ELEKTRICKÁ TRAKCE 8. ELEKTRICKÉ OVLÁDÁNÍ BRZD

Elektrická trakce 8 - Elektrické ovládání brzd Obsah 4.11.2008 ETR800.DOC

Doc. Ing. Jiří Danzer CSc.

ELEKTRICKÁ TRAKCE 8. ELEKTRICKÉ OVLÁDÁNÍ BRZD

Obsah 1

2

3

Úvod ..................................................................................................................................................2 1.1

Energie při brzdění .................................................................................................................... 2

1.2

Rozdělení brzd .......................................................................................................................... 3

1.3

Energie pro brzdění................................................................................................................... 3

Brzdy elektrodynamické ....................................................................................................................5 2.1

Brzdění trakčními motory .......................................................................................................... 5

2.2

Brzdění s využitím vířivých proudů ........................................................................................... 8

Provozní mechanická brzda ........................................................................................................... 11 3.1

Pneumatická brzda železničních vozidel ................................................................................ 13

3.1.1

Přímočinná brzda ............................................................................................................. 15

3.1.2

Elektrické ovládání přímo působících brzd ...................................................................... 15

3.1.3

Samočinná brzda ............................................................................................................. 16

3.1.4

Požadavky na průběžnou brzdu ...................................................................................... 18

3.1.5

Součinnost pneumatických brzd ...................................................................................... 20

3.1.6

Elektrické ovládádní samočinné brzdy ............................................................................ 21

3.2

Mechanické brzdy tramvají ..................................................................................................... 26

4

Kolejnicové brzdy ........................................................................................................................... 32

5

Zajišťovací a parkovací brzdy ........................................................................................................ 39

6

Preference a součinnost brzd ........................................................................................................ 41

7

6.1

Preference ............................................................................................................................... 41

6.2

Součinnost brzd ...................................................................................................................... 42

Literatura ........................................................................................................................................ 46

-1-

Elektrická trakce 8 - Elektrické ovládání brzd 1. Úvod

1 ÚVOD Brzdění slouží k udržení rychlosti na spádu, ke snížení rychlosti nebo zastavení a udržení vozidla nebo soupravy trvale v klidu. V podstatě se jedná buď o umělé zvětšení jízdních odporů (brzdy třecí), nebo o změnu smyslu tažné síly (motory se využívají jako generátory, elektrodynamická brzda). Různými prostředky se vytváří brzdná síla jako opak síly tažné. Jí pak odpovídají dynamické děje při brzdění, které se popisují podobnými rovnicemi jako děje při rozjezdu a jízdě tahem. Výběh tak odpovídá minimálnímu stupni brzdění (jízdními odpory a stoupáním). Z provozního hlediska se však brzdění od rozjezdu liší podstatně, protože brzdění zajišťuje v převážné většině případů bezpečnost dopravy a proto se na všechny aspekty, které se brzdění týkají, vztahují přísné předpisy, které mají zajistit účinnost a spolehlivost brzdového zařízení. Ačkoliv hlavním tématem tohoto dílu je elektrické řízení brzd různých typů, je třeba se v nezbytné míře věnovat i mechanickým systémům brzd tak, aby byly zřejmé jejich vlastnosti a původní (neelektrický ) způsob řízení. Tento způsob totiž v mnoha případech zůstává zachován jako záložní stejně jako většinou zůstávají zachovány základní vlastnosti brzd (zejména dynamické) a jejich ovládání, řízení nebo regulace je proto musí respektovat.

1.1

ENERGIE PŘI BRZDĚNÍ Základní problém při brzdění představuje nutnost odebrat brzděné soupravě poměrně velké

