlavním
potrubí.
•
Brzdí-li se z normálního tlaku, musí se největšího tlaku v brzdovém válci dosáhnout snížením
tlaku v hlavním potrubí o 1,3...1,6 Bar. Nejvyšší tlak v BV musí být v mezích 3,7...3,9 Bar.
•
Naměřená průrazná rychlost při rychlém brzdění (podíl délky vlaku a času od povelu
z brzdiče do okamžiku, kdy začne do BV posledního vozu vnikat vzduch) musí být nejméně 250 m/s.
•
Brzda musí naskočit dříve než za 6 s, jestliže se tlak v potrubí plynule snižuje o 0,6 Bar/6 s
(citlivost brzdy).
- 18 -
•
Brzda nesmí naskočit, jestliže tlak v potrubí klesá rychlostí 0,3 Bar/min (necitlivost např. na
netěsnosti).
•
Při odbrzdění plnicím švihem 6 Bar nesmí dojít k přebití rozvaděče do 10 s v poloze „osobní“
a do 25 s v poloze „nákladní“ (zvýšením tlaku se urychlí odbrzdění zvláště u dlouhých vlaků).
•
Pro odstranění přebití lze postupně snižovat tlak z 6 Bar na 5 bar za 10 min. aniž dojde k
zabrzdění (pro vlak, definovaný v předpisech).
Brzdění v poloze „osobní“ (O) je určeno pro osobní vlaky a rychlíky resp. krátké a těsně spřažené
vlaky, kde lze připustit rychlý nárůst brzdné síly bez nebezpečných podélných rázů v soupravě.
Brzdění v poloze „nákladní“ (N) je určeno pro dlouhé vlaky nákladní, s uvolněnými spřáhly, kde je
nutno značně omezit rychlost změn brzdných (a ovšem i tažných) sil proti technickým možnostem
samočinné brzdy.
Časové průběhy tlaků pro oba základní způsoby brzdění a pro rychlé a provozní brzdění a
odbrzdění (provozní s maximálním švihem) jsou orientačně uvedeny v Obr. 15 podle [ 11 ] a jsou
velmi významné při návrhu automatických způsobů řízení (existují i další, neuvedené způsoby
brzdění).
Obr. 15 Časové průběhy tlaků samočinné brzdy (cha_vzd.dwg)
Tyto průběhy jsou dány požadavky železničního provozu. Například pro samočinnou
pneumatickou brzdu na pražském metru je doba pro dosažení plného brzdného účinku při provozním
brzdění 3..5 s a pro rychločinné brzdění 1,0..1,5 s. Brzdí se tak ovšem těsně spřažená souprava o pěti
vozech ([ 12 ]).
Z hlediska zkoušení samočinné brzdy u vlaků uvedeme pouze tyto základní případy (nově
navrhované systémy řízení brzd - viz EBAS - předpokládají opakované z těchto činností
automatizovat!)
- 19 -
•
technicko-bezpečnostní zkouška (TBZ) se provádí na novém vozidle a na vozidle po
opravách nebo úpravách, které se dotýkají brzdové výstroje před uvedením do provozu; zjišťuje se
především brzdná dráha na vodorovné přímé trati z maximální rychlosti vozidla při rychlobrzdě (a řada
dalších vlastností),
•
úplná brzdová zkouška se provádí po sestavení vlaku a zjišťuje se, zda brzdí i odbrzďují
všechny vozy v soupravě se zapojenou brzdou; zároveň je zjištěna hmotnost soupravy, údaj, důležitý
také při automatizaci vedení vlaku, a hmotnost i brzdová hmotnost soupravy pro výpočet brzdového
procenta (viz dále),
•
zkrácená brzdová zkouška, kdy se kontroluje správná činnost brzdy pouze na posledním
voze.
Účinek brzd je charakterizován brzdicím procentem, které je definováno pro soupravu takto
r. 3
B% =
∑ brzdicích hmotností .100 = ∑ Bv .100%
∑ hmotností vozidel
∑G
a obdobně pro jednotlivé vozidlo. Brzdicí hmotnost (dříve „brzdová váha“, označení Bv je ponecháno)
je srovnávací údaj, charakterizující brzdný účinek vozidla a zjišťuje se ze zábrzdných drah a/nebo
výpočtem podle stanovených postupů. Brzdicí hmotnost je uváděna na každém vozidle. V zásadě
souvisí s velikostí přítlaku na špalíky nebo čelisti brzdy. Typicky pro špalíkovou brzdu pro „normální“
vůz platí, že brzdová hmotnost se rovná skutečné hmotnosti tj. Bv=G, když celkový přítlak zdrží P se
rovná (srov. s výkladem u r. 1)
r. 4
P ≈ (0,7....0,8 ) g G = (0,7....0,8 ) g.Bv
středního zpomalení soupravy pro úplné
provozní brzdění (pro které bylo brzdicí procento stanoveno). Podle [ 13 ] platí s použitím r. 4
postupně
r. 5
ab =
Fb
ξr G
=
P.f
ξr G
=
(0,7...0,8 )g . Bv . f
ξr G
=
(0,7...0,8 )g . f
ξr
B%
B
= k. %
100
100
kde ξ r je redukovaný koeficient rotačních hmot, f střední koeficient tření mezi zdrží a obručí a
k koeficient, který závisí na rychlosti a měrném tlaku ve styku špalíků a obruče (s rychlostí klesá,
s tlakem mírně roste). Pro hrubý odhad lze počítat s hodnotou k ≈ 1 (platí pro rychlost okolo 60 km/h,
2
podrobnější údaje jsou v [ 13 ]). Pak brzdicímu procentu 100% odpovídá zpomalení zhruba 1 m/s .
3.1.5
SOUČINNOST PNEUMATICKÝCH BRZD
Na trakčním vozidle se (kromě jiných) používá především brzda přímočinná a brzda
samočinná. Obě ovšem realizují brzdný účinek prostřednictvím stejných brzdových válců. Kromě
toho brzdiče přímočinné brzdy na vozidlech se dvěma stanovišti bývají v činnosti oba (na rozdíl od
brzdičů brzdy samočinné).
- 20 -
Obr. 16 Součinnost vzduchových brzd (souc_vzd.dwg)
Zásadou pro součinnost pak je, že se má uplatnit největší z požadovaných tlaků od všech
možných zdrojů. K tomu účelu se používají dvojité zpětné záklopky. Zjednodušený příklad pro
lokomotivu se dvěma stanovišti je na Obr. 16. Elektrické ovládání řeší tyto úkoly pouze v některých
případech.
BP a BS označují brzdič přímočinné a brzdič samočinné brzdy, HV je hlavní vzduchojem. Schéma
zachycuje pouze základní funkce, aby zůstalo přehledné.
3.1.6
ELEKTRICKÉ OVLÁDÁDNÍ SAMOČINNÉ BRZDY
Při elektrickém ovládání samočinné brzdy je obecně nutno zajistit všechny funkce původního
brzdiče při řízení tlaku v HP. Používají se k tomu elektropneumatické ventily a další doplňující
zařízení ve vzduchovém obvodu. Z nich nejdůležitější, která nejsou ve schématech nakreslena, jsou
tlaková relé (s funkcí spojitého zesilovače ve vzduchovém obvodu) a šoupátka (odpovídají
elektrickému relé nebo stykači, působí dvouhodnotově). Jsou řízena pomocným vzduchem s malým
průtokem (např. z EPV) a ovládají průtok „výkonového“ vzduchu např. do BV nebo do atmosféry
(například šoupátko při rychlobrzdě).
Základním přístrojem pro ovládání samočinné brzdy je elektrický brzdič a příslušný ovladač (u
ČD označení BSE a OBE, použito ve schématech). Ovladač je nejčastěji vhodně uspořádaný
vícepolohový vačkový přepínač, umístěný na pultu strojvedoucího místo původního brzdiče.
