Utilizarea Franelor Electromagnetice LA Vehiculele Feroviare. Prezentare, Solutii Constructive. Calcule DE Franare
UTILIZAREA FRÂNELOR ELECTROMAGNETICE LA VEHICULELE FEROVIARE. PREZENTARE, SOLUȚII CONSTRUCTIVE.
CALCULE DE FRÂNARE
Cuprins
1. Prezentarea lucrării
2. Sisteme de frânare
3. Frâne electromagnetice
3.1. Principii generale
4. Principiul frânei electromagnetice bazat pe curenții turbionari Foucault
4.1. Frâna cu curenți Foucault în roată
4.2. Frâna cu curenți Foucault în șină
5. Frâna magnetică de șină
5.1. Principiul de funcționare a frânei magnetice
6. Descriere generală a frânei electromagnetice
7. Principiul de funcționare a frânei magnetice de cale
8. Caracteristicile principale a sistemului de frânare a frânei magnetice de cale
8.1. Generalități
8.2. Caracteristici esențiale a sistemului de frânare
9. Funcționarea frânei electromagnetice de cale
9.1. Comanda pentru frâna electromagnetică de cale
9.2. Alimentarea cu aer a frânei electromagnetice
9.3. Controlul de funcționare a frânei magnetice de cale în stand
9.4. Frânarea rapidă sau de urgență
9.5. Ventilul magnetic
9.6. Construcția sistemului de supraveghere ZL 173
10. Elementele componente a frânei electromagnetice de cale pe boghiu 44
10.1. Ansamblul frânei electromagnetice
10.2. Patina electromagnetică
10.3. Grinda de menținere a ecartamentului
10.4. Elementele de ghidare
10.5. Cilindrul de coborâre-ridicare
10.6. Dispozitivul de centrare
11. Calculul regimului de frânare
11.1. Generalități
11.2. Metoda experimentală de determinare a drumului de frânare.
11.3. Caracteristicile de frânare a vagonului
11.4. Regim persoane P
11.4.1. Frânarea vagonului gol (VOM)
11.4.2. Determinarea decelerațiilor la frânare
11.4.3. Frânarea vagonului încărcat normal (SN)
11.4.4. Frânarea vagonului încărcat excepțional (SE)
11.4.5. Determinarea decelerațiilor la frânare
11.5. Regim rapid R – cu acceleratorul de frânare în funcție
11.5.1. Frânarea vagonului gol (VOM)
11.5.1.1. Determinarea decelerațiilor la frânare
11.5.2. Frânarea vagonului încărcat normal (SN)
11.5.3. Frânarea vagonului încărcat excepțional (SE)
11.5.3.1. Determinarea decelerațiilor la frânare
11.6. Regim rapid <R> – cu acceleratorul de frânare scos din funcție
11.6.1. Frânarea vagonului gol (VOM)
11.6.2. Frânarea vagonului încărcat normal (SN)
11.6.3. Frânarea vagonului încărcat excepțional (SE)
11.7. Regim rapid <R>+Mg – cu acceleratorul de frânare scos din funcție și cu frână electromagnetică
11.7.1. Frânarea vagonului gol (VOM)
11.7.1.1. Determinarea decelerațiilor la frânare
11.7.2. Frânarea vagonului încărcat normal (SN)
11.7.3. Frânarea vagonului încărcat excepțional (SE)
11.7.3.1. Determinarea decelerațiilor la frânare
11.8. Concluzii
12. Bibliografie
Prezentarea lucrării
Odată cu inventarea sistemului de circulație cu ghidare pe șină și mai ales odată cu creșterea vitezei de circulație, o importanță deosebită a primit procesul de oprire – de frânare – a vehiculelor feroviare.
Primul sistem de frânare utilizat a fost cel bazat pe aplicarea pe circumferința unei roți de rulare a unui sau a doi saboți de frână, care prin frecarea lor cu roata duc la preluarea și disiparea parțială a energiei de înaintare a vehiculului feroviar. La rândul ei, cota parte din energia preluată de roată trebuie disipată-transmisă prin contactul dintre roată și șină.
Cantitatea de energie maximă posibilă de disipat este limitată de puterea maximă pe care o poate prelua sistemul respectiv de frânare și în primul rând la contactul dintre roată și șină.
Pentru a putea efectua, în condiții de maximă siguranță și optime din punct de vedere economic și funcțional, este necesar a se introduce în paralel și alte sisteme de frânare, care nu sunt bazate pe frânarea osiei montate, deci nu se bazează pe valoarea instantanee a aderenței dintre roată și șină.
Acest sistem de frânare trebuie să se deosebească fundamental de celelalte sisteme de frâne, deoarece forța de frânare nu trebuie să depindă de contactul dintre roată și șină, deci de aderență.
Până la ora actuală singura modalitate inventată pentru realizarea unei forțe de frânare suplimentare între vehicul și cale este frâna electromagnetică, materializată prin cele două sisteme: prin inducerea de curenți Foucault în șină și cea magnetică care realizează apăsarea pe șină a unor patine din oțel sau din fontă care se magnetizează. Prin aceasta, forța de frânare a vehiculului nu mai depinde de aderența dintre roată și șină, ci de frecarea care se produce între patină și șină.
Frâna electromagnetică de cale a apărut ca o necesitate pentru a asigura un procent de frânare suficient de mare pentru a realiza un spațiu de frânare acceptabil din punct de vedere a siguranței în circulație. Ea este o frână suplimentară și se folosește în paralel cu frâna disc pentru intervalul de frânare cu viteze de frânare peste 50 km/h, în general ca și frână de urgență.
Din punct de vedere al procesului de realizare a forței de frânare, frâna electromagnetică cu patină de frecare se încadrează tot în categoria frânelor dependente de coeficientul de frecare dintre patină și șină.
Electromagneții de frână sunt plasați pe porțiunea ampatamentului, între roțile boghiului, fiind suspendați pe cadrul boghiului. Suspendarea se face astfel încât magnetul de frână să se găsească totdeauna în planul vertical al fiecărei șine de cale ferată.
Este destul de greu de stabilit o corelație optimă între spațiul de frânare maxim admisibil și decelerația maximă admisibilă pe care trebuie să o suporte călătorii sau marfa transportată de un vehicul, precum și a găsi acel sistem de frânare optim care să poată disipa energia cinetică a vagonului (trenului) aflat în mișcare în cel mai scurt timp.
În lucrare prezint sistemele de frânare electromagnetice care se bazează pe transformarea energiei cinetice în energie electrică cu disiparea sau recuperarea acesteia.
Cel mai practic sistem de frânare este sistemul de frânare bazat pe generarea de câmpuri magnetice în roată sau în șină care provoacă în acestea reacțiuni, realizându-se astfel frânarea vehiculului feroviar.
Sunt prezentate câteva concluzii a unor lucrări de specialitate, care nu apar descrise în literatura publicată în România.
Sisteme de frânare
Pentru a obține efectul de frânare a trenului, în speță a unui vehicul feroviar, este necesar a se realiza printr-un mijloc oarecare consumarea energiei cinetice datorată mișcării vehiculului.
Sistemele de frânare se pot clasifica după mai multe criterii, unul din ele fiind modul de disipare a energiei de frânare, astfel se disting:
O altă clasificare poate fi făcută după elementul cu ajutorul căruia se execută frânarea:
Se prezintă în continuare câteva din caracteristicile principale ale frânelor, diferită față de cea cu sabot, pentru a putea aprecia comportarea lor în exploatare.
– Frâna cu disc – a fost introdusă de circa 50 ani, mai întâi la vagoanele de călători de mare viteză, apoi la vagoanele destinate traficului suburban și de marfă, care circulă cu viteze mai mari de 120 km/h, din următoarele cauze:
este dependentă de aderență dintre roată și șină;
puterea limitată de frânare la frâna cu saboți a fost depășită, în special la viteze mari;
întreținerea frânei cu disc este mai ieftină;
confortul călătoriei cu trenuri dotate cu frână disc este mai mare;
variația mică a coeficientului de frecare dintre discul de frână și garniturile de frecare în raport cu viteza;
forțele de apăsare a garniturilor de frecare pe discul de frână sunt mai mici comparativ cu cele utilizate la frâna cu saboți și în consecință se pot utiliza cilindrii de frână cu diametrul mai mic (uzual 10”) și timonerii foarte simple.
– Frâna de cale – este o frână suplimentară, a cărei caracteristici nu depinde de aderența dintre roată și șină, ea fiind singura modalitate de a introduce un nou element de frânare. Utilizarea ei a fost dictată de mărirea vitezei de circulație, în general pentru viteze de frânare la peste 160 km/h.
Funcțional nu se poate compara cu nici un sistem de frânare dependent de aderența dintre roată și șină. Totuși utilizarea ei este practic limitată, la viteze de frânare sub 50 km/h ea se scoate din exploatare. Principala cauză este faptul că la viteze mici, forța de frânare este foarte mare, fapt care poate produce solicitări mecanice foarte mari în elementele frânei și în structura de rezistență a cadrului de boghiu. Se simte șocul frânării de către călători (decelerație de frânare foarte mare, peste limita admisibilă de confort).
– Frâna electrică se caracterizează prin următoarele:
funcționare fără uzură mecanică și cu întreținere redusă;
este dependentă de aderență dintre roată și șină;
o foarte mare capacitate de reglare;
posibilitatea de adaptare a capacității de frânare la condițiile de drum;
posibilitatea recuperării energiei de frânare, în cazul existenței celorlalte elemente necesare acestui tip de frânare electrică.
Frâna electrică este utilizată ca frână suplimentară. În exploatare nu se ia în calcul. Este utilizată cu succes în special la frânările pe pantă a trenurilor de marfă și călători, datorită bunei capacități de reglare a vitezei. Se aplică în special pe vehiculele motoare.
– Frâna electrică reostatică – transformă energia de frânare în energie electrică (curent continuu sau alternativ) care este transformat apoi în căldură prin disipare cu ajutorul unor rezistențe electrice.
– Frâna electrică recuperativă – transformă energia de frânare în energie electrică, care este debitată în catenară sau pe alți consumatori. Se folosește în transportul de călători suburban datorită frânărilor numeroase.
– Frâna hidrodinamică – acționează fie:
un cuplaj hidraulic relativ mic care poate disipa energii de frânare relativ mari, căldura degajată se elimină prin intermediul unor schimbătoare de căldură răcite forțat.
un transformator hidraulic cu ajutorul căruia se pot ajunge la momente de frânare până la limita aderenței dintre roată și șină.
Frâna hidrodinamică este dependentă de aderență dintre roată și șină.
Frâne electromagnetice
Principii generale
Puterea de frânare a frânei disc, și a frânei cu sabot, ca și cea a frânei electrodinamice, hidrodinamice sau rotative cu curenți Foucault este tributară aderenței dintre roată și șină, aderență care poate varia într-o măsură considerabilă în funcție de condițiile atmosferice și calitatea căii de rulare.