množství energie. Její velikost roste s hmotností a se čtvercem rychlosti a je řádově stejně veliká jako energie, odebraná ze zdroje při rozjezdu. Zatímco u tramvaje o 12 t a rychlosti 40 km/h činí přibližně 0,2 kWh, u expresu 800 t s rychlostí 200 km/h je to již 343 kWh. Nejefektivnější způsob brzdění je vrátit tuto energii do zdroje, to znamená použít rekuperace. Pro ni musí být vozidlo technicky vybaveno a zdroj (trolej nebo trakční baterie) musí být schopen rekuperovanou energii odebrat. Zvláštním případem je tzv. „výšková rekuperace“ u podzemní dráhy, při které se stanice (pokud to okolnosti dovolují) budují blízko pod povrchem a vlastní trať pak v hloubce větší. Souprava se pak rozjíždí se spádu a brzdí do „protisvahu“. U vozidel se spalovacím motorem a elektrickým přenosem se pro podobné účely zkouší použít setrvačník sloužící pro akumulaci energie při brzdění s možností ji využít při následujícím rozjezdu. Příklad byl uveden v souvislosti s vozidly s více způsoby napájení. Druhou možností pak je změnit brzdovou energii v teplo. V případě elektrického odporového brzdění se energie maří v odpornících, které jsou pro tyto účely speciálně navržené co do materiálů, umístění a chlazení. Elektrická energie se tedy mění v teplo na místě a za okolností, které lze poměrně volně volit a brzdění nepředstavuje prakticky nárůst požadavků na údržbu. To jsou hlavní výhody elektrického brzdění, kdy motory pracují jako generátory. V ostatních případech se jedná o brzdy třecí, kdy se teplo vyvíjí bezprostředně v místě styku ploch, které se navzájem pohybují. Při brzdění litinovými brzdovými špalíky na obručích kol se teplo odvádí do obou částí, avšak vysoké teploty, které při to vznikají, mohou být v řadě ohledů nebezpečné (vznik trhlin na oběžné

-2-

Elektrická trakce 8 - Elektrické ovládání brzd 1. Úvod ploše, uvolnění obručí na hvězdici, nebezpečí požáru) a zároveň toto (klasické) uspořádání váže umístění brzdy přímo ke kolům. Při použití kotoučových brzd se sice řada nevýhod zdržových brzd odstraní, avšak teplo se odvádí pouze do brzdových kotoučů (brzdové obložení je velmi špatně tepelně vodivé). U brzd, které spolupracují s kolejnicemi (elektromagnetické kolejnicové a vířivé brzdy) dochází k ohřevu kolejnic a případně i k indukci rušivých napětí, což může také představovat provozní problém.

1.2

ROZDĚLENÍ BRZD Brzdové systémy lze dělit podle mnoha kritérií, z nichž s ohledem na hlavní cíl uvedeme jen

některé možnosti. S ohledem na způsob přenosu brzdné síly z vozidla na kolej rozlišujeme brzdy adhezní, kdy se brzdná síla přenáší na kolejnice adhezí, a brzdy neadhezní. Je zřejmé, že u adhezních brzd je velikost skutečné brzdné síly závislá na velmi proměnlivém koeficientu adheze mezi kolem a kolejnicí (viz díl, pojednávající o adhezi, smyku a protismykových zařízeních). Přesto jsou u kolejových vozidel nejběžnější, ovšem bezpečně dosažitelné brzdné síly jsou menší a jim odpovídající zábrzdné dráhy jsou delší než například u vozidel silničních (na suché vozovce!). To je na závadu především u tramvají, které se pohybují v běžném pouličním provozu. Mezi brzdy adhezní patří prakticky všechny brzdy nekolejových vozidel, brzdy špalíkové, kotoučové, brzdění trakčními motory. Neadhezní brzdy působí přímo na kolejnice. Jedná se o různé varianty brzd kolejnicových a ovšem brzdy u vozidel ozubnicových, lanových drah atd. Také vozidla s lineárními motory přirozeně brzdí neadhezně. Neadhezními brzdami byly nejprve vybavovány tramvaje z důvodů výše zmíněných. Postupně se jejich použití rozšířilo i na motorové jednotky a vysokorychlostní soupravy pro dodržení zábrzdných drah, které jsou odvozeny od současných vzdáleností návěstidel . Rozdělení na brzdy třecí a elektrodynamické má rovněž zásadní význam. Elektrodynamické brzdy (včetně vířivých) nemají opotřebující se díly a vyžadují jen nepatrnou údržbu. Dají se také obyčejně snadno elektricky řídit a jejich účinek je dobře definován (například brzdovými charakteristikami) Na druhé straně nejsou obecně schopné udržet vozidlo v klidu. Z důvodů bezpečnosti jsou vozidla vybavena nejméně dvěma, často ale více brzdovými systémy a z hlediska provozu se liší různým způsobem použití a tedy i ovládání těchto brzdových systémů. Hovoří se pak obyčejně o brzdě provozní, nouzové, havarijní, záchranné ap. Zajištění správné součinnosti těchto, ve své podstatě často značně rozdílných brzdových systémů může představovat složitý úkol. V dalším se budeme podrobněji zabývat jednotlivými systémy brzd, jejich vlastnostmi a způsobem jejich ovládání. Zapojení do vyšších systémů regulace bude popsáno v souvislosti s řízením jízdy v samostatném díle.