- 21 -
Obr. 17 Elektrický brzdič a další orgány pro řízení samočinné brzdy (souc_vzd.dwg)
Zjednodušené schéma elektrického ovládání samočinné brzdy je na Obr. 17. Vlastní brzdič je
vyznačen čárkovaným ohraničením a zahrnuje EPV pro odbrzdění, nízkotlaké přebití (s ústrojím
lineárního odvětrání pro pomalé vyrovnání tlaku), plnicí švih a provozní brzdění (inverzní EPV). Další
funkce závěru a rychlobrzdy jsou realizovány šoupátky s inverzními EPV.
Obr. 18 Elektrické ovládání samočinné brzdy (souc_vzd.dwg)
Použití elektrického brzdiče zjednodušuje výrazně tlakovzdušné potrubí, protože rozhodující
část vzduchotechnických přístrojů může být soustředěna na jednom místě u brzdiče (pneumatická
deska). Elektrický brzdič zjednodušuje také provedení pultu a umožňuje přirozené zapojení ovládání
samočinné brzdy do ovládání vozidla a je podmínkou pro použití automatizačních postupů pro
brzdění (regulace rychlosti a cílové brzdění).
Na Obr. 18 je blokově naznačen princip elektrického ovládání samočinné brzdy dvěma ovladači a
regulátorem rychlosti (RR).
- 22 -
Obr. 19 Součinnost vzduchových brzd při elektrickém ovládání (souc_vzd.dwg)
Na Obr. 19 je zjednodušené schéma naznačující vzájemné vztahy mezi různými možnostmi
řízení pneumatické brzdy na lokomotivě se dvěma stanovišti, regulátorem rychlosti (RR) a tahu (RT ovládá především trakční motory v tahu i v brzdě - EDB). Potřebné závislosti jsou realizovány
dvojitými zpětnými záklopkami.
Uvedené způsoby elektrického řízení vzduchových brzd se týkaly pouze zařízení trakčního
vozidla a v podstatě realizují jinými prostředky původní způsob řízení. Vlastnosti samočinné brzdy se
nemění, energie pro brzdění i řízení je (ve smyslu předpisů UIC) zajišťováno pouze prostřednictvím
HP.
Při růstu rychlostí vlaků a jejich hmotnosti (a tím i délky) při stávajících vzdálenostech návěstidel
(a tedy potřebných zábrzdných dráhách) však popsaný způsob brzdění představuje omezení. V článku
[ 14 ] se udávají perspektivní požadavky na zátěže
•
pro rychlíky max. 300 km/h délka 400 m, hmotnost 1000 t,
•
pro nákladní vlaky max. 120..160 km/h, délka 700 m, hmotnost 5400 t při nápravovém zatížení
22,5 t nápravu.
Pro jejich splnění při stávajícím umístění návěstidel lze využít zabezpečovacího zařízení, které
umožňuje „vidět“ přes dva oddíly (přenos návěstních znaků na trakční vozidlo, např. LVZ ČD) a tak
prodloužit dráhu, potřebnou k zabrzdění zhruba dvakrát. To může dovolit zvýšit maximální rychlost ze
120 na 140, případně na 160 km/h. V ostatních případech je nutno upravit působení brzdy na
soupravě.
Největší překážkou je přitom nutnost úpravy velkého množství vozidel, a to nejlépe současně,
a ovšem problémy mezinárodního uznání určitého provedení. Z organizačních a ekonomických
hledisek se proto pro nové provedení preferují ucelené jednotky (soupravy), u nichž se
nepředpokládá běžné spojování s jinými vozidly, a to jak pro osobní, tak i pro nákladní dopravu
(ucelené kontejnerové vlaky). Takové jednotky pak lze vybavit systémem brzdění (a dalšími
zařízeními), které vyhovují předpisům především v tom smyslu, že zajišťují stejnou nebo vyšší
- 23 -
bezpečnost. Jejich součinnost s dosavadními systémy může být omezena (například pouze na
ovládání rychlobrzdy).
Při zdokonalování se sledují jednak vlastnosti vozidel a jejich spřahování, jednak technická
omezení vlastního brzdového systému. Volné spřažení především u nákladních vlaků (na rozdíl od
centrálního spřáhla - např. v Rusku a USA) nedovoluje rychlé a nesoučasné změny brzdné síly, neboť
by vznikaly značné podélné rázy a nebezpečí přetržení vlaku nebo vykolejení. Přechází se sice na
brzdění v poloze O, ale při délce vlaku asi 700 m jsou podle [ 14 ] výsledné účinky prakticky stejné.
Kritériem pro účinnost brzdy je zábrzdná dráha. Ta závisí na velikosti brzdné síly a
rychlosti působení. Rychlost působení je omezena
•
velikostí průrazné rychlosti, která je příčinou nesoučasného začátku působení brzdy
(teoreticky je omezena rychlostí zvuku),
•
tím, že všechen vzduch pro celou soupravu při brzdění i při odbrzďování musí procházet
brzdičem na trakčním vozidle (ať klasickým nebo elektricky ovládaným) a danými průtočnými průřezy
potrubí a přístrojů na celé soupravě je omezena rychlost působení.
Velikost brzdné síly je omezena adhezí. Proto lze v závislosti na velikosti nákladu nebo obsazení
vozidla a na rychlosti (srov. Obr. 9) a řídit její velikost. V závislosti na těchto okolnostech je možno
použít větší tlak v BV. Zároveň je obyčejně třeba použít protismykové zařízení.
Technicky poměrně jednoduché řešené představuje elektropneumatická brzda, která podporuje
a urychluje činnost klasické samočinné brzdy a která představuje nástavbu nad standardní
samočinnou brzdou, která zůstává ve funkci (v případě poruchy). Základní uspořádání představuje
Obr. 20 podle [ 10 ].
Obr. 20 Schéma elektropneumatické brzdy (elpneubrzd.bmp)
Vozidla vystrojená touto brzdou mají po celé soupravě propojeno
•
hlavním potrubím HP, které slouží pro řízení brzdy buď v součinnosti s EPV nebo při poruše
standardním způsobem,
•
napájecím potrubím NP s tlakem asi 8 Bar; pomocný vzduchojem PV je plněn jak z HP, tak i
(přes zpětnou záklopku ZZ) z NP vyšším tlakem (obdoba plnicího švihu),
•
třížilovým elektrickým vedením, které je spojováno buď současně s brzdovými hadicemi,
nebo zvláštním kabelem.
- 24 -
Elektrickým signálem vyslaným z trakčního vozidla (většinou přímo z brzdiče) se ovládají EPV pro
brzdění a odbrzďování na vozidlech. Při brzdění se vzduch z HP vypouští také přímo na vozidlech
nabuzením EVB, takže náskok brzdy je rychlejší a současný na všech vozidlech a tlak v BV a
střední brzdná síla může být vyšší.
Při odbrzďování je vzduch do HP doplňován také z PV resp. z NP vyšším tlakem podobně jako při
plnicím švihu, odbrzdění je tedy také rychlejší a současné na všech vozidlech.
Vlastní brzdění je řízeno rozvaděčem jako dříve, který reaguje na změny tlaku v HP.
Elektropneumatická brzda může být kombinována například s kontrolou konce vlaku, se
zásobováním vozidel energií (malé výkony, např. pro napájení protismykového zařízení), se zařízením
pro přemostění záchranné brzdy vyvolané cestujícími ap. ([ 15 ]).
Zásadní řešení naznačených problémů však vyžaduje novou koncepci ovládání brzdy na vlaku
spočívající v dalším odklonu od dosud aplikovaných řešení a v plném využití možností elektroniky.
