(Microsoft Word - Dzia\263anie hamulca pneumatycznego.doc)

T. Piechowiak Działanie hamulca pneumatycznego 1 / 8

Działanie części pneumatycznej współczesnego hamulca pneumatycznego pociągu

opracowanie T. Piechowiak

Spis treści
1

Wstęp .............................................................................................................................................. 1

Rodzaje hamulca pneumatycznego ................................................................................................ 1

Budowa współczesnego układu hamulca pneumatycznego ........................................................... 1

3.1

Zawór maszynisty................................................................................................................... 2

3.2

Przewód główny ..................................................................................................................... 2

3.3

Pneumatyczne urządzenia hamulcowe na wagonie................................................................ 3

3.3.1

Zawór rozrządczy ........................................................................................................... 3

3.3.2

Zbiornik sterujacy........................................................................................................... 4

3.3.3

Zbiornik pomocniczy...................................................................................................... 4

3.3.4

Cylinder hamulcowy....................................................................................................... 4

Uproszczony opis działania układu pneumatycznego .................................................................... 4

Specyfika przewodu głównego....................................................................................................... 6

1 Wstęp

Hamulec pneumatyczny pociągu stosowany jest w kolejnictwie od jego zarania. Do tej pory nie

wynaleziono nic lepszego i dlatego jest on nadal zasadniczym hamulcem pociągów osobowych i to-
warowych oraz będzie pozostawał hamulcem bezpieczeństwa szybkich pociągów zespołowych. Cią-
gle trwa rozwój jego komponentów, np. nowych zaworów, wprowadzanie elementów sterowania
elektronicznego.

Odrębnym rozwijanym obszarem technik hamowania jest współdziałanie pneumatycznego układu

hamulcowego z innymi nowoczesnymi rodzajami hamulców kolejowych, np. z hamulcem szyno-
wym, elektrodynamicznym i hydrodynamicznym.

2 Rodzaje hamulca pneumatycznego

Hamulec pneumatyczny jest hamulcem ciernym, w którym siła hamowania wytwarzana jest w pa-

rach ciernych. W zależności od stosowanych par ciernych może to być:

−

hamulec tarczowy,

−

hamulec klockowy,

−

hamulec mieszany posiadający zarówno tarcze, jak i klocki hamulcowe.

Do realizacji docisku par ciernych służą cylindry hamulcowe przetwarzające ciśnienie na się me-

chaniczną, działającą na jeden lub wiele elementów ciernych poprzez układ dźwigniowy.

3 Budowa współczesnego układu hamulca pneumatycznego

Hamulec zespolony pociągu stanowi system, który można podzielić na:

-  układ pneumatyczny,
-  układ mechanicznej przekładni hamulcowej,
-  układ par ciernych.

Pary cierne i układ dźwigniowy nie są dalej w tym tekście omawiane.

Zasadniczymi elementami układu pneumatycznego hamulca pneumatycznego pociągu są:

− zawór maszynisty, sprężarka i zbiornik główny na lokomotywie,
− przewód główny wzdłuż wszystkich wagonów ,
− zawory rozrządcze wraz z cylindrami hamulcowymi, zbiornikami pomocniczymi oraz zbior-

nikami sterującymi na wagonach.
Niektóre układy hamulcowe posiadają pneumatyczny przewód zasilający, jest to drugi przewód

wzdłuż całego pociągu. Zwiększa on bezpieczeństwo i znacznie przyspiesza proces odhamowania.

Niekiedy stosuje się także hamulec elektropneumatyczny, wtedy wzdłuż pociągu poprowadzony

jest dodatkowy przewód elektryczny i uruchamianie hamowania odbywa się elektrycznie na każdym
wagonie.

T. Piechowiak Działanie hamulca pneumatycznego 2 / 8

Rys. 1. Uproszczony model układu hamulcowego pociągu

Dodatkowe elementy, takie jak urządzenia przeciwpoślizgowe, nastawiacze regulujące siłę hamowa-
nia w funkcji ładunku lub prędkości jazdy, regulatory luzu mają również wpływ na działanie całego
układu pneumatycznego hamulca.