Cu o frână aderentă, se poate deci garanta o distanță de oprire scurtă cu o certă probabilitate statistică. Se poate de asemenea să fie imposibil de respectat, cu o singură frână aderentă, distanțele de oprire impuse de implantarea semnalelor sau de condițiile de exploatare. O frână independentă de aderență este indispensabilă pentru a circula cu viteze mai mari de 140 km/h pe o rețea unde lungimea sectoarelor de frânare este de limitată la 1200 m.
Nici așa, nu se pot obține procente de frânare suficient de mari pentru a putea obține o frânare de la o viteză de 200 km/h și a obține un spațiu de frânare sub 1000 m. De exemplu, pentru un vagon individual cu masa de 47 tone, spațiul de frânare este de circa 1250 m, conform metodologiei de calcul impusă de UIC, valoare confirmată și prin măsurare în condiții reale de frânare.
Compararea caracteristicilor principale a celor două frâne sunt prezentate în Tabelul 1.
Consumul de energie a frânei turbionare este mai ridicată decât a frânei electromagnetice, de aceea întregul principiu de alimentare cu energie a trenului trebuie conceput pentru acest tip de frână, iar capacitatea bateriilor trebuie să corespundă acestui tip de frânare. Energia de frânare și energia de deplasare a trenului sunt transformate în căldură, atât în magneți cât și în șină, de aceea porțiunile de cale ferată pe care se frânează des se pot alungi peste limita admisă. Dar principalul dezavantaj a frânei turbionare constă în influențarea puternică a sistemelor de semnalizare, datorită câmpului magnetic indus în șină, fapt ce poate cauza perturbe electrice.
– Frâna electrică recuperativă – transformă energia de frânare în energie electrică, care este debitată în catenară sau pe alți consumatori. Se folosește în transportul de călători suburban datorită frânărilor numeroase.
– Frâna hidrodinamică – acționează fie:
un cuplaj hidraulic relativ mic care poate disipa energii de frânare relativ mari, căldura degajată se elimină prin intermediul unor schimbătoare de căldură răcite forțat.
un transformator hidraulic cu ajutorul căruia se pot ajunge la momente de frânare până la limita aderenței dintre roată și șină.
Frâna hidrodinamică este dependentă de aderență dintre roată și șină.
Frâne electromagnetice
Principii generale
Puterea de frânare a frânei disc, și a frânei cu sabot, ca și cea a frânei electrodinamice, hidrodinamice sau rotative cu curenți Foucault este tributară aderenței dintre roată și șină, aderență care poate varia într-o măsură considerabilă în funcție de condițiile atmosferice și calitatea căii de rulare.
Cu o frână aderentă, se poate deci garanta o distanță de oprire scurtă cu o certă probabilitate statistică. Se poate de asemenea să fie imposibil de respectat, cu o singură frână aderentă, distanțele de oprire impuse de implantarea semnalelor sau de condițiile de exploatare. O frână independentă de aderență este indispensabilă pentru a circula cu viteze mai mari de 140 km/h pe o rețea unde lungimea sectoarelor de frânare este de limitată la 1200 m.
Nici așa, nu se pot obține procente de frânare suficient de mari pentru a putea obține o frânare de la o viteză de 200 km/h și a obține un spațiu de frânare sub 1000 m. De exemplu, pentru un vagon individual cu masa de 47 tone, spațiul de frânare este de circa 1250 m, conform metodologiei de calcul impusă de UIC, valoare confirmată și prin măsurare în condiții reale de frânare.
Compararea caracteristicilor principale a celor două frâne sunt prezentate în Tabelul 1.
Consumul de energie a frânei turbionare este mai ridicată decât a frânei electromagnetice, de aceea întregul principiu de alimentare cu energie a trenului trebuie conceput pentru acest tip de frână, iar capacitatea bateriilor trebuie să corespundă acestui tip de frânare. Energia de frânare și energia de deplasare a trenului sunt transformate în căldură, atât în magneți cât și în șină, de aceea porțiunile de cale ferată pe care se frânează des se pot alungi peste limita admisă. Dar principalul dezavantaj a frânei turbionare constă în influențarea puternică a sistemelor de semnalizare, datorită câmpului magnetic indus în șină, fapt ce poate cauza perturbări în funcționarea unei instalații ce asigură siguranța circulației. Aceste dezavantaje a frânei turbionare determină o exploatare mai economică în cazul frânei electromagnetice în ciuda uzurii pronunțate a acesteia.
Tabelul 1. Compararea caracteristicilor frânelor electromagnetice, cu frecare și cu curenți Foucault
Principiul frânei electromagnetice bazat pe curenții turbionari Foucault
Frâna electromagnetică bazată pe curenți turbionari Foucault folosește o bobină – un electromagnet – alimentat cu curent alternativ. Datorită oscilației câmpului magnetic din electromagnet, în șină se induc curenți turbionari care interacționează cu câmpul magnetic a patinei (bobinei).
Conform regulii lui Lenz, efectul forțelor astfel create se opune cauzei, adică mișcării relative șină-magnet (bobină) și astfel apare întotdeauna o forță de frânare independentă de direcția de mers a vehiculului și de polaritatea tensiunii de alimentare a magnetului.
Figura 1. Principiul de funcționare a frânei cu curenți Foucault
Frâna lineară cu curenți turbionari evită uzura, deoarece corpul magnetului nu atinge șina. Forța de frânare nu rezultă din frecare, ci numai prin influențele magnetice alternative dintre magnetul străbătut de curent și șină. Datorită mișcării relative între magnet și șină se introduc curenți turbionari în șină, care interacționează cu câmpul magnetic a corpului magnetului.
Practic nu există uzură a frânei, iar frânarea până la oprirea trenului este posibilă dar nu este eficientă pentru că forța de frânare în staționare este nulă, chiar dacă magneții sunt alimentați.
Frâna cu curenți Foucault în roată
Acest tip de frână s-a folosit în general pentru testări. Scopul introducerii frânei era acela de a obține un sistem de frânare a roții fără frecarea saboților de frână. Cunoscut fiind faptul că prin frecarea sabotului pe suprafața de rulare a roții, cantitatea de căldură produsă se distribuie în zona frecării, care este chiar zona care cuprinde diametrul de rulare a roții, înregistrându-se temperaturi ridicate într-o zonă restrânsă. Această concentrare de temperatură duce la uzuri rapide, schimbări structurale în materialul roții, etc., toate cu consecințe nefavorabile asupra calității materialului roții, a frânării și a siguranței circulației.
Acest sistem de frânare rămâne tributar sistemelor tradiționale de frânare care se bazează pe aderență dintre roată și șină.
Datorită consumului mare de energie electrică (din această cauză este aplicabil doar la vehiculele motoare) și a dependenței de aderența dintre roată și șină, acest sistem este încă în studiul de cercetare, dezvoltare, experimentare pe diferite vehicule feroviare prototip.
Frâna cu curenți Foucault în șină
Administrațiile de cale ferată au arătat un deosebit interes atunci când s-au demarat cercetările și experiențele pentru utilizarea frânei magnetice prin inducția curenților Foucault în calea de rulare (șină).
Acest tip de frână creează o forță de frânare care nu este influențată de aderența dintre roată și șină. Principala problemă în utilizarea acestui sistem de frânare este menținerea constantă, în timp, a distanței dintre patină și șină. Această frână poate fi utilizată atât la frânarea de urgență (de alarmă) cât și la frânarea de serviciu.
Acest tip de frână a fost aplicat la mai multe trenuri tip TGV de către S.N.C. Franța. Sarcina pe osie a fost de 16 tone, boghiurile fiind echipate cu două patine cu lungimea de 2 m fiecare. Se obțin decelerații medii de m/s2, valoare apropiată de cele bazate pe frânarea clasică a osiei.
Frâna poate fi utilizată începând de la viteze mari de circulație și se consideră, că prin perfecționare, la aceeași lungime a patinei, se obține o forță de frânare dublă față de cea magnetică prin frecare cu șina și în consecință aceasta va duce la reducerea la jumătate a spațiului de frânare.
Deoarece necesarul de energie electrică este foarte mare în comparație cu cea magnetică, se utilizează în special pe vehiculele feroviare motoare, alimentate de la rețea. La vehiculele feroviare cu motoare electrice, în timpul frânării recuperative, energia electrică recuperată poate fi folosită pentru alimentarea frânei cu curenți Foucault, astfel încât pe vehicul pot acționa concomitent două sisteme de frânare.
S.N.C. Franța a efectuat multe teste cu acest tip de frână și a aplicat-o la mai multe vehicule feroviare.
Se prezintă succint câteva din caracteristicile de funcționare și frânare [9]. În figurile 2, 3, 4 și 5 se prezintă montajul unei astfel de frâne.
Figura 2. Boghiu prototip echipat cu frână cu curenți Foucault
Figura 3. Vedere de sub boghiu a unei patine
Figura 4. Patina cu curenți Foucault
Figura 5. Patina cu curenți Foucault utilizată la primele boghiuri motoare TGV
Se prezintă în continuare câteva din caracteristicile înregistrate la o patină cu lungimea de 2 m, compusă din 7 poli și două semi-bobine. Polii sunt fixați prin intermediul unor asamblări cu șuruburi, într-o manieră care permite trecerea cât mai bună a fluxul magnetic.
Datorită încălzirii rapide a șinei, pot să apară temperaturi periculos de ridicate în șină, de aceea porțiunile de cale ferată pe care se frânează des s-a presupus că șinele se pot alungi peste limita admisă, scăzând siguranța circulației. Însă, cercetările efectuate în Japonia, au arătat că la ei nu se înregistrează o astfel de încălzire inacceptabilă a șinelor, riscul fiind minim.
Figura 6. Variația forței de atracție a patinei electromagnetice, la un întrefier de 7 mm, în funcție de intensitatea de curentului de alimentare a bobinei de excitație
S-a considerat că acest sistem de frânare ar avea o influență puternică asupra sistemelor de semnalizare, datorită câmpului magnetic indus în șină, fapt ce poate cauza perturbări în funcționarea instalațiilor ce asigură siguranța circulației, dar în decursul măsurătorilor efectuate s-a constatat că o influență mai mare o are frâna magnetică cu frecare.
Aceste dezavantaje ale frânei cu curenți turbionari determină o exploatare mai economică în cazul frânei magnetice de cale în ciuda uzurii pronunțate a acesteia. La această frână se evită uzura ridicată deoarece corpul magnetului nu atinge șina.
În Figura 9 este reprezentată variația forței de frânare la frâna magnetică pe șină și la frâna liniară cu curenți, în funcție de viteză.