Uvedeme příklad koncepce EBAS vyvinuté spoluprací řady firem a DB AG podle [ 16 ] a [ 17 ], která
usiluje o mezinárodní uznání a názorně ukazuje perspektivy pronikání procesorové a komunikační
techniky i do tak konzervativního oboru, jako je mechanická brzda, a která také opravňuje
předcházející obšírnější výklad současného stavu.
Obr. 21 Schéma zapojení elektronického řízení brzdy EBAS ([ 17 ]) (ebas.dwg)
EBAS (Elektronische Brems- Abfrage- und Steuerung) si klade za cíl obecně zvýšení
efektivnosti především nákladní železniční dopravy. Cílem je úspora nákladů a urychlení oběhu
vozů. Bylo zjištěno, že největší rezervy jsou při seřazování vlaků, při rozpouštění, sestavování,
kontrole brzd atd. vzhledem k velkému objemu ruční práce. Zároveň se řeší úkoly, popsané u
elektropneumatické brzdy.
Systém je připravován v několika krocích, které postupně rozšiřují možnosti a zároveň ovšem
zvyšují i náklady. Zařízení schématicky znázorněné na Obr. 21 ukazuje již plně rozvinuté provedení.
Z původní samočinné brzdy, která slouží jako záloha, zůstává zachováno
- 25 -
•
HP, které normálně slouží pouze jako napájecí a které procháze celým vlakem se stálým
tlakem 5 Bar,
•
pomocný vzduchojem PV jako zásobník energie pro brzdění na každém vozidle,
•
rozvaděč, normálně neúčinný,
•
vlastní mechanická brzda (zpravidla kotoučová).
Celý systém včetně provozního brzdění se řídí povely z trakčního vozidla (řídicího počítače
EBAS) přes vlakovou sběrnici CAN a informace o činnosti jsou zobrazeny na displeji.
Po spojení vozidel začíná činnost identifikací všech vozidel a následuje zjištění potřebných
informací o stavu jejich brzd, automatické provedení úplné brzdové zkoušky a vyhotovení příslušných
dokumentů (seznam vozů a výsledek brzdové zkoušky).
Dále je možno dálkově zapojit nebo vypojit brzdu jednotlivých vozidel, provádět dálkově
rozpojování automatického spřáhla a kontrolu konce vlaku, přijímat a archivovat diagnostické zprávy
aj.
Za jízdy se ovládá brzda na vozidlech elektronicky a průběžně se kontroluje tlak v BV, těsnost a
funkčnost celého zařízení. Standardní brzdič slouží pouze jako záloha.
Povely z trakčního vozidla se přenášejí sériovou linkou CAN - vlakovou sběrnicí - do řídicích
počítačů EBAS na vozidlech. Ty pak řídí přes elektronický rozvaděč tlak vzduchu v brzdovém válci.
Přitom se bere v úvahu provedení brzdy na daném vozidle, jeho zatížení nákladem nebo osobami,
účinek protismykové ochrany a případně další hlediska. Elektrická zařízení mohou být napájena
z vozové baterie (pokud na vozidle je, na nákladních vozech dosud nebývá) nebo z průběžného
napájecího vedení.
Vozový počítač umožňuje podle povelů z trakčního vozidla komunikovat prostřednictvím vozové
sběrnice s dalšími zařízeními na vozidlech a zajišťovat například:
•
kontrolu teploty nápravových ložisek,
•
dálkové rozpojování automatického spřáhla,
•
blokování upevnění kontejnerů,
•
úplnou diagnostiku ovládaných zařízení.
Podmínkou pro úplné využití uvedených možností je (kromě vybavení vozů a trakčního vozidla
příslušnými zařízeními) užití automatického spřáhla, které zároveň zajistí spolehlivé propojení nejen
HP, ale také vlakové sběrnice a napájení. K tomuto účelu byl navržen bezkontaktní spojovací modul,
který musí zajistit dlouhodobě spolehlivou činnost v extrémně tvrdých podmínkách provozu na
spřáhle.
Podrobnější popis je možno nalézt v uvedené literatuře s tím, že vzhledem k pokračujícímu vývoji
budou mnohé údaje podléhat změnám.
3.2
MECHANICKÉ BRZDY TRAMVAJÍ
Tramvaje a vozidla jim příbuzná nebo z nich odvozená používají zpravidla pouze brzdy
přímočinného typu, zřídka však vzduchové. Protože buď všechny nebo alespoň většina náprav je u
těchto vozidel hnaných, má rozhodující význam brzda elektrodynamická, nejlépe rekuperační.
- 26 -
Vzhledem k typickému provoznímu režimu s velmi častými rozjezdy a brzděním snižuje rekuperace
významně energetickou spotřebu (podle okolností tvoří úspory 25 až 40% proti brzdění do odporu).
Tramvajové sítě jsou lokální a nepředpokládá se většinou spojování vozidel různého druhu, což
umožňuje větší volnost při volbě technických řešení obecně a v tom i provedení brzdy. Rozhodující
jsou přitom bezpečností kritéria, pro brzdu brzdové zpomalení resp. brzdná dráha. Pro brzdové
2
zpomalení při provozním brzdění se požadují hodnoty 1,2...1,4 m/s a při nouzovém brzdění i přes 2
2
m/s a jsou dány kompromisem mezi požadavkem na délku zábrzdné dráhy a nebezpečnými účinky
na cestující. Tato zpomalení nelze bezpečně zajistit adhezními brzdami, zvlášť s ohledem na obecně
horší adhezní podmínky u MHD. Proto hrají významnou úlohu při nouzovém brzdění kolejnicové
brzdy.
Mechanické brzdy na moderních vozidlech jsou výhradně kotoučové a slouží jako záskok při
poruše brzdy elektrodynamické, pro dobrzďování v nízkých rychlostech a pro zajištění vozidla v klidu
(společně s kolejnicovými brzdami a pružinovými zajišťovacími brzdami, viz dále).
Mechanické brzdy jsou nejčastěji elektrohydraulické nebo elektrické (vynecháme li brzdu ruční).
Zdrojem síly u elektrohydraulických brzd je stlačené kapalina (hydraulický olej) o tlaku zhruba
70...150 Bar (7...15 MPa). Kapalina je stlačena zpravidla zubovým čerpadlem s pohonem
elektromotorem a uchována v akumulátoru, což je tlaková nádoba s membránou. Do ní se kapalina
stlačuje proti tlaku plynu, například dusíku, který je od kapaliny membránou oddělen. Akumulátor
slouží jako zásoba energie pro brzdění. Vlastním zdrojem síly, která svírá brzdové čelisti, pak může
být
•
pružina, jejíž síla na čelisti se tlakem v hydraulickém válci zmenšuje; pak hovoříme o
pružinové
brzdě
(Spring
applied
elektro-hydraulic
brake)
nebo
pasivní
brzdě
(Passiver
Krafterzeuger), která může sloužit i jako brzda parkovací, protože bez tlaku kapaliny je brzda
zabrzděna,
•
přímo působící síla tlakové kapaliny, pružina je pak pouze vratná.
Brzdový účinek musí být u provozní brzdy v obou případech regulovatelný. Jistá obdoba mezi
samočinnou a přímočinnou vzduchovou brzdou je zřejmá.
Blokové schéma pro obě uvedené varianty je na Obr. 22 (podle [ 18 ]). Pro hydraulická schémata
se používá jiných značek, v dalším pro jednoduchost použijeme pro několik uvedených příkladů již
zavedené značky podle Tab. 1. Zařízení se skládá ze zdroje tlakové kapaliny a brzdové jednotky.
Zdroj tvoří čerpadlo, které stlačuje kapalinu ze zásobníku přes zpětnou záklopkou do akumulátoru.