1.3

ENERGIE PRO BRZDĚNÍ Z hlediska spolehlivosti a bezpečnosti je (kromě konstrukčního a výrobního provedení, údržby,

obsluhy a dalších samozřejmých podmínek) důležitý zdroj síly resp. energie pro brzdění. Prakticky

-3-

Elektrická trakce 8 - Elektrické ovládání brzd 1. Úvod každé brzdění vyžaduje buď trvale, nebo alespoň na počátku nebo případně před zahájením brzdění přívod energie. Na možnosti spolehlivě a případně dlouhodobě zajistit tuto energii je tedy přímo závislá bezpečnost a následně i provozní využití příslušného brzdového systému. U elektrodynamických brzd se může jednat o energii pro buzení nebo nabuzení motoru a energii pro chlazení (motorů, měničů, odporníku). Mechanické brzdy využívají pro brzdění různé zdroje energie (síly). Brzdění může být ovládáno ručně. Ruční brzda působí obyčejně jen na některá dvojkolí vozidla (např. přilehlý podvozek) a slouží pro trvalé zajištění vozidla v klidu. Vzhledem k jednoduchosti obsluhy a nezávislosti na dalších podmínkách je ruční brzda v mnoha případech stále velmi dobrým a používaným zařízením. Problémem může být u moderních vozidel skutečnost, že ji nelze jiným způsobem (dálkově) ovládat a obyčejně ani signalizovat její stav. Dalším zdrojem brzdicí síly může být pružina (pružinové brzdy). K odbrzdění (tzn. stlačení pružiny) je ovšem třeba použít jiný, řízený zdroj síly, například stlačený vzduch, hydraulické zařízení nebo elektromotor. Podobné vlastnosti má také kolejnicová brzda s permanentími magnety. U vozidel železničního typu je nejčastějším zdrojem pro brzdy stlačený vzduch s tlakem 5..10 Bar. Tuto energii lze po omezenou dobu jednoduše uchovávat (v jímkách) a tak realizovat samočinnou brzdu (viz dále). U trolejbusů stejně jako u automobilů a často i u tramvají téměř výhradně se při brzdění využívá stlačená kapalina (olej) o tlaku zhruba 50...200 Bar. V porovnání s brzdami vzduchovými stačí proto pro vyvinutí stejné síly daleko menší průměr válce a celé zařízení je podstatně menší. Rozdíly mezi vlastnostmi obou systémů jsou ovšem hlubší. Protože kapalina je prakticky nestlačitelná, přenáší se síla na pracovní píst okamžitě a v odpovídající velikosti a například škrcením průtoku se dá řídit pouze rychlost pohybu pracovního pístu. Proto jsou tyto systémy používány často pro řízení polohy například u různých stavebních strojů. Na druhé straně vzduch je stlačitelný, takže škrcením se řídí vývin síly na pracovním pístu. Pro řízení brzdné síly je proto vzduch výhodný. Hydraulické systémy pracují s vysokou účinností, protože se vzhledem k nestlačitelnosti kapalina při stlačování neohřívá na rozdíl od poměrů při stlačování vzduchu. Kompresní teplo je nutno odvést a představuje ztráty. Dalším zdrojem energie je vozidlová baterie. Pro řízení obou právě jmenovaných brzdových systémů se používají elektropneumatické nebo elektrohydraulické ventily (a další elektrické, elektropneumatické a elektrohydraulické přístroje), také počáteční nabuzení dynamických brzd může být zajištěno z baterie. Bezprostředně pro brzdění se užívá energie z baterie pro elektromagnetické kolejnicové brzdy a pro brzdy vířivé. Podrobný a úplný přehled starších a dalších systémů brzd podává [ 1 ].