Figura 7. Variația temperaturii induse în șină, în funcție de intensitatea de curentului de alimentare a bobinei de excitație
Figura 8. Variația forței de atracție în funcție de întrefier, la intensitatea curentului de alimentare a bobinei de excitație constant
Figura 9. Variația forței de atracție în funcție de tipul frânei și materialul patinei
Caracteristicile principale ale celor două frâne rezultă din tabelul următor:
Tabelul 1. Compararea caracteristicilor frânelor electromagnetice, cu frecare și cu curenți Foucault
Consumul de energie al frânei cu curenți turbionari este mai ridicat decât al frânei electromagnetice, de aceea întregul principiu de alimentare cu energie al trenului trebuie conceput pentru acest tip de frână, iar capacitatea bateriilor trebuie să corespundă acestui tip de frânare.
Frâna magnetică de șină
Principiul de funcționare a frânei magnetice
Se definește ca frână magnetică de cale, acea frână electromagnetică de cale care funcționează pe baza unui electromagnet alimentat în curent continuu, pentru a o putea deosebi de cea electromagnetică bazată pe curenți Foucault și la care bobina nu este alimentată cu curent continuu.
Frâna magnetică acționează asupra șinei. În acest scop se montează pe fiecare boghiu, între cele două osii, doi electromagneți, astfel încât distanța dintre ei să corespundă exact ecartamentului liniei. În cazul unei frânări rapide sau de urgență, acești magneți sunt coborâți pneumatic pe șină, iar tensiunea bateriei este conectată pe bobinele magneții de frânare. Prin forța de atracție generată de fluxul de curent astfel creat, corpul magnetului este apăsat pe șină. Această formă de apăsare (perpendiculară pe șină) determină, împreună cu frecarea dintre șină și corpul magnetului, forța de frânare, care se transmite asupra vagonului. Acest principiu de frânare are două avantaje principale:
• forța de frânare nu se transmite prin roată, așa că frecarea roată-șină poate fi deplin exploatată cu un sistem clasic de frânare; cele două sisteme pot funcționa în paralel;
• forța maximă de frânare nu este limitată de sarcina pe osie existentă. Forța verticală pe șină (deci implicit forța de frânare a vagonului) este determinată numai de densitatea fluxului magnetic a magneților.
Cu toată utilizarea frânei magnetice nu se poate renunța la sistemele clasice de frânare. La exploatare normală este chiar preponderentă folosirea acestor sisteme (de exemplu: frânare de recuperare prin trecerea de la regim de motor la regim de generator, frână disc), de aceea utilizarea frânei magnetice se face la viteze mai mari de 50 km/h, din următoarele motive:
a) consumul de energie este relativ ridicat comparativ cu sistemele clasice
b) uzura ridicată (atât a corpului magnetului, cât și a șinei)
c) frânarea nu se poate face până la oprirea trenului, pentru că frecarea puternică dintre șină și corpul magnetului ar frâna prea brusc trenul.
Alimentarea cu tensiune a frânei magnetice se poate face numai de la bateria de alimentare al vagonului, pentru că o frânare rapidă trebuie să fie posibilă și atunci când alimentarea cu energie a vagonului este întreruptă pentru scurt timp, de aceea, sistemul de supraveghere este astfel conceput, încât bateria să nu fie solicitată decât atunci când frâna magnetică este conectată.
figura 10. Comparație forțelor de frânare pentru frânele electromagnetice
În figura 10 este reprezentată variația forței de frânare la frâna electromagnetică pe șină și la frâna lineară cu curenți turbionari, în funcție de viteză.
figura 11. Variația forței de atracție în funcție de tipul frânei și materialul patinei
Descriere generală a frânei electromagnetice
Schema instalației de principiu frânei electromagnetice pe un boghiu este reprezentată Figura 12, în care:
Figura 12. Schema frânei electromagnetice
Funcționarea frânei electromagnetice pe vagon este prezentat în capitolele următoare.
În continuare se prezintă câteva tipuri de boghiuri cu frână electromagnetică.
Figura 13. Exemplu schematic de montare, prezentat în fișa UIC, pe un boghiu a unei frânei electromagnetice cu suspensie înaltă
Figura 14. Boghiul TCK-1 echipat cu frână electromagnetică
Figura 15 Boghiu tip Y32 echipat cu frână electromagnetică
Frâna electromagnetică de șină se compune din următoarele subansamble principale:
cadrul de frânare cu două patine electromagnetice;
patru cilindrii ridicători-coborâtori ai cadrului de frânare;
electroventil acționat de către distribuitorul de aer care permite comanda cilindrilor ridicători și contactul de alimentare cu curent electric a patinelor electromagnetice.
Principiul de funcționare a frânei magnetice de cale
Datorită numeroaselor inconveniente și a masei mari a ansamblului frânei cu curenți Foucault, s-a trecut la noul sistem de frână magnetică, la care miezul electromagneților intră în frecare directă cu suprafața de rulare a șinei.
Figura 16. Principiul realizării bobinei electromagnetice
1 – conductor electric prin care trece curentul continuu I; 2 – miez din material feromagnetic; 3 – piesă feromagnetică atrasă de miez
De la începutul secolului a XX-lea a fost realizat un sistem de frânare constând dintr-o patină din fier moale, magnetizată prin intermediul unei bobine electrice, care se frecă de calea de rulare. Acest tip de frână a fost cercetat, dezvoltat și perfecționat de-a lungul timpului. În continuare se va prezenta descrierea și caracteristicile unei frâne magnetice de cale utilizată la vagoanele de mare viteză pentru călători.
Se constată că la utilizarea frânei magnetice cu frecare nu se înregistrează o forță de frânare prea mare, dar se înregistrează o uzură mare a patinei prin frecare. Din acest motiv nu se utilizează decât ca frână suplimentară în cazul frânărilor de urgență (de alarmă).
Electromagnetismul este un fenomen cunoscut. Dacă o bară de fier moale se introduce într-un câmp electric, fierul primește proprietatea de a atrage materialele feromagnetice. Astfel, fierul se magnetizează devenind un electromagnet.
În fiecare conductor electric 1 (Figura 16), datorită trecerii unui curent continuu cu intensitatea I, ia naștere un câmp magnetic a cărui linii de inducție B, văzute în sensul de trecere a curentului electric, au ca sens de rotație acela a acelor unui ceasornic, după așa numită regulă a tirbușonului. Dacă în câmpul respectiv se introduce un fier 2, în formă de potcoavă, el se va magnetiza; liniile de forță formând un circuit închis, ies din polul nord și intră în polul sud. Dacă de acești poli se apropie un corp metalic 3, el este atras cu o forță de atracție invers proporțională cu distanța dintre cele două piese. Forța de atracție este maximă când corpul metalic stă lipit de polii magnetului (întrefierul este nul).
Acest sistem de frânare este de fapt o frână magnetică, denumită electromagnetică datorită faptului că magnetul se creează prin trecerea unui curent electric printr-o bobină, miezul bobinei devenind magnet.
Figura 17. Schema de principiu a câmpurilor magnetice a electromagnetului
În principiu, așa cum rezultă și din Figura 17, patina electromagnetică, este constituită dintr-o bobină unică, așezată longitudinal, situată în planul central a șinei și un miez magnetic în formă de potcoavă (piesă polară – patină magnetică) aflat în interiorul bobinei. Curentul continuu din bobină produce un câmp magnetic care realizează în miezul magnetic linii de flux magnetic care circulă în plan perpendicular și se închid prin ciuperca șinei.
Forța de atracție magnetică este dată de relația:
unde: = fluxul magnetic sau inducția magnetică [Wb]
= permeabilitatea magnetică [H/m]
S = suprafața de contact [m2]
Frâna electromagnetică realizează lipirea patinei magnetice pe șină și din frecarea miezului magnetic cu șina se produce forța de frânare:
unde: = coeficientul de frecare fictiv dintre patina magnetică și șină.
Forța de atracție se reduce atunci când viteza de frânare crește, din cauza efectului de deformare a liniilor de flux, din acest motiv în coeficientul de frecare fictiv trebuie să înglobeze și acest efect de deformare.
Mărimea forței de frânare depinde de :
Permeabilitatea magnetică – mărime ce caracterizează proprietățile magnetice a unui mediu.
Forța magnetomotoare (forța de atracție magnetică) – ca forță de atracție între patină și șină.
Figura 18. Variația forței de atracție a electromagnetului în funcție de densitatea de curent din bobina electromagnetului
Coeficientul de frecare între patina magnetică și șină. Coeficientul de frecare crește mult sub viteza de 50 km/h, de aceea patina electromagnetică se decuplează sub această viteză pentru a se evita decelerațiile mari, șocul la oprire, deranjul inutil a pasagerilor și solicitarea vehiculului.
Starea șinelor (neplaneitatea șinei conduce la mărirea întrefierului și prin aceasta se reduce forța de frânare). Deoarece forța de atracție electromagnetică este invers proporțională cu suprafața de contact dintre patina magnetică și șină, se utilizează o patină articulată, formată din mai multe piese polare, care produce o forță de frânare mult mai importantă decât cea obținută de o patină rigidă de dimensiuni analoage, pentru că acoperă mai bine suprafața șinei. Într-adevăr, un întrefier (spațiul dintre piesa polară și șină) de numai 0,5 mm este suficient pentru a diminua forța de atracție cu circa 35%.
Figura 19. Variația coeficientului de frecare dintre patină și șină în funcție de viteza de frânare
Această forță de apăsare (perpendiculară pe șină) determină, împreună cu frecarea dintre șină și corpul patinei magnetice, forța de frânare, care se transmite asupra vagonului. Acest principiu de frânare are două avantaje principale:
Forța de frânare nu se transmite prin roată, așa că frecarea dintre roată și șină poate fi deplin exploatată cu un sistem clasic de frânare; cele două sisteme pot funcționa în paralel;
Forța maximă de frânare nu este limitată de sarcina pe osie existentă. Forța verticală pe șină (deci implicit forța de frânare a vagonului) este determinată numai de densitatea fluxului magnetic a electromagneților.
Cu toată utilizarea frânei electromagnetice nu se poate renunța la sistemele clasice de frânare. La exploatare normală este chiar preponderentă folosirea acestor sisteme (de exemplu: de recuperare prin trecerea de la regim de motor la regim de generator, frână disc), de aceea utilizarea frânei magnetice se face la viteze mai mari de 50 km/h, din următoarele motive:
a) consumul de energie este relativ ridicat comparativ cu sistemele clasice;
b) uzura ridicată (atât a corpului patinei magnetului, cât și a șinei);
c) frânarea nu se poate face până la oprirea trenului, pentru că frecarea puternică dintre șină și patina magnetului ar frâna vagonul prea brusc. Alimentarea cu tensiune a frânei electromagnetice se poate face numai de la baterie, pentru că o frânare rapidă trebuie să fie posibilă și atunci când alimentarea cu energie a vagonului este întreruptă pentru scurt timp, de aceea sistemul de supraveghere este astfel conceput, încât bateria să nu fie solicitată decât atunci când frâna electromagnetică este conectată.