Jeho motor je ovládán tlakovým spínačem s vhodnou hysterezí. Řízení brzdové síly se provádí
pomocí dvou elektrohydraulických ventilů (EHV 1 a EHV 2), z nichž jeden (EHV 1) zvyšuje tlak v BV a
odbrzďuje a druhý (EHV 2, inverzní z důvodů bezpečnosti) tlak snižuje. Tím se uvolňuje pružina
vyvozující přítlak čelistí při brzdění. Řízení zajišťuje regulátor, který zpracovává jednak požadovanou
hodnotu brzdné síly, jednak skutečnou hodnotu tlaku v BVzískanou prostřednictvím převodníku tlaku.
V horní části je zobrazeno uspořádání, kdy brzdnou sílu vyvozuje pružina a tlak kapaliny ji snižuje.
Pak EHV 3 (inverzní) zajišťuje při ztrátě napájení nouzové brzdění zavřením vstupu a vypuštěním
kapaliny z BV.
- 27 -
Obr. 22 Zjednodušené schéma elektrohydraulické brzdy (hydr_br.dwg)
V dolní části Obr.
22 je naznačeno uspořádání, kdy je brzdná síla vyvozena přímo tlakem
kapalina v BV (EHV 3 se nepoužije). Ztrátou tlaku se odbrzďuje. První způsob je přirozeně
bezpečnější a častější. O dalších aspektech a o použití pružinové brzdy jako brzdy zajišťovací bude
pojednáno dále.
Obr. 23 Elektrohydraulická brzda HYS 101 ([ 19 ]) (hk.bmp)
Konstrukčně bývá celý komplex potřebných zařízení včetně elektroniky uspořádán do kompaktní
brzdové jednotky tak, aby byla zajištěna její autonomní funkce. Při poruše na jedné jednotce pak
nejsou ostatní ovlivněny a ztráta na brzdné síle je minimální možná. Příklad provedení
elektrohydraulické pružinové brzdové jednotky HYS 101 s čelisťovou brzdou podle [ 19 ] je na Obr.
23. Její parametry jsou: přítlačná síla 10 kN, hmotnost 50 kg, elektronika a zdroj tlakové kapaliny HZYK100 je na obrázku vpravo. Jako zdroj tlakové kapaliny zde nepoužívá akumulátor, ale čerpadlo běží
trvale a „nepoužitá“ kapalina se vrací do zásobníku. V tomto případě je brzdová jednotka připojena
pouze kabelem a řízena elektricky, hydraulické obvody jsou v každé jednotce zcela autonomní.
Příklad elektrického řízení brzdy pro kolejové vozidlo je na Obr. 24 (podle [ 20 ]). Kodér převádí
požadovanou brzdnou sílu zadanou ovladačem do tvaru šířkově modulovaného elektrického signálu,
který je rozveden do všech spojených vozidel resp. brzdových jednotek. Na nich se v procesorovém
dekodéru a regulátoru řídí brzdová síla podle zadaného požadavku s ohledem na momentální účinek
- 28 -
elektrodynamické brzdy a skutečné zatížení (obsazení) vozidla s případným omezením při nebezpečí
smyku. V daném případě má vlastní nezávislé řízení brzdy každý podvozek.
Obr. 24 Zjednodušené schéma řízené elektrohydraulické brzdy (podle [ 20 ]) (hydr_br.dwg)
Jako varianta k elektrohydraulické brzdě se používá brzda elektromechanická, kterou se v této
souvislosti rozumí přímá obdoba popsaného hydraulického systému. Ve verzi „samočinné“, pasivní
brzdy je motoricky stlačována pružina, která při uvolnění vyvozuje brzdnou sílu.
Starší provedení podle [ 22] je na Obr. 25. Motor přes planetovou převodovku otáčí excentrem,
který stlačuje nebo povoluje talířovou pružinu, a ta je zdrojem brzdicí síly. V odbrzděném stavu
(pružina stlačena) je motor zabrzděn elektromagnetickou brzdou. Při jejím uvolnění se motor může
pod vlivem síly talířové pružiny otáčet i bez přívodu energie (neřízené brzdění). Otáčením motoru do
potřebné polohy řídí velikost síly pružiny (řízené brzdění i odbrzdění). Systém je řízen elektronicky (v
daném případě ještě bez procesoru).
Obr. 25 Pružinová brzda řízená elektromotorem podle [ 22 ] (elb.bmp)
- 29 -
V jiných provedeních mohou být motory i dva, z nichž jeden pružinu „napíná resp. stlačuje“ a
vytváří tak zásobu energie a druhý řídí brzdný účinek. Příklad takové moderní brzdy podle [ 21 ] je na
schematickém Obr. 26 a v „rozloženém stavu“ na Obr. 27.
Obr. 26 Elektromechanické pružinová brzda SAB Wabco (sab2.bmp)
Vesměs se u všech takových brzd jedná o poměrně komplikované mechanické systémy, které
zajišťují i další funkce, především samočinné nastavování odlehlosti čelistí od brzdových kotoučů a
různé možnosti ručního ovládání brzdy, zvláště v případech, kde je brzda využívána jako zajišťovací
(viz kap. 5).
Obr. 27 Brzdová jednotka z Obr. 26 v „rozloženém“ zobrazení (sab1.bmp)
Z uvedeného je patrné, že u tramvají jde sice o brzdové systémy, analogické systémům,
používaným na železničních vozidlech, ale vzhledem k tomu, že není nezbytné trvat na rozsáhlé a
dlouhodobé unifikaci mezi všemi používanými systémy, jsou provedení pestřejší a může se v jejich
konstrukci snadněji prosazovat moderní technika. U novějších zařízení je procesorové řízení a
sériová komunikace i při ovládání brzd běžná. Spolehlivost těchto systémů je tedy nepochybně na
potřebné výši.
Brzdový účinek může být vyvozován různými způsoby (elektrodynamicky, kotoučovými nebo
kolejnicovými brzdami). Jejich využívání a spolupráce v provozu podobně jako u výše popsaných
vozidel železničního typu je v provozu různé. Například pro tramvaje a lehká kolejová vozidla se
rozeznává několik způsobů brzdění v závislosti na způsobu jeho zavedení:
- 30 -
•
provozní brzdění, zpravidla elektrodynamické mimo nejnižší rychlosti, kdy se přechází na
brzdu mechanickou popřípadě zajišťovací; ovládá ho řidič při běžném provozu,
•
Nouze 1: plné provozní brzdění, které zadává řidič,
•
Nouze 2: poplach od cestujících, který je zadán ovladačem z prostoru pro cestující; většinou je
brzdění
vázáno
na
souhlas
řidiče (obdoba
blokování
záchranné
brzdy strojvedoucím
u
elektropneumatických brzd na železnici),
•
Nouze 3: zavádí řidič nebo automatický systém řízení a odpovídá přibližně rychlobrzdě na
železničních vozidlech,
•
Nouze 4: „červené tlačítko“ na stanovišti řidiče, zavádí maximální brzdění a může iniciovat i
další funkce; z hlediska brzdění odpovídá přibližně záklopce v hlavním potrubí na stanovišti.
Někdy se definuje ještě brzdění bezpečnostní, které ale obecně nemusí vyžadovat nejvyšší
hodnotu zpomalení.
Pro jednotlivé režimy jsou stanoveny způsoby brzdění (použité systémy a jejich spolupráce) a
požadované hodnoty zpomalení. Vzhledem k tomu, co bylo na začátku uvedeno o individuálním
řešení těchto vozidel pro různé lokality mohou být požadavky na konkrétní vozidlo dosti různé.
- 31 -
4. Kolejnicové brzdy
4 KOLEJNICOVÉ BRZDY
Kolejnicové brzdy jsou neadhezní třecí brzdy. Brzdná síla vzniká třením mezi pólovými nástavci
magnetů, upevněných na rámu podvozku, které jsou magnetickou silou přitlačovány k hlavě kolejnice.