3.1

Zawór maszynisty

Sterowanie układem pneumatycznym odbywa się zaworem maszynisty (druga nazwa –zawór

główny), poprzez wywołanie zmian ciśnienia (dopełniania, jak i opróżniania) przewodu głównego.

We współczesnych lokomotywach przestał on być elementem, który po prostu opróżnia lub do-

pełnia powietrzem przewód główny. Jego działanie jest często podzielone na zadajnik hamowania na
pulpicie maszynisty oraz tablicę pneumatyczną, integrującą sterowanie całym hamulcem lokomoty-
wy. Stosuje się wtedy częściowo sterowanie elektryczne.

Rys. 2. Prosty model zaworu głównego (maszynisty)

1 - zawór hamowania, 2 - zawór odhamowania, 3 - przewód główny, 4 - zbiornik główny.

3.2

Przewód główny

Zadaniem przewodu głównego jest pełnienie dwóch podstawowych funkcji:
- przenoszenie sygnału sterowania hamowaniem i odhamowaniem przez zmiany ciśnienia,
- zasilającej, poprzez napełnianie sprężonym powietrzem zbiorników pomocniczych znajdujących

się na każdym wagonie hamowanym, stanowiących akumulator energii wykorzystywanej do realiza-
cji siły hamowania hamulców ciernych.

Przewód główny stanowi rurociąg długości kilkuset metrów Składa się z rur stalowych umocowa-

nych pod pudłem wagonów, łączonych pomiędzy wagonami elastycznymi sprzęgami hamulcowymi.
W wagonach pasażerskich przewód główny posiada średnicę wewnętrzną 1”,. a wagonów towaro-
wych 1¼”. Przewód ten połączony jest na lokomotywie z zaworem maszynisty, a na końcu składu
zamknięty jest kurkiem końcowym Na każdym wagonie posiadającym hamulce przewód główny ma
odgałęzienie łączące go z zaworem rozrządczym. Przewód taki posiada budowę cykliczną, gdyż jego
odcinki znajdujące się pod każdym wagonem są podobnej lub takiej samej budowy. Odcinek na jed-
nym wagonie, którego przykładowy schemat przedstawia rys.2, zawierać może odgałęzienia, zwęże-
nia, zawory i kolanka.

zawór maszynisty
ze zbiornikami

układ pneuma-
tyczny i mecha-
niczny hamulca
wagonu

odgałęzienia

przewód główny

stero-
wanie

zbiornik
główny

wylot
(opcja)

układ pneuma-
tyczny i mecha-
niczny hamulca
wagonu

pojedynczy wagon od sprzęgu do
sprzęgu hamulcowego

sprężarka

T. Piechowiak Działanie hamulca pneumatycznego 3 / 8

Rys. 3. Przykładowy przebieg przewodu głównego pod pojedynczym wagonem: 1 - sprzęg ha-

mulcowy, 2 - wąż gumowy, 3 - zawór końcowy, 4 - odgałęzienie do zaworu rozrządczego, 5 - odga-
łęzienie równoległe, 6 - trójnik.

3.3

Pneumatyczne urządzenia hamulcowe na wagonie

Urządzenia hamulca pneumatycznego na wagonie składają się z następujących elementów.

Rys. 4. Główne elementy układu pneumatycznego na wagonie

1 - przewód główny, 2 - przewód zasilający, 3 - odgałęzienia, 4 - zawór rozrządczy, 5 - zbiornik
przyspieszacza (wewnątrz zaworu rozrządczego), 6 - zbiornik pomocniczy, 7 - cylinder hamulcowy,
8 - zawór bezpieczeństwa, 9 - zawór elektropneumatyczny.

3.3.1 Zawór rozrządczy

Najważniejszym elementem hamulca pojedynczego wagonu jest zawór rozrządczy, współpracujący
ze zbiornikami, cylindrami i dodatkowymi zaworami. Zawór rozrządczy spełnia następujące funkcje:

-  powoduje lokalny upust powietrza z przewodu głównego poprzez przyspieszacz,
-  steruje przepływem powietrza ze zbiornika pomocniczego do cylindra hamulcowego,
-  steruje ciśnieniem w zbiornikach sterującym i pomocniczym.