Capacitatea bateriei trebuie astfel dimensionată încât în orice situație să existe o suficientă rezervă de energie pentru o frânare a vagonului. Asta înseamnă că tensiunea bateriilor tuturor vagoanelor trebuie controlată permanent, iar la căderea uneia sau a mai multor dispozitive de încărcare trebuie redusă viteza trenului pentru că nu există suficientă capacitate de frânare.
Totodată, la dimensionarea sistemului de frână se ia o rezervă de siguranță suficient de mare pentru a avea suficientă capacitate de frânare chiar și la căderea dispozitivului de încărcare a bateriilor în mai multe vagoane, caz destul de improbabil de altfel, pentru că sistemele de furnizare a energiei vagoanelor sunt independente unele față de altele.
Noile vagoanele de călători fabricate în România, cu viteza de circulație de 200 km/h, sunt echipate cu o frâna cu aer comprimat de mare putere combinată cu o frâna electromagnetică de cale, ce este corelată la condițiile de montare pe boghiu. Aceasta este o frână cu disc și o frână electromagnetică de cale de tipul KE-PR-Mg-(D) 8×10". Ea funcționează împreună cu toate sistemele de frânare de mare putere cunoscute și admise de către UIC și corespunde condițiilor UIC, pe care trebuie să le satisfacă în traficul internațional o frână cu aer comprimat de mare putere cu frâna electromagnetică de cale.
Cu această frână KE-PR-Mg-(D) 8×10" se poate respecta la viteze de 160 km/h, distanța de semnalizare de avertizare de 1000 m. La distanțe de frânare corespunzător mai mari, frâna poate fi utilizată și până la 200 km/h.
Forța de atracție se diminuează atunci când viteza crește, din cauza efectului de deformare a liniilor de flux, din acest motiv coeficientul de frecare fictiv înglobează și acest efect de deformare.
Deoarece forța de atracție electromagnetică este invers proporțională cu suprafața de contact, la boghiurile de mare viteză tip Y32 echipate cu frână electromagnetică se utilizează o patină articulată, care produce o forță de frânare mult mai importantă ca cea obținută de o patină rigidă de dimensiuni analoage, pentru că acoperă mai bine suprafața șinei.
Bobinele sunt astfel dimensionate încât acestea nu se supraîncălzesc la puteri de excitație nominale de 1—1,5 kW. Piesele polare care alcătuiesc patina se fabrică din oțel, fontă cu grafit nodular sau o combinație din acestea (zona de contact a pieselor polare cu șina este fabricată din fontă cu grafit nodular, iar suportul din oțel special). Piesele polare din oțel, comparativ cu cele din fontă, au o inducție magnetică mai mare oferind deci posibilitatea realizării unor forțe de frânare sporite.
Dezavantajul folosirii oțelului este legat de formarea unor straturi aderente de material pe piesa polară în zona de contact cu șina, care pot crește întrefierul cu 0,5—3 mm.
De aceea, piesele polare fabricate din oțel se verifică la intervale de timp regulat, eventual și cu demontarea acestora, pentru îndepărtarea depunerilor de material. Aceste probleme nu apar la piesele polare fabricate din fontă pe suport de oțel.
În funcție de realizarea constructivă a pieselor polare deosebim două variante a acestora:
a) piesă polară rigidă
Miezul piesei polare constă din două părți rigide din oțel care se asamblează strâns cu șuruburi pe carcasa bobinei. Acest tip de piesă polară se folosește în traficul suburban de călători.
b) piesă polară mobilă
În acest caz cele două părți a miezului piesei polare se asamblează cu organe de legătură mobile pe carcasa bobinei.
Patinele electromagnetice sunt suspendate de cadrul boghiului cu ajutorul a patru cilindri de coborâre-ridicare, asigurându-se față de ciuperca șinei o distanță de minim 100 mm în cazul suspendării înalte și de maxim 10 mm în cazul suspendării joase.
În timpul frânării, la acționarea cilindrilor ridicători, cadrul de frânare coboară până la o anumită distanță de șină pentru siguranța atracției magnetice, în această situație patina este alimentată cu curent și contactul cu șina este urmarea acțiunii forței de atracție electromagnetică.
În figura 20 este prezentată dependența forței de atracție specifică FH/l [kN/m] în funcție de curentul care străbate bobina I [kA] pentru cazul pieselor polare construite din oțel sau din fontă cu grafit nodular.
figura 20. Variația forței de frânare în funcție de materialul din care este executată piesa polară și curentul de excitație
Variația coeficientului de frecare dintre patină și șină în funcție de viteza de circulație este redată în figura 21.
Coeficientul de frecare crește mult sub viteza de 50 km/h de aceea patina magnetică se decuplează la această viteză pentru a se evita decelerațiile mari, șocul la oprire, deranjul inutil a pasagerilor și solicitarea vehiculului, acționarea patinei magnetice sub viteza de 50 km/h nu este posibilă.
Figura 21. Variația coeficientului de frecare în funcție de materialul din care este executată piesa polară și viteza de frânare
Caracteristicile principale a sistemului de frânare a frânei magnetice de cale
Se prezintă, în continuare, frâna pneumatică de mare putere Knorr de tipul KE-PR-MG-(D) 810”.
Generalități
Vagoanele de călători sunt echipate cu o frână cu aer comprimat de mare putere combinată cu o frână magnetică de șine, ce este corelată la condițiile de montare pe boghiul Y32. La această frână este vorba de o frână disc Knorr și o frână magnetică de șine Knorr de tipul KE-PR-MG-(D) 810”. Ea funcționează împreună cu toate sistemele de frânare de mare putere cunoscute și admise de către UIC și corespunde condițiilor UIC, pe care trebuie să le satisfacă în traficul internațional o frână cu aer comprimat de mare putere cu frâna magnetică de șine.
Cu această frână KE-PR-Mg-(D) 810” se poate respecta la viteze de 160 km/h, distanța de semnalizare de avertizare de 1000 m. La distanțe de frânare corespunzător mai mari, frâna poate fi utilizată și până la 200 km/h.
Caracteristici esențiale a sistemului de frânare
Sistemul de frânare în mai multe trepte KE-PR-Mg-(D) permite în toate pozițiile de regim de frânare o frânare și o slăbire treptată a frânei cu disc cu aer comprimat. În afară de acesta are loc, în funcție de poziția schimbătorului regimului de lucru, o frânare pneumatică în 2 trepte. Frâna magnetică de șine poate deveni eficientă la frânările rapide, doar în poziția “Mg” (adică puterea de frânare <R>+Mg).
Coeficientul de frecare dintre discul de frână și garnitura de frânare rămâne constant aproximativ pe întreg domeniul de viteză. Pe baza acestei situații fizice se reduce frânarea în funcție de poziția schimbătorului, pentru ca aceste vagoane de călători să poată fi utilizate cu o frână disc – de mare putere – și în trenuri care circulă în regim “P” (adică persoane).
Regimurile individuale de tren se deosebesc prin presiunile în cilindrii de frână la durate de frânare respectiv de slăbire/descărcare a frânei, ca:
regimul de tren “P”: timpul de frânare 3-5 secunde, timpul de slăbire 15-20 secunde, presiunea maximă a cilindrilor de frână 3.0 bar;
regimul de tren “R”: timpul de frânare 3-5 secunde, timpul de slăbire 15-20 secunde, presiunea maximă a cilindrilor de frână 3,8 bar;
regimul de tren “R”: ca regimul de circulație “R” și suplimentar acceleratoare active de frânare rapidă, ce îmbunătățesc puterea de frânare;
regimul de tren “Mg”: ca regimul de tren “R” respectiv “R” și efectul suplimentar a frânei magnetice de șine la frânări rapide, respectiv la frânări de alarmă.
Puterea de frânare a frânei cu aer comprimat și a frânei magnetice de șine este astfel dimensionată încât, corespunzător condițiilor UIC, să se atingă:
în regimul “Mg” la o încărcătură de 5 t, un procent a greutății frânate 208% (UIC 567-1);
în regimul de tren “R”, la vagonul gol, procentul greutății frânate 150-170%, iar la vagonul încărcat un procent a greutății frânate de minimum 135% (UIC 546);
în regimul “P” procentul greutății frânate minim 105% (UIC 543).
Cu forța de frânare accesibilă se utilizează în întregime factorul de aderență între roată și șina uscată. În condiții nefavorabile a șinei acest factor de aderență poate să scadă în așa măsură încât roțile să aibă tendința de alunecare și blocare. Într-un astfel de caz, sistemul antipatinaj prevăzut împiedică blocarea roților și la un factor de aderență foarte redus. Sistemul de antipatinaj reglează forța de frânare astfel încât, în condițiile luării în considerare a unei anumite alunecări a roții, exprimate în procente, să se transmită forța de frânare optimă între roată și șină, și să se atingă puterea de frânare prescrisă de UIC.
O putere de frânare mai mare nu se mai poate aplic din această cauză, de un sistem de frânare dependent de factorul de aderență (roată/șină). Pentru a mări totuși puterea de frânare independent de factorul de aderență între roată și șină, și anume frâna magnetică de șine.
În felul acesta se respectă în mod sigur, chiar și în condiții de șine nefavorabile, distanța de semnalizare de avertizare.
Prin tipul de comandă a frânei magnetice de șine, adică numai la frânări rapide, respectiv la frânări de alarmă se atinge o uzură mică la frâna magnetică de șine.
Schema frânei este reprezentată în Figura 22, unde principalele elemente, la care se vor face referiri în continuare, sunt numerotate cu:
Funcționarea frânei electromagnetice de cale
Comanda pentru frâna electromagnetică de cale
Se descrie funcționarea comenzilor frânei electromag-netice de cale pentru frâna prezentată în Figura 22.
Comanda frânei magnetice de cale este astfel concepută și realizată încât acțiunea sa să aibă loc doar la o frânare rapidă, respectiv la o frânare de alarmă, în poziția de regim de tren “Mg”.
Comanda frânei magnetice de cale are loc automat. Aceasta devine posibil prin conlucrarea aparatului de comandă KES (poz. 1, Figura 22), comenzii suplimentare KZ – ME3 (poz. 42, Figura 22) și a unei comenzi în funcție de viteză – aparatul de comutare (poz. 32, Figura 22) și ventilul magnetic (poz. 43, Figura 22). Comanda automată are loc și la ruperea trenului și este valabilă doar pentru vagoanele de călători, la care este montată această comandă de frână.