Velikost brzdné síly závisí na délce magnetu, velikosti jeho buzení a na materiálu nástavců a
kolejnice. Při brzdění se nástavce přirozeně opotřebovávají podobně jako špalíky a proto se
kolejnicová brzda používá
•
jako brzda nouzová, často společně s rychlobrzdou,
•
jako brzda pro dobrzdění v nejnižších rychlostech,
•
brzda parkovací a/nebo zajišťovací.
Pro její nezávislost na adhezi se již odedávna používala na tramvajích pro dosažení krátkých
zábrzdných drah v pouličním provozu. V poslední době se kolejnicová brzda ze stejných důvodů a pro
stejné účely běžně používá u jednotek a souprav pro vysoké rychlosti. Kolejnicové brzdy zpravidla
nemají regulaci účinku, jsou ovládány „dvojhodnotově“, zabrzděno-odbrzděno. Proto se nehodí jako
brzdy provozní.
Z hlediska
konstrukčního
provedení
rozeznáváme
dvojí
provedení:
nízkozavěšené
(Tiefaufhängung) a vysokozavěšené (Hochaufhängung) [ 9 ].
Nízkozavěšené kolejnicové brzdy se používají typicky na tramvajích a vozidlech s rychlostí do
asi 100 km/h. Jsou zavěšeny na vratných pružinách ve vzdálenosti 8-10 mm nad hlavou kolejnic a při
nabuzení se magnetickou silou přitisknou na kolejnice.
Vysokozavěšené kolejnicové brzdy jsou připevněny na samostatném rámu, který zajišťuje
jejich vzdálenost od kolejnic pokud se nebrzdí alespoň 55 mm. Před zabrzděním se tento rám
vzduchovými válci, na kterých je na podvozku zavěšen, spustí proti síle vratných pružin a tak se
dostanou magnety do pracovní polohy. Tento systém se používá také u dříve zmíněných vířivých
brzd.
Magnetické síly lze vyvolat elektromagnetem nebo i permanentními magnety. Elektromagnetické
brzdy musí být napájeny z baterie, která na to musí být vzhledem k poměrně velké spotřebě
dostatečně dimenzována. Příklad provedení tramvajové kolejnicové brzdy ČKD (použití na
úzkokolejnou soupravu EMU89 pro TEŽ) je na Obr. 28.
- 32 -
Obr. 28 Kolejnicová brzda EMU 89 pro TEŽ (ČKD) (emu89.bmp)
Pro orientaci jsou v Tab. 2 uvedeny parametry vybraných kolejnicových brzd podle [ 9 ] pro různé
typy vozidel (v závislosti na šířce hlavy kolejnice a pro různé délky brzdových nástavců.
Tab. 2 Hlavní parametry kolejnicových brzd podle [ 9 ] - výběr (knor_kol.bmp)
Typ
Rozměry
Přitažlivá
Délka
Hmotnost
Poznámka
mm
síla kN
nástavců mm
kg
GL.60
32
600
80-95
Šířka hlavy
Gl. 70
45
750
90-110
50-56 mm
Gl. 80
60
1000
120-150
Tramvaje,
Gl. 90
60
850
110-120
metro
Nm.60
43
600
70-80
Šířka hlavy
Nm. 80
57
800
90-100
55-65 mm
Nm. 100
72
1000
115-130
Městská a
Nm.120
86
1200
135-150
podzemní
dráha
DD.Gl 80S
65
1000
150-180
Šířka hlavy
DD.Gl 100
84
1000
170-210
přes 65 mm
DD.Gl 110
92
1100
190-220
Osobní a
DD.Gl 120
100
1200
210-240
DD.Gl 130
108
1300
220-250
- 33 -
nákladní
vozy
Jak již bylo uvedeno, používají se magnetické brzdy i u rychlých souprav. Příklad provedení na
ICE je na Obr. 29 ([ 23 ]). Jedná se přirozeně o brzdu vysokozavěšenou, jak je z obrázku patrné.
Porovnání jejího účinku s vířivou brzdou bez doteku s kolejnicí (bez opotřebení) a v případě kdy je
použita jako kolejnicová (bez vzduchové mezery), je v diagramu na Obr. 30. Odtud je zřejmá „cena“
za bezkontaktní účinky vířivé brzdy.
Porovnání účinku kolejnicové brzdy s ostatními systémy brzd při nouzovém brzdění soupravy ICE
je zřejmé z Obr. 36, uvedeného dále.
Kolejnicové brzdy kromě vlastního brzdného účinku zlepšují současně podmínky pro práci
adhezních brzd, protože třením o kolejnice čistí jejich povrch a tak zvyšují koeficient adheze, zvlášť
důležitý právě při nouzovém brzdění.
Obr. 29 Kolejnicová elektromagneticá brzda na podvozku rychlé soupravy ICE 1
(kol_ice.bmp)
- 34 -
Obr. 30 Porovnání závislosti brzdné síly kolejnicové a vířivé brzdy (viriva.bmp)
V souvislosti s vývojem magnetických materiálů ze vzácných zemin byly zkonstruovány
kolejnicové brzdy buzené permanentními magnety. U nich nelze přirozeně magnetické účinky
„vypnout“ a jedinou možností je „převést“ magnetický tok změnou polohy budicí části s permanentním
magnetem tak, aby tok buď procházel (zabrzděno) nebo neprocházel (odbrzděno) do hlavy kolejnice.
To lze provést různým způsobem.
Jeden z nich je znázorněn na Obr. 31. Válcové těleso s permanentním magnetem lze (pomocí
vzduchového válce) otáčet tak, že tok buď prochází do hlavy kolejnice (poloha podle Obr. 31), nebo
je „spojen nakrátko“ materiálem jha při pootočení o 90°.
Obr. 31 Kolejnicová brzda s permanentím magnetem, zabrzděno (perm_m.bmp)
Druhý případ podle SAB Wabco Tebel ([ 24 ]) má permanentní magnet uspořádán v pístu
vzduchového válce s nemagnetickými vložkami ve střední části. Obě pracovní polohy jsou naznačeny
na Obr. 32 a jsou přestavovány stlačeným vzduchem, přivedeným pod nebo nad píst.
- 35 -
Obr. 32 Vzduchem ovládaná kolejnicová brzda s permanentními magnety, zabrzděno
(perm_md.bmp), odbrzděno (perm_mh.bmp)
Významným problémem při návrhu těchto brzd je výběr materiálu nástavců. Při brzdění nesmí
vznikat magnetické třísky, které by mohly vytvořit magnetický šent mezi nástavci a tak snížit účinek
brzd.
Uvedené typy kolejnicových brzd jsou určeny pro vyšší rychlosti a proto jsou upevněny na rámu,
který je spouštěn (dalšími) vzduchovými válci proti odporu zvedacích pružin. Postup při brzdění je
tedy: spustit rám, „zapnout“ – otočit, resp. spustit magnety. Při odbrzdění je postup opačný. Vratné
pružiny musí přitom překonat zbytkovou sílu magnetů.
Posledně jmenovaný systém byl použit na elektrickém motorovém voze soupravy 471 ČD.
Způsob ovládání je znázorněn na Obr. 33.
- 36 -
Obr. 33 Elektropneumatické schéma a schéma ovládání magnetické brzdy elektrického
motorového vozu řady 471 (471mgbr1.dwg)
Pro činnost jsou rozhodující 4 nezávislé veličiny“
•
tlak v pomocné jímce doplňovaný přes zpětný ventil z napájecího potrubí NP (je na soupravě
propojeno),
•
tlak v hlavním potrubí HP,
•
stav nabuzení EPV Y525.Z,
•
stav nabuzení EPV Y525.O.