-4-

Elektrická trakce 8 - Elektrické ovládání brzd 2. Brzdy elektrodynamické

2 BRZDY ELEKTRODYNAMICKÉ Při elektrodynamickém brzdění se využívá k vyvození brzdné síly silových účinků mezi magnetickým polem a vodičem protékaným proudem. Nejčastěji se pod pojmem elektrodynamické brzdění rozumí brzdění trakčními motory, které pracují jako generátory poháněné kinetickou energií brzděné soupravy. Na elektrodynamickém účinku pracují ale i brzdy vířivé zaváděné v poslední době zvláště pro vysokorychlostní vozidla. V obou případech jde o brzdu „bezkontaktní“ a tedy bez opotřebení, v druhém případě se může jednat navíc o brzdy neadhezní. Všechny elektrodynamické brzdy se už z principu vyznačují jednoduchým přímým elektrickým řízením a rychlostí působení, která není prakticky omezena vlastním zařízením, nýbrž požadavky na dynamické účinky na vozidle (soupravě).

2.1

BRZDĚNÍ TRAKČNÍMI MOTORY Význam brzdění trakčními motory závisí v konkrétním případě na počtu poháněných náprav

v soupravě a na pracovním cyklu (hustotě brzdění). Proto má z hlediska brzdění největší význam u vozidel jako jsou tramvaje, metro a elektrické motorové jednotky. Tam se také plně uplatňuje rychlost jejich působení a přímá návaznost na řízení tahu. U lokomotiv má brzdění motorem výhodu především v úspoře jejích špalků, pracnosti při jejich výměně a ztrát prostoji lokomotiv pro jejich výměnu. Pro řízení brzdy platí podobná omezení jako pří jízdě tahem, zejména omezení brzdné síly adhezí, omezení rychlosti nárůstu a poklesu brzdné síly a omezení, daná dimenzováním elektrické výzbroje. Vlastnosti elektrické brzdy vyjadřují brzdové charakteristiky. Způsoby brzdění a jim odpovídající brzdové charakteristiky byly podrobně popsány v předchozích dílech u jednotlivých typů vozidel. Nejběžnější tvar odpovídá Obr. 1.

Obr. 1 Brzdová charakteristika (edb.dwg) V oblasti vyšších rychlostí (V1...Vmax) jsou tažné síly omezeny, u odporového brzdění výkonem brzdového odporníku, u rekuperačního brzdění proudem motorů nebo měničů (v obou případech obyčejně hyperbolou). Ve střední části (.V2.. V1) záleží na možnostech řízení buzení, brzdového odporu a především ohledy na adhezi (Fbmax). Pro brzdění se počítá s koeficientem adheze např.

-5-

Elektrická trakce 8 - Elektrické ovládání brzd 2. Brzdy elektrodynamické 0,15..0,18, což je zhruba poloviční hodnota než při rozjezdu). Dalším omezením mohou být požadavky na součinnost (zastupitelnost) elektrodynamické brzdy brzdou vzduchovou. V oblasti nejnižších rychlostí (0...V2) klesá brzdná síla k nule, pokud se ve zvláštních případech nepoužije brzdění protiproudem (srov. díl 4. o asynchronních motorech a jejich brzdění v oblasti nízkých rychlostí). Rychlost, při kterém začíná pokles brzdné síly závisí na vlastnostech trakčního obvodu a na vlastnostech spolupracující třecí brzdy. V žádném případě nelze elektrodynamickou brzdou zajistit vozidlo v klidu a pro plynulé zastavení je třeba sladit její řízení s vlastnostmi použité brzdy parkovací. Při zastavování, kdy je třeba přejít na brzdu parkovací (třecí), jsou rozhodující vlastnosti brzdy třecí. Z hlediska brzdění a jeho spolehlivosti u závislých vozidel lze rozdělit brzdění motory na •

brzdění závislé na napětí v troleji, to jsou případy brzdění rekuperačního a těch případů

brzdění odporového, kdy je pro jeho realizaci zapotřebí napětí v troleji pro buzení, chlazení atd., •

brzdění nezávislé, které vyžaduje nejen nezávislý zdroj pro buzení motorů, ale také zajištění