Pentru acționarea frânei magnetice de cale trebuie date următoarele condiții, respectiv premise:
frâna cu aer comprimat trebuie să fie cuplată;
conducta principală de aer a rezervorului R2 (poz. 3, Figura 22), trebuie să fie cuplată și să conțină aer comprimat la 8,5-10 bar (la frâna slăbită);
bateria trebuie să fie eficientă, de mare putere, adică trebuie să prezinte tensiunea minimă prescrisă și curentul minim;
vagonul de călători să aibă o viteză mai mare de 50 km/h;
dispozitivul de comutare P – <R> – Mg trebuie să fie în poziția “Mg”, aceasta înseamnă “<R>+Mg”;
trebuie inițiată o frânare rapidă sau de alarmă.
Alimentarea cu aer a frânei electromagnetice
Utilizarea frânei magnetice de cale, instalația prezentată în Figura 22, presupune că în conducta principală a rezervorului de aer <R> să fie aer comprimat, să fie cuplată direct și să fie în legătură cu rezervoarele principale de aer a locomotivei. În felul acesta stă la dispoziție prin conducta principală de aer CP, aerul comprimat necesar la presiunea de 8,5 bar până la 10 bar. Funcționarea are loc cu ajutorul comenzii suplimentare KZ – ME3 (42). În cazul frânei conectate, robinetul de izolare (40) este deschis. De la conducta principală de aer CP trece aer comprimat prin filtrul de aer. În felul acesta aerul comprimat ajunge prin supapa de reținere (39) și robinetul de izolare (40) la rezervorul de aer R2 (3). Acest rezervor de aer se umple cu o valoare totală de presiune CP și înmagazinează aerul comprimat pentru frâna electromagnetică de cale. O supapă de reținere (39) împiedică trecerea înapoi, pentru ca acest aer comprimat să nu mai poată fi folosit doar pentru frână. La comanda suplimentară KZ – ME3 se află aerul comprimat R2 la racordul f1, gata de a fi imediat utilizat. Prin restul racordurilor Us, F și L se influențează, după necesitate, racordul Us. Pentru frânările cu frână electromagnetică de cale se vor lua așadar în considerare următoarele situații:
a) Frâna electromagnetică de cale este pregătită spre a fi folosită (frâna în poziție de slăbire, viteza de circulație mai mare de 50 km/h). Presiunea conductei generale de aer CG (5 bar), ajunge prin filtrul de aer (38) la comanda suplimentară KZ – ME3 (42) și deblochează evacuarea aerului prin ventilul “X”, pentru ca pistonul principal să stea sigur prin arcul de presiune în poziția de evacuare a aerului pentru conducta “Z”. În afară de aceasta se golesc de aer în mod sigur, pe o a doua cale, pistonul principal deasupra racordului “Us” și ventilul de comutare SV 309 la aparatul de comandă KES (1). Dispozitivul de comutare SS3 la KZ – ME3 (42) ține, la o conductă “BZ” golită de aer, circuitul de curent principal pentru frâna electromagnetică de cale întrerupt. În același timp sunt goliți de aer cilindrii de ridicare (50) iar arcurile din cilindrii de ridicare mențin în boghiu, magneții în poziție înaltă.
La viteze mai mari de 50 km/h, este comandat electric prin contactul închis dependent de viteza din dispozitivul cu microprocesor pentru controlul frânării MGS 1.14 (32), ventilul magnetic EV 140Z (43). Racordul A este evacuat de aer și în felul acesta și racordul F la KY – ME3 (42). Manometrul (10) indică 0 bar. Comanda frânei magnetice de cale deține în execuția descrisă premisele pentru starea de a fi gata de folosință, pentru ca frâna electromagnetică de cale să poată deveni la o frânare rapidă sau la o frânare de alarmă, imediat, automat activă.
Figura 23. Schema cilindrilor de acționare a magneților
b) Frâna electromagnetică de cale acționează (frânare rapidă, viteza mai mare de 50 km/h). La o frânare rapidă, respectiv la o frânare de alarmă (sau ruperea trenului), se coboară rapid presiunea în conducta generală de aer CG, de la 5 bar la 0 bar. La aceasta acționează în acest sens și acceleratorul de frânare rapidă EB3 – S (1). Puterea maximă de frânare produce, pentru frâna cu aer comprimat, cu disc și paralel pentru frâna electromagnetică de cale, după cum urmează:
Scăderea presiunii CG la 0 bar are loc și la racordul L la KZ – ME3 (42) și cauzează la o presiune descrescătoare (circa 3,4 bar) o închidere a “ventilului – X” pentru spațiul Us. Scăderea presiunii CG care are loc și la ventilul de comutare SV 309 în aparatul de comandă KEs (1), închide la o presiune CG descrescătoare (circa 2,8 bar) “cea de – a doua” evacuare a aerului și deblochează imediat legătura de la rezervorul de aer R1 (2) la racordul Us de la KZ – ME3 (42). Presiunea Us se reface la pistonul principal și îl mișcă contra forței arcului de presiune. Evacuarea aerului “BZ” se închide și legătura racordul F1 spre BZ, se deschide. Aerul comprimat R2 ce stă la dispoziție ajunge prin această legătură, repede, în cilindrii de ridicare. forțele lor din resort se depășesc și magneții sunt coborâți repede pe șină. În același timp ajunge la KZ – ME3 (42) aerul comprimat R2 ca “aer comprimat BZ”, la dispozitivul de comutare SS3. La circa 2,5 bar presiune BZ se mișcă contra forței resortului de presiune a pistonului din dispozitivul de comutare SS3 și se închide circuitul de curent principal și toți electromagneții primesc curent. Magneții care coboară primesc concomitent și alimentarea pneumatică și electrică. Frâna electromagnetică de șină este acum pe deplin eficientă.
Pe baza legăturii de realimentare existente din conducta principală de aer CP, se realimentează continuu aerul comprimat în rezervorul R2 (și în rezervorul de aer R1). În cilindrii de ridicare se poate reface în felul acesta presiune de valoarea CP.
În cazul unei presiuni insuficiente în conducta CP (de exemplu la ruperea trenului), ventilul de reținere (39) împiedică o trecerea înapoi a aerului comprimat R2 spre CP. Rezervorul R2 înmagazinează primar aerul comprimat pentru frâna electromagnetică de cale și devine secundar, rezerva de aer pentru frâna cu aer comprimat, prin conducta de legătură de realimentare la rezervorul de aer R1. Rezerva de aer poate fi solicitată de exemplu la declanșări de antipatinare foarte frecvente. Aerul comprimat BZ dirijat a frânei magnetice pe șină eficiente, se menține sigur în timpul operației de frânare, întrucât ventilul de reținere în racordul F1 la KZ – ME3 (42), împiedică trecerea înapoi a aerului comprimat BZ la rezervorul R1. Aceasta înseamnă că efectul frânei magnetice de cale are loc în mod sigur și în situații critice.
c) Frâna electromagnetică de cale este decuplată (frânare rapidă, viteză mai mică decât 40 km/h). La frânarea rapidă descrisă anterior, trenul frânează de la o viteză mai mare decât 50 km/h cu decelerația maximă posibilă pentru evitarea unei presiuni de oprire prea puternice, pe baza caracteristicii crescătoare de aderență și a coeficientului de frecare la sfârșitul operației de frânare, frâna electromagnetică de cale începe să decupleze automat deja la circa 45 km/h și magneții se ridică puțin înainte de oprire, spre a ajunge în poziția de înălțime.
Decuplarea frânei magnetice de cale are loc cu ajutorul contactului, ce este comandat în funcție de viteză (de la antipatinaj). La o viteză mai mare de 50 km/h contactul este închis, iar la viteză mai mică de 45 km/h, contactul este deschis. Prin acest contact nu se mai comandă ventilul magnetic (43). Ventilul magnetic trece în poziție de repaus. Evacuarea aerului se închide și racordul P se leagă cu A. Aerul comprimat existent curge la racordul F a comenzii suplimentare KZ – ME3 (42) și-l poate aduce pe acesta cu arcul de presiune de la pistonul principal, contra presiunii Us, în poziția sa inițială. Aerul comprimat BZ la dispozitivul de comutare SS3 (42) scade imediat și pistonul său se mișcă datorită arcului de presiune. Prin aceasta aerul comprimat BZ, ce a ajuns prin duza pistonului în volumul de comandă mic a lui SS3, poate acționa suplimentar asupra pistonului. Deja la circa 4 bar presiune BZ deschide ajustajul ventilului în dispozitivul de comutare SS3 și aerul comprimat BZ înmagazinat a volumului de comandă acționează asupra pistonului. Duza de evacuare a aerului împiedică o scăpare rapidă a aerului comprimat BZ înmagazinat, astfel că se mișcă foarte repede pistonul și de asemenea se deschide repede contactul electric.
Datorită scăderii mari a vitezei de circulație a trenului la viteza de circa 40 km/h și datorită creșterii rapide a presiunii pneumatice F se întrerupe alimentarea cu curenți a electromagneților și deci nu mai există forța electromagnetică a magneților. Aerul comprimat BZ în cilindrii de ridicare scade, însă atenuat, deoarece la curgerea înapoi prin ventilul de reținere cu drosel (47) stă la dispoziție doar secțiunea mică a duzei, pentru evacuarea aerului. În felul acesta se ridică de la șină magneții, puțin înainte de oprirea vagonului de călători, respectiv trenului și sunt ridicați încet datorită forțelor arcurilor de rapel a cilindrilor de ridicare în poziția ridicată și centrată.
Manometrul de presiune (10), indică acum valoarea presiunii în rezervorul R1 a frânei cu aer comprimat și valoarea poate crește din nou până la 5 bar – cel mai târziu la frâna cu aer comprimat slăbită.
d) Frâna electromagnetică de șină cu anularea înainte de vreme a efectului (se slăbește frâna, după o frânare rapidă, este viteza mai mare de 50 km/h).
Această operație este aproape identică cu cea de la punctul anterior c). La pistonul principal la KZ-ME3 (42), se golește de aer spațiul Us (condiționat de creșterea presiunii în conducta generală CG), fie prin ventilul de comutare SV309 sau prin “ventilul X”. Arcul de presiune preia singur (adică fără presiune F) mișcarea pistonului principal pentru evacuarea aerului BZ, după cum s-a prezentat anterior.