Všechny možné kombinace, výsledné působení a charakteristické provozní situace jsou uvedeny
v Tab. 3 (neuvedené stavy řídicích veličin nemají na činnost v daném případě vliv).
Tab. 3 Stavy magnetické kolejnicové brzdy podle Obr. 33 a jejich ovládání
Provozní stav vozidla
Jímka
Vozidlo bez vzduchu
0
HP
Y525.Z
Y525.O
Stav brzdy
Brzda zachovává poslední
stav, nelze ji ovládat
Tlak jen v pomocné jímce
tlak
0
vyp
Zabrzděno, odstavení nebo
rychlobrzda
zap
Provozní stav
tlak
tlak
vyp
Lokálně zabrzděno Y525.O
zap
Lokálně odbrzděno Y525.O
vyp
Centrálně zabrzděno Y525.Z
zap
Centrálně odbrzděno Y525.Z
Magnetická kolejnicová brzda (MKB) je využívána jednak pro zvýšení brzdného účinku při
rychlobrzdě, jednak jako brzda zajišťovací (na vozidle je i klasická brzda ruční) a je možno ji ovládat
centrálně (strojvedoucím) nebo lokálně z vozidla při jeho odstavení.
Při normálním provozu je EPV Y525.O bez napětí, EPV Y525.Z trvale pod napětím. Brzda je
proto odbrzděna. Při poklesu tlaku v HP pod 2,5 Bar (rychlobrzda) nebo při ztrátě napětí na EPV
Y525.Z tlak z pomocné jímky způsobí zabrzdění.
Při řízení MKB jako zajišťovací, řízené strojvedoucím (ručně) jsou využity krajní polohy
ovládače přímočinné brzdy, který má polohy O2, O1, X B1, B2. V poloze O1 se snižuje účinek
přímočinné brzdy, v poloze O2 (aretované) se odbrzďuje přímočinná i MKB. V poloze B1 se zvyšuje
účinek přímočinné brzdy, v poloze B2 je navíc zabrzděna i MKB, ale teprve po poklesu rychlosti pod
asi 2 km/h. V poloze X se dosažený stav nemění. Při tom se předpokládá, že je vzduch v hlavních
jímkách (v NP) i v HP a ovládání všech MKB se provádí ovládáním všech EPV Y252.Z přes
komunikaci z centrálního počítače.
Při lokálním ovládání se předpokládá, že stykač baterie je na všech vozech centrálně vypnut.
Tím je znemožněno dálkové ovládání po komunikaci. Při tom odpadá relé K 150 a svými klidovými
kontakty umožňuje ovládání MKB daného vozidla dvěma tlačítky v zadním nástupním prostoru vozidla
pokud je v pomocné jímce dostatečný tlak vzduchu. Po opětném zapnutí stykače baterie dojde (pokud
- 37 -
je v pomocné jímce vzduch) k zabrzdění. Odbrzdění provede strojvedoucí centrálně po naplnění jímky
z NP.
Jednorázové a trvalé odbrzdění (až do opětného připojení stlačeného vzduchu) lze provést také
ručně speciálním přípravkem přímo na brzdovém zařízení.
Ke kolejnicovým brzdám, ovšem zcela jiného druhu, lze přiřadit i brzdy na spádovištích. Ty ale
nejsou součástí vozidel, nýbrž zařízení kolejiště. Slouží k řízenému brzdění jednotlivých nákladních
vozů na spádovištích při rozpouštění tak, aby jejich rychlost při dojíždění k již rozřazeným vozům byla
přiměřená. Brzdění se provádí tak, že se ke kolům brzděného vozidla přitisknou z obou stran ocelové
trámce, rovnoběžné s kolejnicemi. Brzdný účinek se řídí přítlačnou silou. Jsou důležitou součástí
automatizačního systému seřaďovacích prací, ale mohou být ovládány i ručně. Podrobněji se jimi
zabývat nebudeme.
- 38 -
5. Zajišťovací a parkovací brzdy
5 ZAJIŠŤOVACÍ A PARKOVACÍ BRZDY
Zajišťovací brzda slouží k trvalému zajištění vozidel v klidu i při dlouhodobém odstavení a na
spádu. Protože se nepředpokládá její použití za jízdy (pokud neslouží zároveň jako například
nouzová), postačuje zpravidla její řízení pouze ve dvou stavech: zabrzděno/odbrzděno. Kromě toho
se ale požaduje, aby bylo tuto brzdu možno bez přivedení energie a bez přítomnosti
kvalifikovaného personálu (strojvedoucího) odbrzdit a opět zabrzdit (při manipulaci a posunu
jednotlivých vozidel).
Tuto úlohu od počátku zajišťovala brzda ruční, která výše uvedené požadavky zřejmě splňuje,
neboť byly z jejích vlastností odvozeny. Na podvozcích se špalíkovými brzdami její použití působí
konstrukční komplikace, u kotoučových brzd, kterými jsou vybavena prakticky všechna moderní
vozidla, se v klasickém provedení používá zřídka.
Jako náhrada ruční brzdy slouží zpravidla pružinová brzda nebo kolejnicová brzda
s permanentními magnety. Obě splňují požadavek trvalého účinku, ale u obou je požadavek
neomezeného opakovaného použití bez přívodu energie prakticky nesplnitelný.
Zásoba tlakové kapaliny u hydraulických brzd může umožnit jen omezený počet cyklů odbrzdit/
zabrzdit stejně jako omezená kapacita a těsnost pomocné jímky z Obr. 33. Po vyčerpání této zásoby
je třeba použít například ruční hydraulické pumpy, ručního napínání brzdových pružin mechanicky
(klikou) a jiných podobných způsobů. Některé systémy dovolují ručně a trvale brzdu odbrzdit (viz táhlo
na Obr. 27), pro zabrzdění však je třeba připojit vozidlo na standardní zdroj energie (zapnout baterii
a/nebo přivést stlačený vzduch).
Další komplikaci představuje u některých systémů a při některém z nouzových způsobů ovládání
nutnost provést ruční manipulaci u každé brzdové jednotky zvlášť (tím spíše, čím jsou navzájem
nezávislejší).
Pružinové zajišťovací brzdy jsou velmi rozšířené u všech typů kolejových vozidel. I brzdové
jednotky pro kotoučové brzdy ovládané stlačeným vzduchem (pro železniční vozidla) bývají vyráběny
v provedení bez nebo se zajišťovací pružinovou brzdou.
Místo ovládání pružinové brzdy pomocí elektromotoru byly dříve používány i elektromagnety,
které při nabuzení uvolnily brzdu podobně jako například u výtahových motorů. Na moderních
vozidlech se nepoužívají.
Bezprostřední ovládání těchto brzd je zpravidla prosté. Pro zajištění dalších požadavků je však
nezbytné jejich zapojení do systému řízení a diagnostiky celého vozidla. Například bývá nutné
•
ovládat brzdy dálkově i místně (na odstaveném vozidle),
•
umožnit nebo naopak. znemožnit opakované použití bez přívodu energie, obnovit plnou funkci
po nouzovém ovládání a diagnostikovat skutečný stav,
•
zajistit spolupráci s ostatními brzdami, pokud se zajišťovací brzdy používají i za provozu,
•
kontrolovat činnost jednotlivých kolejnicových brzd na podvozku (zda působí současně
kolejnicové brzdy na obou stranách).
Tak se zajišťovací brzda stává nedílnou systému řízení brzd a vozidla jako celku. Příklad
ovládání byl uveden v předchozí kapitole 4, příklad jejich začlenění do celého systému na Obr. 35.