Rys. 5. Układ zaworu rpzrzadczego.

Zawory rozrządcze oddziaływają w różny sposób na przewód główny:

W pierwszej fazie hamowania, po osiągnięciu odpowiedniego gradientu spadku ciśnienia i

spadku ciśnienia na danym zaworze rozrządczym, zawór ten przełącza się i pobiera ograniczoną por-
cję powietrza przez przyspieszacze, powodując w przybliżeniu po ok. 0,4 s spadek ciśnienia w prze-
wodzie głównym o ok. 0,04 MPa. Spadek ten wzmacnia falę hamowania i powoduje pewniejsze
włączania się kolejnych zaworów rozrządczych.

W dalszej fazie hamowania zawory rozrządcze praktycznie nie wpływają na przepływ powie-

trza w przewodzie głównym (tylko sterują ciśnieniem w cylindrze hamulcowym).

zawór
rozrządczy

cylinder

przewód główny

zb. sterujący

zb. pomocniczy

przyspie-
szacz

T. Piechowiak Działanie hamulca pneumatycznego 4 / 8

W czasie odhamowania zawory rozrządcze łączą przewód główny ze zbiornikami pomocni-

czymi poprzez elementy dławiące, powoduje to napełnianie tych zbiorników sprężonym powietrzem.

3.3.2 Zbiornik sterujacy

Napełniony jest on normalnie powietrzem do ciśnienia równego stanowi odhamowanemu (jazdy).

Jest niejako elementem pamięci, gdyż w trakcie hamowania ciśnienie w przewodzie głównym spada i
zawór nie posiadałby informacji, co było stanem odhamowania.

3.3.3 Zbiornik pomocniczy

Zawiera on zapas powietrza, który służy do zasilania cylindra hamulcowego. Energia do uruchamia-
nia cylindra jest już więc zgromadzona na wagonie przed hamowaniem.

3.3.4 Cylinder hamulcowy

Służy do zamiany ciśnienia gazu w siłę trzona tłokowego przenoszoną na elementy cierne hamulca.

4 Uproszczony opis działania układu pneumatycznego

Rys. 6. Schemat działania pneumatycznego hamulca pociągu.
a - układ hamulca, układ na wagonie: b - odhamowanie, c – hamowanie.

1 - sprężarka,2 -zbiornik główny, 3 - zawór maszynisty, 4 - przewód główny, 5 - zawór rozrządczy,

6 - zbiornik pomocniczy, 7 - cylinder hamulcowy, 8 - przekładnia, 9 - klocek hamulcowy,

10 - zbiornik sterujący.

Zapas powietrza układu hamulcowego znajduje się w zbiorniku głównym lokomotywy pod ciśnie-

niem 0,8 – 1,0 MPa. Przy ustawieniu zaworu maszynisty w położenie jazdy, czyli odhamowania, po-
wietrze przepływa ze zbiornika głównego przez zawór maszynisty do przewozu głównego (PG). Re-
gulator ciśnienia powoduje zmniejszenie ciśnienia zasilania do 0,5 MPa.

T. Piechowiak Działanie hamulca pneumatycznego 5 / 8

W pozycji jazdy na każdym wagonie zawór rozrządczy łączy zbiornik pomocniczy z przewodem

głównym i napełnia go do ciśnienia w PG, a cylinder hamulcowy połączony jest z atmosferą. Spręży-
na znajdująca się w cylindrze hamulcowym cofa tłok w skrajne położenie, co powoduje poprzez
układ dźwigni odsunięcie klocków hamulcowych od obręczy kół. Hamulec jest odhamowany.

Efekt hamowania uzyskuje się przestawiając rękojeść zaworu maszynisty, który powoduje regu-

lowane obniżenie ciśnienia powietrza w przewodzie głównym, przy czym dla uzyskania pełnego ha-
mowania (maksymalne ciśnienie w cylindrze) wystarczy obniżenie ciśnienia w przewodzie głównym
o 0,15 MPa.