Controlul de funcționare a frânei magnetice de cale în stand
După cum s-a amintit deja, o acționare a frânei magnetice de cale este posibilă doar în regimul de tren "Mg". Pentru controlul pe stand sunt necesare aceleași condiții ca la frânarea rapidă prezentată, viteza să fie mai mare de 50 km/h. Doar în stand este deschis contactul electric de viteză și nu are loc evacuarea aerului F prin ventilul magnetic (43). Aceasta evacuare a aerului F se poate însă simula prin apăsarea butonului la un panoul de control (46). În acest caz se închide contactul în funcție de viteza, din dispozitivul cu microprocesor pentru controlul frânării MGS 1.14 și se comanda ventilul magnetic BV140Z (43). Acest ventil magnetic preia evacuarea aerului F ca în timpul mersului. Manometrul de presiune (10) indică 0 bar, atâta timp cât se apasă butonul. Atâta timp cât în poziția "Mg" se efectuează în continuare o frânare rapidă, acțiunea frânei magnetice de cale decurge tot așa ca și când vagonul de călători s-ar afla în mișcare (viteza mai mare de 50 km/h). La manometru în indicatorul de control MGE2 (46), se poate observa în același timp creșterea presiunii cilindrului de frână C. În continuare, personalul de deservire mai poate controla prin intermediul lămpii de semnalizare luminescența în panoul de control MGE2, starea electrică a circuitului de curent principal a frânei magnetice de cale. Acest lucru este posibil prin montarea în circuitul de curent principal a unei cutii de conexiune cu releu de curent minim, care la depășirea curentului minim închide un contact auxiliar și comanda lămpile de semnalizare. După ce se dă spațiul la butonul de la panoul de control MGE2, se reface din nou presiunea F în conducta de comanda pentru KZ – ME3 și frâna electromagnetică de cale se deconectează și trece înapoi în poziția de ridicat.
Frânarea rapidă sau de urgență
Frâna electromagnetică intră numai atunci în funcțiune dacă se dă comanda pentru o frânare rapidă și dacă dispozitivul de comutare este conectat pe poziția “Mg”. Dispozitivul de comutare (contactul SM2) poate fi legat fie a) direct la instalația de începerea unei frânări, fie b) la supracomanda frânei (antipatinaj).
La începerea unei frânări rapide sau de urgență, contactul SS3 este întotdeauna închis (viteza trenului trebuie să depășească o valoare Vminimă). Tensiunea bateriei ajunge în acest caz numai prin contactul închis SM2 (dispozitivul pe poziția “Mg”) la bobina dispozitivului K1 (se aprind lămpile semnalizatoare H4 și H5). K1 este activat și tensiunea bateriei este comutată pe magneți de frânare (se aprinde H6).
Dacă contactul SM2 nu este închis, atunci se aprinde H5, dar H4 nu. K1 nu comută.
Dacă curentul prin magneți atinge valoarea efectivă, rezultată din tensiunea momentană a bateriei, se aprinde H3. Dacă nu, se aprinde H2.
Ventilul magnetic
Ventilul magnetic EV 140Z (43) este dirijat în funcție de viteză de dispozitivul cu microprocesor pentru controlul frânării MGS 1.14 (33) și este necesar pentru deconectarea frânei magnetice de cale. Prin aceasta se asigură golirea presiunii F la viteze mai mari de 50 km/h și capacitatea ei de a aduce frâna electromagnetică de cale în stare gata de funcționare.
Comanda suplimentară KZ – ME3
Comanda suplimentară KZ – ME3 (Figura 24) este organul de comanda principal pentru frâna electromagnetică de cale și este formată din:
un suport de ventil pentru conducte și țevi;
comanda suplimentară KZ-ME3 pentru comanda pneumatică;
dispozitivul de comutare SS3 pentru curentul electric principal.
Figura 24. Comanda suplimentară KZ – ME3
Construcția sistemului de supraveghere ZL 173
Construcția mecanică a sistemului ZL 173 este așezată pe o placă de montaj, care poate fi fixată în vagon în orice loc dorit. Cablajul de pe placa de montaj se execută în varianta Z4V sau 110V/220V. Pentru montarea sub șasiu există cutii gata executate, în diferite variante, în care este înglobat sistemul complet. Închiderea cutiilor se face în general cu o cheie pătrată. Instalația ZL 173 a fost concepută plecând de la ideea că fiecare vagon are 2 boghiuri cu câte 2 magneți de frânare.
Elementele componente a frânei electromagnetice de cale pe boghiu
Ansamblul frânei electromagnetice
Pe fiecare boghiu, între cele două osii, se montează doi electromagneți, unul între fiecare pereche de roți de pe aceeași șină, astfel încât distanța dintre ei să corespundă exact ecartamentului liniei. În funcție de distanța dinte patină și șină, se deosebesc două tipuri de montaje:
Montaj cu suspensie joasă, (figura 25) situație când distanța dintre patină și șină este mică, caz în care forța de atracție a electromagnetului este suficient de mare, astfel încât din poziția de repaus, în cazul alimentării cu curent a bobinei patina să poate coborî singură până în situația de contact cu șina. Se utilizează în special la tramvaie și metrouri.
figura 25. Montaj frâna electromagnetică cu suspensie joasă
Montaj cu suspensie înaltă, (figura 26) situație când distanța dintre patină și șină este mare, circa 110 mm, caz în care forța de atracție a electromagnetului nu este suficient de mare încât din poziția de repaus să poată coborî singură până în situația de contact cu șina. Pentru a apropia patina pe șină se utilizează 2 cilindrii pneumatici, la care un capăt a cilindrului este fixat de cadrul de boghiu și celălalt capăt de patină. Se utilizează la vagoanele de călători și metrouri.
La vagoanele de călători, în cazul necesității unei frânări rapide sau de urgență, acești electromagneți sunt coborâți cu ajutorul cilindrilor pneumatici de coborâre-ridicare, iar tensiunea bateriei este conectată la electromagneții de frânare.
Prin forța de atracție generată de fluxul de curent astfel creat, patina magnetică, împreună cu ansamblul bobinei, este atrasă și apăsată pe șină.
figura 26. Montaj frâna electromagnetică cu suspensie înaltă
figura 27. Ansamblul de frână electromagnetică pregătit pentru montare pe cadrul de boghiu
În Figura 28 este prezentat schița unui ansamblu de frână electromagnetică, pentru montaj înalt, împreună cu toate elementele sale componente și în figura 27 imaginea unei astfel de frâne gata pentru montare.
Patina electromagnetică
Figura 29. Compunerea unei patine electromagnetice
(1 – bobină; 2 – suport; 3 – piesă polară)
După cum am văzut, patina este formată dintr-un miez magnetic – piesă polară – situată în câmpul magnetic creat de o bobină alimentată în curent continuu.
În continuare, sunt prezentate elementele componente ale patinei electromagnetice:
Figura 30. Elementele componente ale unei patine electromagnetice
Forța de atracție a patinei se diminuează atunci când viteza crește, din cauza efectului de deformare a liniilor de flux, din acest motiv coeficientul de frecare fictiv înglobează și acest efect de deformare.
În funcție de realizarea constructivă ale pieselor polare deosebim două variante ale acestora:
a) piesă polară rigidă (monobloc)
Miezul piesei polare constă din una sau două părți rigide din oțel care se asamblează strâns cu șuruburi pe carcasa bobinei. Acest tip de piesă polară se folosește, în general, în traficul suburban de călători.
figura 31. Patină monobloc (piesă polară rigidă)
b) piesă polară mobilă
În acest caz, cele două părți ale miezului piesei polare se montează cu organe de asamblare încât acestea să fie mobile față de carcasa bobinei.
figura 32. Patină articulată (cu piese polare)
Magnetul format din piese polare mobile DD.GL.100/V-122 este, după cum am arătat, un electromagnet a cărei linii de forță magnetice se închid prin ciuperca șinei. Secțiunile de fier din cadrul circuitului magnetic sunt astfel concepute încât să existe densitatea maximă a liniilor de forță la trecerea lor în șină. Un întrefier între magnet și șină înrăutățește considerabil efectul magnetic. Din acest motiv magnetul este compus din elemente individuale liber mobile, pentru a face față la frânare, tuturor denivelărilor șinei. Elementele individuale (piesa polară intermediară, piesa polară de capăt) din oțel sunt separate unele de altele prin pereți intermediari amagnetici și transmit forțele de frânare pe corpul bobinei. Materialul corpului pieselor polare este relativ moale și se uzează frecând șina. De aceea corpul pieselor polare trebuie reparat la atingerea limitei de uzură.
figura 33. Patină articulată tip DD.GI.100 formată din piese polare mobile
figura 34. Imaginea unei patine electromagnetice articulate DD.GI.100
Bobinele electromagneților sunt legate electric în paralel între ele. În acest fel, electromagneții generează forțe de frânare proprii, independente de factorul de aderență roată/șină , greutatea vagonului nu are nici o influență asupra acestor forțe de frânare.
Figura 35. Capătul unei patine cu unghi de atac de protecție contra agățării de elementele căii de rulare
Părțile componente ale frânei electromagnetice se supun unui atent control vizual. Dacă se observă fisuri, deformări, coroziune sau deformări a filetelor care pot perturba buna funcționare a părții respective, atunci ele trebuiesc înlocuite.
Figura 36. Tip de patină pentru tramvai cu fixare excentrică
Figura 37. Tip de patină pentru vagoane cu fixare centrală
figura 38. Tip de patină pentru tramvai cu fixare centrală
Pentru determinarea caracteristicilor unei patine electromagnetice, în diferite cazuri (patină nouă sau uzată, fără întrefier sau cu diferite mărimi de întrefier, diferite calități de material pentru piesele polare, etc.) se folosește o balanță pentru măsurarea forței de atracție.
Figura 39. Schema balanței pentru măsurarea forței de atracție a unei patine electromagnetice
Grinda de menținere a ecartamentului
Grinzile de menținere a ecartamentului (Figura 40) sunt elementele de rigidizare și de ghidare pentru electromagneți, pentru ca la frânare, magneții să poată să transmită forțele de frânare central pe ciuperca șinei, să mențină poziția geometrică în poziție de repaus a frânei electromagnetice.
Figura 40. Grinda de menținere a ecartamentului
Astfel, grinzile de menținere a ecartamentului, alcătuiesc cu magneții un cadru de frânare comun, ce se poate mișca lateral relativ lejer față de cadrul boghiului.
Elementele de ghidare
Forțele de frânare generate se transmit prin elemente de ghidare de la cadrul de frânare rigid la cadrul de boghiu. Între opritorul de la cadrul de frânare rigid și elementul de ghidare este montat drept izolație un material nemagnetic (bronz), pentru a împiedica lipirea magnetică de cadrul boghiului a cadrului de frânare, fapt care duce la blocarea acestuia.
Figura 41. Ghidaj amagnetic pentru frâna electromagnetică
Cilindrul de coborâre-ridicare
Pentru starea slăbită a frânei patinele magnetice de cale sunt suspendate de cadrul boghiului cu ajutorul cilindrilor de coborâre-ridicare, asigurându-se față de ciuperca șinei distanțe de minim 100 mm în cazul suspendării înalte și maxim 10 mm în cazul suspendării joase.
În timpul frânării, la acționarea cilindrilor de coborâre-ridicare, cadrul de frânare coboară până la o anumită distanță pe șină pentru siguranța atracției magnetice, în această situație patina este alimentată cu curent și contactul cu șina este urmarea acțiunii forței de atracție electromagnetică.