- 39 -
5. Zajišťovací a parkovací brzdy
Parkovací brzdy mají rovněž udržet vozidlo v klidu, nepředpokládá se ale jejich použití pro
brzdění za pohybu (nejvýše pro dobrzďování pro rychlosti pod 5 km/h) a pracují rovněž ve dvou
stavech. Narozdíl od zajišťovací brzdy se předpokládá jejich činnost pouze v provozních stavech
vozidla a jsou ovládány strojvedoucím (řidičem) nebo automatickým systémem řízení.
Technické řešení bylo již na různých místech popsáno. Jako parkovací mohou zřejmě pracovat
brzdy zajišťovací i brzdy provozní různého typu, pokud jsou vhodným způsobem řízeny.
- 40 -
6. Preference a součinnost brzd
6 PREFERENCE A SOUČINNOST BRZD
Z důvodů bezpečnosti jsou pro vozidla předepsány vždy alespoň dva na sobě nezávislé systémy
brzd. Ve skutečnosti bývá situace podstatně složitější. Z předešlého výkladu je zřejmé, že různé typy
brzd mají různý účinek, různé možnosti řízení, různou závislost brzdového účinku na rychlosti a
různé podmínky pro svoji činnost. Proto je nezbytné řešit preferenci (prioritu, přednost) brzdových
systémů vzhledem k ostatním systémům vozidla, jednotlivých brzd mezi sebou i různých možností
jejich ovládání.
Podobně je nezbytné určit možné kombinace současně působících brzd tak, aby bylo
dosaženo potřebného brzdového účinku bez nebezpečí smyku, efektivně a především bezpečně.
Obecně lze říci, že čím univerzálnější je trakční vozidlo, tím více způsobů brzdění může
využívat. Proto se v této kapitole budeme setkávat především se systémy užívanými na lokomotivách.
Strojvedoucí má zpravidla možnost řídit odděleně různé druhy brzd jednak přímo, jednak nepřímo
např. zadáním rychlosti nebo vzdálenosti cíle, a kromě toho může být zařízení vozidla ovlivněno i
signály z trati.
Většina naznačených úkolů je řešena v řídicích obvodech vozidla, které řídí a kontrolují všechny
důležité komponenty výzbroje vozidla. Použitá technika může být různá, na moderních vozidlech
převážně procesorová. Vzhledem k významu pro bezpečnost bývá prakticky vždy doplněna i
„klasickými“ obvody, které zabezpečují alespoň kritické funkce (nouzové brzdění ap.).
6.1
PREFERENCE
Je třeba si uvědomit, že strojvedoucí i při ručním řízení má často možnost zadat zařízení
současně různé, navzájem si odporující povely. Například ovladače vzduchových brzd a ovládání
tahu nebývají navzájem přímo blokovány (vazba se provádí tlakovým spínačem v potrubí k brzdovým
válcům). Tím spíše může taková situace nastat, jestliže je možné řízení ruční i automatické a v
případě různých požadavků od automatického řízení (např. při brzdění k různým cílům s různými
cílovými rychlostmi).
Všeobecně se předpokládá, že brzdění a zastavení je stav nejbezpečnější. Nemusí to být ve
všech případech pravda. Jako příklad se uvádí obyčejně zastavení vlaku (například hořícího) v tunelu
nebo na mostě, kdy je evakuace osob nebo hašení ztíženo nebo znemožněno, nebo u vozidel metra.
Proto se v případech, kdy zabrzdění může být způsobeno „cizím zásahem“ (cestujícími, automatickým
řízením) ponechává konečné rozhodnutí často na strojvedoucím, který má možnost blokovat účinek
(elektricky řízené) záchranné brzdy. Názory na tento problém však nejsou jednotné.
Zřejmým požadavkem je zajistit přednost brzdění proti tahu nebo výběhu. Nejjednodušeji se to
zajistí tlakovým spínačem na HP a/nebo na BV, který dá signál pro zrušení tahu. Při tom ovšem
přechod z tahu do brzdy musí být přiměřeně plynulý, aby změny zrychlení nebyly nebezpečné osobám
nebo nákladu.
V praxi je třeba umožnit i při tahu jistou míru brzdění, obyčejně přímočinnou brzdou. Například při
rozjezdu do stoupání těžké soupravy, zabrzděné přímočinnou brzdou musí tažná síla nejprve překročit
velikost síly od stoupání a jízdních odporů, aby po odbrzdění souprava nezačala couvat. Přídavné
- 41 -
brzdy se také používá při zhoršených adhezních podmínkách, při najíždění, „natlačování“ při
spřahování ap.
Podobným požadavkem je zajistit přednost brzdění před odbrzďováním. I zde mohou existovat
oprávněné výjimky, o kterých byla již v úvodu zmínka. Kromě toho také v případech, kdy je účinek
jednoho systému brzd nahrazován jiným (například elektrodynamická brzda mechanickou), by neměl
výsledný brzdný účinek klesnout (ovšem ani vzrůst tak, aby došlo ke smyku).
Z hlediska efektivnosti provozu má elektrodynamické brzdění přednost před mechanickým a
přitom rekuperační brzdění před odporovým. Většina nových vozidel zvláště na stejnosměrný
systém má kromě rekuperačního i odporové brzdění a umožňuje dělit brzdový výkon mezi rekuperaci
a odporník v závislosti na momentálních poměrech v síti. Odporové brzdění může být nezávislé,
rekuperační je vždy závislé. Popis řešení byl uveden v ETRI a II.
Provozní třecí brzda představuje na trakčních vozidlech zálohu k brzdění elektrodynamickému,
na ostatních, nepoháněných vozech je hlavní provozní brzdou. Pouze třecí brzda je schopna brzdit až
do klidu a udržet v něm soupravu a obecně se také předpokládá, že tato brzda je spolehlivější než
brzda elektrodynamická. Z hlediska bezpečnosti je nezbytná. O různých možnostech pojednávaly
předchozí odstavce.
6.2
SOUČINNOST BRZD
Různé systémy brzd mají různé vlastnosti, zejména závislost na adhezi, na rychlosti jízdy a
dalších okolnostech (například odběr rekuperované energie sítí a její napětí).
Pro dosažení potřebného brzdného zpomalení a brzdné dráhy bývá účelné nebo dokonce
nezbytné kombinovat různé brzdové systémy. Přitom ovšem musí být zajištěno, že adhezní brzdy
nezpůsobí smyk se všemi jeho nebezpečnými důsledky (prodloužení zábrzdné dráhy, poškození
vozidel atd.). U neadhezní brzdy ovšem toto nebezpečí nehrozí.
V dalším se podrobněji zmíníme o součinnosti pneumatické a elektrodynamické brzdy na
železničních trakčních vozidlech, konkrétně provozovaných na ČD. Na lokomotivách s pulzní
(případně tyristorovou) regulací je odporová brzda řízena dvojím způsobem: jednak v závislosti na
požadovaném účinku samočinné brzdy, jednak přímo strojvedoucím speciálním ovladačem.
Zjednodušené schéma brzdy (samočinné, přímočinné, odporové, parkovací a rychlobrzdy od LVZ) a
jejího ovládání je na Obr. 34.
Ovládání přímočinné, parkovací a LVZ brzdy bylo již popsáno. Součinnost odporové brzdy se
samočinnou brzdou na trakčním vozidle je zajištěna tím, že pro ovládání obou je použit pouze jediný
ovladač - ovladač samočinné brzdy, který řídí brzdění na celé soupravě prostřednictvím změn tlaku
v HP.