Wskutek spadku ciśnienia w przewodzie głównym zawory rozrządcze samoczynnie odcinają połą-

czenia zbiorników pomocniczych z przewodem głównym, a łączą zbiorniki pomocnicze z cylindrami
hamulcowymi. Sprężone powietrze przepływa więc ze zbiorników pomocniczych do cylindrów ha-
mulcowych i powoduje przesuniecie tłoków. Trzony tłoków działają na układ dźwigniowy i powodu-
ją dociśnięcie klocków hamulcowych do obręczy kół. Wartość ciśnienia uzyskiwanego w cylindrach
hamulcowych jest regulowana proporcjonalne od stopnia obniżenia ciśnienia w przewodzie głów-
nym. Przy obniżeniu ciśnienia w przewodzie głównym o 0,15 MPa uzyskuje się w cylindrach hamul-
cowych maksymalne ciśnienie równe 0,38 MPa (lub niższe w zależności od nastawienia hamulca.

W celu odhamowywania należy ponownie zwiększyć ciśnienie w przewodzie głównym. Zwięk-

szenie ciśnienia do 0,5 MPa powoduje całkowite odhamowanie. Uzyskuje się to przez odpowiednie
ustawienie dźwigni zaworu maszynisty, i przepływ powietrza ze zbiornika głównego do przewodu
głównego.

Istnieje kilka położeń zaworu maszynisty zależnych od typu zaworu, ogólnie:
- pozycja odhamowanie,
- pozycje hamowania służbowego stosowane w hamowaniach w normalnej pracy, cechują się

ograniczoną prędkością wypływu powietrza z przewodu głównego, są to pozycje hamownia stop-
niowego powodującego również stopniowe obniżenie ciśnienia w przewodzie głównym aż do kolej-
nej pozycji:

- pozycja hamowania pełnego, w którym spadek ciśnienia w PG osiąga 0,15 MPa, a siła hamowa-

nia jest maksymalna,

-pozycja hamownia nagłego, po jego wszczęciu następuje nagły wypływ powietrza dużym przelo-

tem do atmosfery, powodując maksymalnie szybki spadek ciśnienia w PG, przyspiesza to proces na-
rastania ciśnienia w cylindrach, ale siła hamowania będzie taka, jak dla hamowania pełnego.

Obniżenie ciśnienia w przewodzie głównym może nastąpić nie tylko przez odpowiednie ustawie-

nie zaworu maszynisty, ale także z innych przyczyn, np. rozerwania się pociągu (co powoduje rów-
nież rozerwanie sprzęgów powietrznych pomiędzy wagonami) albo uruchomienie hamulca bezpie-
czeństwa, co powoduje szybki spadek ciśnienia w PG i natychmiastowy efekt hamowania.

Zasadniczym elementem większości zaworów rozrządczych służącym do sterowania ciśnieniem w

cylindrze jest tzw. główny przyrząd rozrządczy działający na zasadzie porównywania trzech ciśnień.
Schemat jego działania przedstawia rys. 7. Jeżeli ciśnienie w PG jest większe, niż wynika to z odpo-
wiedniej proporcji ciśnień, trzon obniża się, grzybek wewnętrzny zaworu otwiera się, łącząc cylinder
hamulcowy poprzez drążony trzon z atmosferą. Jeżeli zachodzi równowaga ciśnień, zaworek zamyka
się utrzymując ciśnienie w cylindrze. gdy ciśnienie w PG spadnie poniżej odpowiedniej proporcji
ciśnień, trzon unosi się do góry otwierając zewnętrzny grzybek zaworu i powietrze ze zbiornika po-
mocniczego przepływa do cylindra.

T. Piechowiak Działanie hamulca pneumatycznego 6 / 8

Rys. 7. Zasada działania głównego przyrządu rozrządczego. 1 – 5 – komory przyrządu, 6 – grzy-

bek zaworowy, 7 – trzon, 8 – membrana, 9 – membrana.

a) opróżnianie cylindra, b) napełnianie cylindra, c) równowaga zaworu (brak zmian ciśnienia).

W hamulcu powietrznym siła hamowania przenoszona za pomocą przekładni hamulcowej na

klocki hamulcowe powstaje w cylindrze hamulcowym pod wpływem działania ciśnienia sprężonego
powietrza na tłok. Dlatego też hamulce te nazywają się hamulcami o sprężonym powietrzu.