Figura 42. Cele trei etape de lucru al unui cilindru de coborâre-ridicare
a – poziție de repaus (ridicată); b – poziție intermediară de coborâre; c – poziție coborâtă
În Figura 42 sunt prezentate cele trei poziții de lucru ale cilindrilor de coborâre-ridicare.
Sistemul de frâna electromagnetică de tip “suspensie înaltă” necesită utilizarea cilindrilor de acționare (cilindrii de coborâre-ridicare). Acești cilindri sunt astfel concepuți încât să mențină electromagneții deasupra căii de rulare și să-i coboare pe șină în momentul acționării frânei.
Când electromagneții sunt retrași în poziția superioară, pistonul (figura 37, poziția 5), prevăzut cu un inel special de etanșare (4) este centrat în gaura capacului inferior. Această dispunere previne contactul dintre corpul pistonului și suprafața interioară al cilindrului. Vibrațiile constante din timpul rulării vagonului ce se produc, în poziția superioară al pistonului, sunt transmise în aceasta proeminență de centrare (a capacului), astfel protejându-se împotriva posibilelor deteriorări pe suprafața interioară a cilindrului. Arcurile de comprimare (8, 9) variază ca număr în conformitate cu modelul. Ele sunt astfel tensionate încât să poată ridica cadrul de frânare când pistonul se retrage. Bucșele elastice (1) sunt montate pe flanșele superioară și inferioară, amortizând șocurile verticale și orizontale. Peste corpul cilindrului (7) și flanșa inferioară se fixează burduful (11) cu rolul de a proteja în primul rând suprafața tijei pistonului (6) și în a doilea rând împotriva pătrunderii murdăriei la bucșa de ghidare și în corpul cilindrului.
Figura 43. Fotografia unui cilindru de coborâre-ridicare
Figura 44. Cilindrul de coborâre-ridicare
Figura 45. Elementele componente al unui cilindru de coborâre-ridicare demontat
La frânare se dirijează aer comprimat (presiune BZ) în cilindrii de coborâre-ridicare pentru ca magneții să părăsească poziția de ridicat și să fie coborâți pe șină.
Dispozitivul de centrare
Dispozitivul de centrare ZE 80 (Figura 46) servește la menținerea cadrului de frânare în poziția superioară, într-o poziție dine determinată. În acest scop sunt montate pe grinzile de menținere a ecartamentului, conurile de centrare (3), în timp ce contrapiesa (1) cu inelul de amortizare din cauciuc (2) este sudat pe cadrul boghiului prin intermediul inelului de fixare (4).
La frânare se desface această legătură de blocare (conul de centrare – contra-piesă). La întreruperea alimentării frânei electromagnetice, datorită pretensionării arcurilor din cilindrul de coborâre-ridicare, pistonul se ridică, antrenând cu el și ridicarea patinei magnetice.
Figura 46. Dispozitivul de centrare ZE80
1 – contrapiesă; 2 – inel din cauciuc; 3 – con de centrare; 4 – inel de fixare pe cadrul de boghiu
La realizarea contactului dintre conul de centrare cu conul contra-piesei se realizează centrarea, fără joc, a ansamblului frânei magnetice și poziționarea corectă a acesteia. Datorită inelului din cauciuc se evită transmiterea vibrațiilor ansamblului frânei magnetice la cadrul de boghiu. În această poziție electromagneții se află deci pretensionați în poziție “sus”.
Figura 47. Montarea dispozitivului de centrare
Calculul regimului de frânare
Generalități
Pentru circulația actuală, cu viteze de circulație de până la 200 km/h, drumurile de frânare se materializează încă pe teren prin distanța dintre semnalul prevestitor și semnalul de intrare. Respectarea acestor drumuri de frânare, în cazul în care nu s-a redus viteza maximă de circulație admisă de tipul frânei și de caracteristicile liniei, este posibilă numai prin executarea unor frânări rapide, deoarece în acest caz se dispune de forța maximă de frânare.
Majoritatea relațiilor teoretice utilizate conțin doi termeni:
în care:
– drumul total de frânare [m];
– drumul de pregătire a frânării [m];
– drumul de frânare efectiv [m].
Din momentul în care mecanicul a observat semnalul de oprire până în momentul când forțele de frecare își încep acțiunea, se consumă un timp numit timp de pregătire a frânării, când trenul circulă cu viteză constantă. În acest caz, drumul de pregătire a frânării se calculează cu relația:
[m]
în care:
v – viteza trenului în momentul începerii frânării [m/s];
t – timpul de pregătire a frânării [s], t = 1…12 s în funcție de tipul frânei.
Având în vedere că timpul de pregătire este mic în raport cu timpul efectiv de frânare și că depinde în principal de îndemânarea mecanicului, acesta se va neglija de regulă în calculul drumului de frânare.
S-au elaborat diverse formule de calcul a drumurilor de frânare, dar exactitatea lor depinde de îndeplinirea condițiilor impuse la aplicare. Una dintre aceste formule este formula propusă de Münchner, în care drumul de frânare efectiv se determină pornind de la faptul că în timpul frânării energia cinetică înmagazinată în masa trenului se transformă în lucru mecanic de frânare. Pe parcursul frânarii apar următoarele rezistențe la înaintare a trenului:
Rezistența la înaintare a trenului:
După transformarea relației inițiale în unitățile de măsură a sistemului internațional ISO, relația devine:
Rezistența specifică a trenului la mersul în regim fără tracțiune, în palier și aliniament:
După transformarea relației inițiale în unitățile de măsură a sistemului internațional ISO, relația devine:
Rezistența la înaintare pe declivitatea secției, se consideră o frânare în aliniament și palier, pentru care rezistența este zero.
Formula spațiului de frânare propusă de Münchner este dată de relația:
După transformarea relației inițiale în unitățile de măsură a sistemului internațional ISO, relația devine:
Decelerația la frânare este data de relația
unde:
p – presiunea din cilindrul de frână [bar];
v – viteza [m/s];
masa – masa vagonului în funcție de încărcătură [kg];
Metoda experimentală de determinare a drumului de frânare.
Metodele experimentale de determinare a drumului de frânare constau în măsurarea pe teren a spațiului parcurs de tren din momentul executării frânării rapide până la oprire. Metodele experimentale care sunt utilizate în cadrul UIC-ului, materializarea concluziilor fiind cuprinse în fișele UIC 544-1, UIC 546 și SR 12300 la SNCFR, pentru viteze de frânare până la 200 km/h.
Acestea au în vedere sistemul de frână de bază cu aer comprimat și sistemele de frână suplimentare cum ar fi frâna electromagnetică pe șină.
În este prezentat graficul procentelor de masă frânată în funcție de drumul de frânare pentru vagoane călători și vehicule motoare care circulă cu viteze mai mari decât 75 km/h..
Caracteristicile de frânare a vagonului
Masa vagonului gol, vagon în ordine de mers, VOM:
Masa vagonului încărcat normal, sarcină normală, SN, este:
Masa vagonului încărcat maxim, sarcină excepțională, SE, este:
Raza de frânare a garniturilor pe discul de frână:
Timpul de întârziere la frânare a timoneriei de frână:
Valoarea coeficientului de frecare a garniturii de frânare pe disc se considera egală pe timpul frânării și are valoarea medie de:
Aria efectivă a pistonului cilindrului de frână:
Forța de rapel a pistonului cilindrului de frână:
Forța la pistonul cilindrilor de frână în funcție de presiunea din cilindru de frână:
Forța totală aplicată pe discuri în funcție de presiunea din cilindru de frână:
Coeficientul masei frânate, a cărei valoare a fost determinată pe cale experimentală, depinde de regimul de frânare:
K=4.33 sau K=4.63
Masa frânată B în funcție de presiunea din cilindru de frână și valoarea coeficientului masei frânate:
Procentul masei frânate în funcție de presiunea din cilindru de frână și masa frânată:
Procentul de frânare în funcție de presiunea din cilindru de frână și masa frânată:
Decelerația la frânare este dată de relația:
Regim persoane P
Frânarea vagonului gol (VOM)
Procentul masei frânate la vagon gol:
Procentul de frânare la vagon gol:
Pentru vagon gol, spațiul de frânare de la o viteză de 160 km/h, după diagrama din Figura 48 este de:
Relația pentru determinarea spațiului de frânare pe cale teoretică este:
Spațiul de frânare este:
cu o diferența de calcul de:
cu o eroare de calcul, fata de valoarea din diagrama de:
Intervalul de variație a vitezei pentru reprezentarea accelerației este:
Figura 49. Reprezentarea comparativă a spațiilor de frânare, cea calculată și cea determinată
Determinarea decelerațiilor la frânare
Decelerația calculată:
Figura 50. Reprezentarea decelerației calculate
Frânarea vagonului încărcat normal (SN)
Procentul masei frânate la vagon încărcat normal:
Procentul de frânare la vagon încărcat normal:
Pentru vagon gol, spațiul de frânare de la o viteză de 160 km/h, după diagrama din Figura 48 este de:
Frânarea vagonului încărcat excepțional (SE)
Procentul masei frânate la vagon încărcat excepțional:
Procentul de frânare la vagon încărcat excepțional:
Pentru vagon gol, spațiul de frânare de la o viteză de 160 km/h, după diagrama din Figura 48 este de:
Relația pentru determinarea spațiului de frânare pe cale teoretică este:
cu o diferența de calcul de:
cu o eroare de calcul, fata de valoarea din diagrama de:
Figura 51. Reprezentarea comparativă a spațiilor de frânare, cea calculată și cea determinată
Determinarea decelerațiilor la frânare
Figura 52. Reprezentarea decelerației calculate
Regim rapid R – cu acceleratorul de frânare în funcție
Frânarea vagonului gol (VOM)
Procentul masei frânate la vagon gol:
Procentul de frânare la vagon gol:
Pentru vagon gol, spațiul de frânare de la o viteză de 160 km/h, după diagrama din Figura 48 este de:
Relația pentru determinarea spațiului de frânare pe cale teoretică este:
Spațiul de frânare este:
cu o diferența de calcul de:
cu o eroare de calcul, fata de valoarea din diagrama de:
Figura 53. Reprezentarea comparativă a spațiilor de frânare, cea calculată și cea determinată
Determinarea decelerațiilor la frânare
Decelerația calculată este:
Figura 54. Reprezentarea decelerației calculate
Frânarea vagonului încărcat normal (SN)
Procentul masei frânate la vagon încărcat normal:
Procentul de frânare la vagon încărcat normal:
Pentru vagon gol, spațiul de frânare de la o viteză de 160 km/h, după diagrama din Figura 48 este de:
Frânarea vagonului încărcat excepțional (SE)
Procentul masei frânate la vagon încărcat excepțional:
Procentul de frânare la vagon încărcat excepțional:
Pentru vagon încărcat la maxim, spațiul de frânare de la o viteză de 160 km/h este de 1380 m.