Jestliže na lokomotivě začne rozvaděč plnit BV vzduchem, je jeho tlak v p/e převodníku použit
jako povel k zahájení odpovídajícího stupně odporového brzdění a blok řízení EDB (součást
regulátoru tahu) začne budit trakční motory, pracující jako dynama. Pokud je dosaženo určité
minimální velikosti brzdného proudu, uzavře ventil součinnosti (VS) přívod vzduchu do BV a
pneumatickou brzdu na lokomotivě odbrzdí, aby se předešlo přebrzdění. Vlak tedy brzdí vzduchem
samočinnou brzdou a lokomotiva (přibližně) stejným účinkem elektricky. Tento stav trvá, pokud jsou
- 42 -
splněny podmínky pro odporové brzdění (pokud je v troleji napětí, potřebné pro buzení, dostatečná
rychlost ap.). V opačném případě se ventil součinnosti otevře a obnoví plnění BV lokomotivy na
úroveň stejnou jako na soupravě. Elektrické brzdění se přeruší.
Obr. 34 Zjednodušené schéma součinnosti jednotlivých brzdných systémů na
lokomotivách ČD s plynulou regulací (soucin.dwg)
Přímé řízení pouze elektrické brzdy se v tomto případě provádí plněním prostoru spojeného
s převodníkem pomocí dvou EPV podobně jak bylo popsáno při řízení přídavné brzdy, Obr. 12.
Řízení elektrické brzdy pak reaguje na větší z obou požadavků na tlak v BV, vyjádřených tlakem
vzduchu na vstupu p/e převodníku.
Na schématu je také uveden tlakový spínač blokující tah při překročení tlaku vzduchu v BV, ať je
dosažen jakýmkoliv způsobem.
Jako druhý příklad nového vozidla ČD uvedeme na Obr.
35 zjednodušené schéma celého
vzduchového obvodu elektrického motorového vozu řady 471. Téměř všechny dříve popsané způsoby
brzdění lze rozeznat (také permanentní kolejnicovou brzdu a doplňkovou brzdu). Kromě toho jsou
zakreslena i další zařízení: kompresor, pomocný kompresor, přístroje se vzduchovým pohonem,
pohon sběrače, vzduchové vypružení atd. Ze schématu je patrné, jak široce je vzduchové schéma
propojeno s elektrickým
- 43 -
Obr. 35 Zjednodušené schéma vzduchových obvodů elektrického motorového vozu 471
(471pneu.dwg)
- 44 -
Na závěr je na Obr. 36 ([ 8 ]) uveden příklad rozdělení brzdových účinků mezi jednotlivé
druhy brzd a na jednotlivých vozidlech soupravy ICE při rychlém brzdění z rychlosti 280 km/h.
Souprava se skládá ze dvou hlavových trakčních vozidel vybavených elektrodynamickou a
kotoučovou vzduchovou brzdou a ze 12...14 vložených vozů brzděných kotoučovými brzdami a
brzdami kolejnicovými. V diagramu je znázorněn i účinek jízdního odporu. Střední brzdové zpomalení
2
odpovídá hodnotě asi 1,5 m/s . Při neschopnosti elektrodynamické brzdy hlavového vozidla je její
účinek nahrazen brzdou kotoučovou.
Kolejnicové brzdy byly na ICE s úspěchem zkoušeny až do rychlosti 330 km/h a dovolené
opotřebení nástavců odpovídalo celkové délce brzdění asi 2000 km, což odpovídá více než 1000
brzdění z rychlosti 200...250 km/h. Pro rychlosti nad 300 km/h je však bude nutno s ohledem na
opotřebení nahradit brzdami vířivými.
Obr. 36 Součinnost brzd při nouzovém brzdění na ICE (sou_ice.bmp)
- 45 -
7. Literatura
7 LITERATURA
[ 1 ] Denzin, P.: Leitfaden der Bremstechnik, Transpress VEB Verkag, Berlin 1968
[ 2 ] -: Vyhláška UIC 544-2 z r. 1983
[ 3 ] Aeberhard, M., Meier, A., Meyer, M.: Selbsterregte Beharrungsbremse für umrichtergespeiste
Zahnradbahn-Triebfahrzeuge, Elektrische Bahnen 91 (1993) č. 3, str. 94-99
[ 4 ] Hendrichs, W.: Versuche mit linearen Wirbelstrombremsen. Messungen mechanischer
Grösse, ZEV-Glas. Ann. 109 (1985) č. 9 str. 375-381
[ 5 ] Gerhard, T.: Neuentwicklungen für den ICE 3, ETR 46 (1997) č. 7/8 str. 427-432
[ 6 ] Kröger, U.: Prinzip, Entwicklung und Konstruktion der Wirbelstrombremsen, ZEV-Glas. Ann.
109 (1985) č. 9 str. 368-374
[ 7 ] Dobler, R.: Die Wirbelstrombremse - Erkenntnisse aus dem Versuchseinsatz bei der
Deutschen Bundesbahn, ETR 37 (1988) č. 12 str. 31-36
[ 8 ] Braun, A.: Bremsen für Hochgeschwindigkeitszüge, ETR 35 (1986) č. 11 str. 759
[ 9 ] - : Handbuch Bremstechnische Begriffe und Werte, Knorr-Bremse a.g. München, firemní
publikace
[ 10 ] - : Popis brzd železničních vozidel, Služební rukojeť SR 15 (V) FMD, Nakladatelství dopravy
a spojů Praha 1984
[ 11 ] Fořt, B., Kučera,V.: Vlaková brzda DAKO, Nakladatelství dopravy a spojů Praha 1972
[ 12 ] Provazník a kol.: Elektrické vozy metra typu 81-717.1, 81-714.1, Technický popis-interní
příručka DP Praha
[ 13 ] Jansa, F.: Trakční mechanika a energetika kolejové dopravy, Dopravní nakladatelství Praha
1959
[ 14 ] Sonder, E.: Technische Anforderungen und Lösungen für eine UIC-einheitliche
elektropneumatische Bremse - Ausführungsvarianten, ZEV+Glas. Ann. 117 (1993) č. 11 str. 359-365
[ 15 ] Keschwari, R.: Zukunftsorietierte Bremssysteme für Schienenfahrzeuge, ZEV+Glas. Ann.
117 (1993) č. 11 str. 370-373
[ 16 ] Sonder, E.: Elektrische/elektronische Brems-Abfrage und Steuerung für Güterzüge,
ZEV+Glas. Ann. 119 (1995) č. 11/12, str. 505-509
[ 17 ] Gralla, D.: EBAS-Ein neues Bremskonzept der DB AG, EI-Eisenbahningenieur (49) 1998 č.
2, str. 64-67
[ 18 ] -: Hydraulic friction brake, Knorr-Bremse, popis funkce systému, firemní podklady
[ 19 ] -: Das Bremssystem, firemní publikace Hanning&Kahl
[ 20 ] -: Brake Systems for Mass Transit, publikace SAB-Wabco
[ 21 ] -: Elektromechanisches Bremssystem. Bremseinheit EBC, firemní prospekt SAB Wabco
[ 22 ] Franzen, H., Mader, M., Meinel, F.: Die elektrisch steuerbare Federspeichrbremse, eine
Alternative für Nahverkehrsbahnen, Nahverkehr-Praxis 32 (1984) č. 5 str. 176-181
[ 23 ] Weibelhaus, W., Dellmann, T.: Innovative Entwicklungen auf dem Gebiet der Bremstechnik
für Schienefahrzeuge. ETR 42 (1993) č, 7-8, str. 487-493
- 46 -
7. Literatura
[ 24 ] Oostveen, H., Siezen, R.: Erfahrungen mit Permanentmagnet-Schienenbremsen.
ZEV+Gles. Ann. 121 (1997) č. 12, str. 613-617
- 47 -

ELEKTRICKÁ TRAKCE 8. ELEKTRICKÉ OVLÁDÁNÍ BRZD

Transkript

Podobné dokumenty

2 - Cyrrus Corporate Finance

popis lokomotivy

kATAlog - PK Festool

list of winners

témata otázek