Hamulce te są zespolone, tzn. że wszystkie hamulce w pociągu można uruchomić z jednego miej-

sca: ze stanowiska maszynisty, a w razie nagłej potrzeby również z innego miejsca pociągu.

Ponadto hamulce powietrzne mogą być niesamoczynne lub samoczynne. Samoczynnym nazy-

wamy hamulec, który w razie przerwania przewodu powietrznego między pojazdami, spowoduje
samoczynnie zahamowanie pociągu, czyli bez udziału maszynisty bądź innej osoby.

W pociągach jak główny hamulec stosuje się obecnie wyłącznie hamulec zespolony samo-

czynny o sprężonym powietrzu.

Wszystkie typy hamulców zespolonych, działających za pomocą sprężonego powietrza, umożli-

wiają hamowanie wielostopniowe, natomiast odhamowanie może być jedno- lub wielostopniowe.
Zależy to od rodzaju budowy zaworu rozrządczego i związanego z tym sposobu jego działania w
czasie odhamowywania.

W hamulcu o odhamowaniu jednostopniowym nie można regulować ciśnienia w cylindrze hamul-

cowym. Współczesne zawory rozrządcze zapewniają odhamowanie stopniowe, co umożliwia uzy-
skane niewyczerpalności hamulca.

Hamulców dzielimy wyczerpalne i niewyczerpalne.
Jeśli po kilkakrotnym zahamowaniu i odhamowaniu w krótkim okresie następuje spadek siły ha-

mowania, to hamulec jest wyczerpalny. Było to w przeszłości powodem katastrof. Współczesne za-
wory rozrządcze winny być niewyczerpalne, tzn. w uproszczeniu nie pozwolą na odhamowanie, jeże-
li nie ma w zbiorniku pomocniczym odpowiednio dużego ciśnienia do zapewnienia kolejnego hamo-
wania. Jeżeli powietrze wydobywałoby się przez ewentualne nieszczelności, to zostanie w większo-
ści uzupełnione powietrzem z przewodu głównego (nie dotyczy to hamownia nagłego).

5 Specyfika przewodu głównego

Właściwości  przewodu  głównego  w  sposób  istotny  wpływają  na  zachowanie  się  całego  układu
pneumatycznego.
Przewód główny posiada następujące cechy determinujące zachodzące w nim zjawiska pneumatycz-
ne:
♦  dualizm działania: służy on zarówno do przenoszenia sygnałów sterujących działaniem hamulca,

jak i przenosi energię do jego uruchamiania,

♦ posiada dużą długość równą co najmniej długości pociągu,
♦ wykazuje znaczne dławienie przepływu powietrza w rurociągu z powodu:

- oporu tarcia gazu o ścianki przewodu o znacznej długości,

cylinder

atmosfera

przewód główny

zb. sterujący

zb. pomocniczy

cylinder

zb. pomocniczy

cylinder

zb. pomocniczy

T. Piechowiak Działanie hamulca pneumatycznego 7 / 8

- oporów miejscowych wywołanych kształtem przewodu (zagięciami, odgałęzieniami), oraz do-

datkowymi elementami na przewodzie (kurki krańcowe, elastyczne złącza międzywagonowe),

♦ występowanie dodatkowych odgałęzień (objętości) poza kierunkiem zasadniczego przepływu
powietrza, takich jak: przyłączenia zaworów rozrządczych, odgałęzienia do alternatywnego połą-
czenia międzywagonowego przewodu powoduje istotne pogorszenie działania układu hamulca.

Uruchomienie spadku ciśnienia przez zawór maszynisty powoduje rozchodzenie się obniżenia ci-

śnienia wzdłuż pociągu, począwszy od lokomotywy aż do ostatniego wagonu pociągu, zjawisko na-
zywa się falą hamowania. Prędkość jej może być większa lub mniejsza i zależnie od niej zostają ko-
lejno jeden za drugim zahamowane wagony w pociągu.

Cechy te wpływają na osłabienie i spowolnienie rozchodzenia się fali hamowania Prędkość fali

hamowania zależy przede wszystkim od konstrukcji zaworów rozrządczyoh. Przy stosowaniu star-
szych typów zaworów rozrządczych wynosi ona około 120 m/s, przy użyciu zaś zaworów typów
najnowszych do 295 m/s.