Pentru vagon gol, spațiul de frânare de la o viteză de 160 km/h este de:
Relația pentru determinarea spațiului de frânare pe cale teoretică este:
Spațiul de frânare este
cu o diferența de calcul de:
cu o eroare de calcul, fata de valoarea din diagrama de:
Figura 55. Reprezentarea comparativă a spațiilor de frânare, cea calculată și cea determinată
Determinarea decelerațiilor la frânare
Decelerația calculată:
Figura 56. Reprezentarea decelerației calculate
Regim rapid <R> – cu acceleratorul de frânare scos din funcție
Frânarea vagonului gol (VOM)
Procentul masei frânate la vagon gol:
Procentul de frânare la vagon gol:
Pentru vagon gol, spațiul de frânare de la o viteză de 160 km/h, după diagrama din Figura 48 este de:
Frânarea vagonului încărcat normal (SN)
Procentul masei frânate la vagon încărcat normal:
Procentul de frânare la vagon încărcat normal:
Pentru vagon gol, spațiul de frânare de la o viteză de 160 km/h este de:
Frânarea vagonului încărcat excepțional (SE)
Procentul masei frânate la vagon încărcat excepțional:
Procentul de frânare la vagon încărcat excepțional:
Pentru vagon gol, spațiul de frânare de la o viteză de 160 km/h, după diagrama din Figura 48 este de:
Regim rapid <R>+Mg – cu acceleratorul de frânare scos din funcție și cu frână electromagnetică
Masa frânată B este aceeași ca și cea din cazul frânării în regim <R> cu acceleratorul de frânare scos din funcție în regim <R> majorată cu masa frânată de patinele electromagnetice.
Masa frânată B în regim <R> este:
Masa frânată de o patină electromagnetică:
Masa frânată totală va fi dată de masa frânată în regim <R> și cele patru patine electromagnetice montate pe cele două boghiuri ale vagonului:
Procentul masei frânate în funcție de masa frânată este dată de relația:
Frânarea vagonului gol (VOM)
Intervalele de calcul pentru viteza sunt:
Procentul masei frânate la vagon gol
Pentru vagon gol, spațiul de frânare de la o viteză de 200 km/h, după diagrama din Figura 48 este de:
Relația pentru determinarea spațiului de frânare pe cale teoretică este:
Figura 57. Reprezentarea comparativă a spațiilor de frânare, cea calculată și cea determinată
Spațiul de frânare este:
cu o diferența de calcul de:
cu o eroare de calcul, față de valoarea din diagrama de:
Determinarea decelerațiilor la frânare
Decelerația calculată:
Figura 58. Reprezentarea decelerației calculate
Frânarea vagonului încărcat normal (SN)
Procentul masei frânate la vagon încărcat normal:
Pentru vagon gol, spațiul de frânare de la o viteză de 200 km/h este de:
Frânarea vagonului încărcat excepțional (SE)
Procentul masei frânate la vagon încărcat excepțional:
Pentru vagon gol, spațiul de frânare de la o viteză de 200 km/h, după diagrama din Figura 48 este de:
Relația pentru determinarea spațiului de frânare pe cale teoretică este:
Figura 59. Reprezentarea comparativă a spațiilor de frânare, cea calculată și cea determinată
cu o diferența de calcul de:
cu o eroare de calcul, fata de valoarea din diagrama de:
Determinarea decelerațiilor la frânare
Decelerația calculată:
Figura 60. Reprezentarea decelerației calculate
Concluzii
Procentul masei frânate conform fișelor UIC 543 sau UIC 546 trebuie să fie:
– în regim persoane P – = 105…125% pentru vagon gol – VOM;
– în regim rapid R – = 150…170% pentru vagon gol – VOM;
– în regim rapid <R> – = min. 135% vagon încărcat normal – SN.
Fișa UIC 567-1 impune pentru <R>+Mg un procent de greutate frânată de minim de 208 % pentru un vagon cu o sarcină de 5 tone.
În urma calculelor au rezultat următoarele valori:
– La regimul persoane P procentul masei frânate la vagon gol este:
– La regimul rapid R – cu acceleratorul de frânare în funcție – procentul masei frânate la vagon gol este:
– La regimul rapid <R> – cu acceleratorul de frânare scos din funcție – procentul masei frânate la vagon încărcat normal este:
– La regimul <R>+Mg – procentul masei frânate pentru vagon gol + 5 tone masă majorată, conform fișei UIC 567-1, este dată de relația:
La analiza valorilor procentelor de frânare obținute se constată că procentele de frânare se încadrează în limitele impuse de fișele UIC.
Principiul calculului pentru procentul de frânare corespunde metodei impuse de UIC și rezultatele sunt confirmate de experiențe și este recunoscută de numeroase rețele de cale ferată și SNCFR. Acest calcul permite a alege o amplificare a timoneriei de frână care să respecte cerințele UIC-ului pentru procentele de frânare între limitele superioare și inferioare. Procentul de frânare obținut în regim <R>+Mg confirmă necesitatea de a echipa cele două boghiuri cu frână electromagnetică pentru a obține cele 208 % procente de greutate frânată impusă.
Se constată că metoda teoretică de determinare a spațiului de frânare dă erori de calcul destul de mari la diferite cazuri și regimuri de frânare. Din această cauză ea nu este acceptată în totalitate, metoda propusă de UIC pe baza procentelor de frânare și a diagramei din Figura 48 este cea mai precisă, totuși este obligatoriu executarea prin programul de probe a fiecărui tip nou de vagon a probelor de frânare, pentru fiecare regim de frânare și pentru vagon individual și pentru convoiul de 15 vagoane care formează trenul experimental.
Bibliografie
G. Popoviciu, D. Tilea, C. Uță – Frâne moderne pentru locomotive – Ministerul Transporturilor și Telecomunicațiilor, București, 1971
KARL SANDER – Schinenbrense fűr Schinenfahrzeuge – BSI – 1971
SEBEȘAN I. – Dinamica vehiculelor de cale ferată – Ed. Tehnică, București,1995
SEBEȘAN ȘT. și TILEA D. – Frânarea trenurilor – Ed. Transporturilor și Telecomunicațiilor, București, 1963
STOICA MIHAIL – Frânarea trenurilor – Ed. Feroviară, București, 1998
TORSTEN DELLMANN – Entwicklungen auf dem Gebeit technik für Schienenfahrzeuge – Bremstechnik für Schienenfahrzeuge, 1993
Knorr-Bremse Handbook – Brake Engineering Terms and Values for Rail Vehicles – 1978
Knorr-Bremse Handbuch – Bremsen für Schinenfahrzeuge – 1990
UIC 421 OR – Règles de composition et de freinage des trains des marchandises en service international
UIC 515 – Voitures – Organes de roulement
UIC 540 O – Freins – Freins a air comprime pour trains de “marchandises” et trains de “voyageurs”
UIC 541-1 – Frein – Normalisation – Prescriptions concernant la construction des différents organes de frein
UIC 544-1 O – Frein – Puissance de freinage
UIC 544-2 OR – Conditions a remplir par le frein dynamique des locomotives et motrices pour pouvoir compte de son effort dans le calcul de la masse freine
UIC 546 OR – Frein – Frein a haute puissance pour trains de voyageurs
UIC 547 Frein – Freins à air comprimé – Programme-type d’essais
Bibliografie
G. Popoviciu, D. Tilea, C. Uță – Frâne moderne pentru locomotive – Ministerul Transporturilor și Telecomunicațiilor, București, 1971
KARL SANDER – Schinenbrense fűr Schinenfahrzeuge – BSI – 1971
SEBEȘAN I. – Dinamica vehiculelor de cale ferată – Ed. Tehnică, București,1995
SEBEȘAN ȘT. și TILEA D. – Frânarea trenurilor – Ed. Transporturilor și Telecomunicațiilor, București, 1963
STOICA MIHAIL – Frânarea trenurilor – Ed. Feroviară, București, 1998
TORSTEN DELLMANN – Entwicklungen auf dem Gebeit technik für Schienenfahrzeuge – Bremstechnik für Schienenfahrzeuge, 1993
Knorr-Bremse Handbook – Brake Engineering Terms and Values for Rail Vehicles – 1978
Knorr-Bremse Handbuch – Bremsen für Schinenfahrzeuge – 1990
UIC 421 OR – Règles de composition et de freinage des trains des marchandises en service international
UIC 515 – Voitures – Organes de roulement
UIC 540 O – Freins – Freins a air comprime pour trains de “marchandises” et trains de “voyageurs”
UIC 541-1 – Frein – Normalisation – Prescriptions concernant la construction des différents organes de frein
UIC 544-1 O – Frein – Puissance de freinage
UIC 544-2 OR – Conditions a remplir par le frein dynamique des locomotives et motrices pour pouvoir compte de son effort dans le calcul de la masse freine
UIC 546 OR – Frein – Frein a haute puissance pour trains de voyageurs
UIC 547 Frein – Freins à air comprimé – Programme-type d’essais
Bibliografie
G. Popoviciu, D. Tilea, C. Uță – Frâne moderne pentru locomotive – Ministerul Transporturilor și Telecomunicațiilor, București, 1971
KARL SANDER – Schinenbrense fűr Schinenfahrzeuge – BSI – 1971
SEBEȘAN I. – Dinamica vehiculelor de cale ferată – Ed. Tehnică, București,1995
SEBEȘAN ȘT. și TILEA D. – Frânarea trenurilor – Ed. Transporturilor și Telecomunicațiilor, București, 1963
STOICA MIHAIL – Frânarea trenurilor – Ed. Feroviară, București, 1998
TORSTEN DELLMANN – Entwicklungen auf dem Gebeit technik für Schienenfahrzeuge – Bremstechnik für Schienenfahrzeuge, 1993
Knorr-Bremse Handbook – Brake Engineering Terms and Values for Rail Vehicles – 1978
Knorr-Bremse Handbuch – Bremsen für Schinenfahrzeuge – 1990
UIC 421 OR – Règles de composition et de freinage des trains des marchandises en service international
UIC 515 – Voitures – Organes de roulement
UIC 540 O – Freins – Freins a air comprime pour trains de “marchandises” et trains de “voyageurs”
UIC 541-1 – Frein – Normalisation – Prescriptions concernant la construction des différents organes de frein
UIC 544-1 O – Frein – Puissance de freinage
UIC 544-2 OR – Conditions a remplir par le frein dynamique des locomotives et motrices pour pouvoir compte de son effort dans le calcul de la masse freine
UIC 546 OR – Frein – Frein a haute puissance pour trains de voyageurs
UIC 547 Frein – Freins à air comprimé – Programme-type d’essais
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Utilizarea Franelor Electromagnetice LA Vehiculele Feroviare. Prezentare, Solutii Constructive. Calcule DE Franare (ID: 164051)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.