Ograniczenie prędkości rozchodzenia się uruchamiania się hamulców jest powodem nabiegania

wagonów końca pociągu na wagony czoła pociągu oraz niebezpieczeństwo szarpnięć i wręcz roze-
rwań pociągu. Jest ono mniejsze w pociągach krótkich, czyli w pociągach pasażerskich, większe zaś
w pociągach długich, czyli w pociągach towarowych. Dlatego też zawory rozrządcze stosowane w
pociągach pasażerskich powinny posiadać inne nastawy, niż zawory rozrządcze używane w pocią-
gach towarowych.

Przy nastawieniu zaworu rozrządczego do jazdy w pociągu pasażerskim czas napełniania cylindra

hamulcowego winien wynosić 3 – 5 s. Można zastosować tak krótki szac ponieważ pociągi pasażer-
skie są krótkie i fala hamowania szybko dociera do ostatniego wagonu.

W pociągu towarowym, w celu uniknięcia nadmiernego nabiegania wagonów na siebie, wydłuża

się czas napełnianie cylindra do 18 – 30s. Aby uruchomienie hamulca było pewne i aby spowodować
tzw. ściśnięcie składu, zawór rozrządczy posiada funkcję tzw. zaskoku , czyli szybkiego, niewielkie-
go napełnienia cylindrów do ciśnienia 0,035 – 0,06 Mpa, aby nastąpiło wyłącznie lekkie przyciśnię-
cie klocków hamulcowych do kół wagonów. Właściwe hamowanie następuje dopiero w drugim
okresie, w czasie którego dopływ powietrza do cylindra jest spowalniany dyszą.

Ponieważ jednak zachodzą przypadki, że ten sam wagon raz kursuje w pociągu towarowym, a

drugi  raz  w  pociągu  pasażerskim,  dlatego  zawory  rozrządcze  są  tak  zbudowane,  że  ręczne  przesta-
wienie  zaworu  nadawały  się  do  zastosowania  w  obydwu  rodzajach  pociągów.  Zawory  rozrządcze
mają  urządzenie,  umożliwiające  nastawienie  ich  na  odpowiedni  rodzaj  pociągu,  mianowicie:  towa-
rowy — T i osobowy — O lub towarowy — .T, osobowy — O (oznaczenie RIC) i pospieszny — R
(Rapid).

W trakcie pierwszego napełnienia układu otwarte są w zaworach rozrządczych wszystkich wago-

nów połączenia przewodu głównego ze zbiornikami sterującymi i pomocniczymi. Łączna pojemność
tych zbiorników może znacznie przewyższać pojemność zbiornika głównego lokomotywy i osiągnąć
pojemność kilku metrów sześciennych. W procesie tym następuje nawet kilkakrotne załączenie sprę-
żarki(ek) na lokomotywie i może on trwać, w zależności od parametrów układu, nawet 10 min.

Hamowanie pociągu można podzielić na dwie fazy.
W pierwszej fazie następuje rozchodzenie się fali hamowania; w przypadku długiego składu po-

ciągu jest ono silnie tłumione. Dlatego część typów zaworów rozrządczych posiada przyspieszacze
hamowania modyfikujące (wzmacniające) rozchodzenie się fali hamowania tak znacznie, że jej prze-
bieg z przyspieszaczami jest zupełnie inny, niż bez nich.

W drugiej fazie procesu hamowania zjawiska falowe wytłumiają się i następuje bardziej ustabili-

zowane opróżnianie przewodu głównego i napełnianie cylindrów hamulcowych aż do momentu, w
którym osiągnie się w przybliżeniu ciśnienie zadane nastawnikiem zaworu maszynisty. Wtedy zawór
maszynisty będzie przymykał wylot z przewodu głównego, a zawory rozrządcze zamykały napełnia-
nie cylindrów. Proces opróżniania PG z powodu oporów i znacznej długość PG trwa od kilku do
kilkudziesięciu sekund; przykładowy rozkład ciśnień wzdłuż przewodu przedstawia rys. 3.