startu brzdění ve všech provozních stavech a zajištění všech dalších podmínek pro správnou činnost trakčních obvodů (chlazení měničů, motorů, odporníku aj.). Brzdění motory musí být vždy dostatečně rychle nahraditelné jinou provozní brzdou se stejným účinkem. Pokud jsou splněny další podmínky pro činnost brzdění motory ([ 2 ]), může být nezávislá elektrodynamická brzda započitatelná. Podmínkami jsou zejména omezení rizika smyku (přebrzdění), ovládání brzdičem samočinné brzdy a samočinný přechod na brzdu samočinnou při poruše. Pak se brzdové vlastnosti (zábrzdné dráhy při TBZ, viz dále) ověřují i s touto brzdou. Význam to má především u lokomotiv pro stanovení maximální dovolené rychlosti při strojové jízdě (v ostatních případech brzdí především vlak). Vlastní řízení brzdění v uvedených případech závisí na technickém provedení trakčních obvodů. Z hlediska obsluhy záleží na použitém systému řízení resp. stupni jeho automatizace (viz příslušný díl). Zpočátku bývala elektrická brzda ovládána samostatným ovladačem, ale teprve vhodné začlenění do systému řízení zajistilo její plné využívání v provozu. Při řízení tahu pákou s výchylkovým ovládáním je nejpřirozenějším způsobem řízení tahu směrem vpřed od neutrální polohy a řízení brzdy opačným směrem (k sobě). Tento způsob je vhodný především tam, kde elektrická brzda představuje hlavní provozní brzdu. Jinak je nutno zajistit vhodnou součinnost řízení elektrické brzdy s řízením ostatních provozních brzd. V případech, když elektrická brzda není hlavní provozní brzdou (její účinek není převažující, resp. dostatečný) je žádoucí ji užívat přednostně a tento požadavek mohou zajistit různé systémy přímého řízení tak, jak se historicky vyvinuly, nebo řízení (polo)automatické. Protože se však obyčejně i při automatizovaném řízení požaduje možnost přímého řízení brzdění, vznikají poměrně komplikované způsoby řízení. Některé jsou popsány dále, jiné v samostatném díle o řízení. O způsobech řízení bude pojednáno také v dalších kapitolách. Závěrem je dobré si uvědomit, že jde o brzdění adhezní a že o momentální schopnost přenést brzdnou sílu adhezí se obecně mohou „dělit“ brzda elektrická a brzda mechanická (například pneumatická). O součinnosti viz kap.6.2. Podobně jako při jízdě může i při brzdění dojít při překročení

-6-

Elektrická trakce 8 - Elektrické ovládání brzd 2. Brzdy elektrodynamické meze adheze a dojde ke smyku. I když k trvalému zastavení kol při brzdění motory nemůže zřejmě dojít, protože při nulové rychlosti otáčení motoru brzdná síla klesne k nule, může dojít k situaci, kdy se kola mohou do krátkodobých smyků dostat a může dojít k poškození obručí. Protismyková ochrana je tedy i při brzdění motory potřebná zvláště tam, kde je její využívání významné. Jako speciální případ brzdění asynchronními motory uvedeme zapojení podle [ 3 ]. Na ozubnicových drahách lze přirozeně také použít asynchronních trakčních motorů napájených z měničů. Pro extrémní spády, které se tam vyskytují, se elektrodynamické brzdění s pomocí měniče nejevilo dostatečně spolehlivé. Proto byl navržen, analyzován a zkoušen na upravené starší lokomotivě způsob brzdění, v jiných případech celkem běžný, a to s buzením pomocí kondenzátorů se startem z remanentního magnetického toku motorů (vzdálená obdoba tramvajové brzdy). Dvěma variantám připojení zátěže odpovídají náhradní schémata podle Obr. 2.

Obr. 2 Náhradní schéma při brzdění asynchronním motorem s kondenzátorovým buzením (zub_sch.bmp) Momentové charakteristiky obou zapojení se významně liší a jsou uvedeny v Obr. 3. Sériové zapojení sice vyžaduje poněkud větší kapacitu kondenzátorů, avšak náběh brzdného momentu je plynulejší a překmit rychlosti menší. Zapojení je v principu velmi jednoduché (využívá ovšem mnoha spínačů) a start je spolehlivý za všech okolností. Brzda byla úspěšně vyzkoušena i při „spuštění s kopce“ bez jiného brzdění.

Obr. 3 Momentové charakteristiky "samobuzené“ asynchronní brzdy (zub_cha.bmp)

-7-


2.2

BRZDĚNÍ S VYUŽITÍM VÍŘIVÝCH PROUDŮ Při tomto způsobu brzdění se proudy, které působí brzdění dynamickými účinky, indukují buď

v kolejnicích, pak se jedná o vířivé brzdy neadhezní, nebo v kotoučích na nápravách a pak jde zřejmě o brzdy adhezní. Energie se mění v teplo v částech, ve kterých vířivé proudy vznikají. Výhoda přenosu energie na vhodné místo (do odporníku) zde tedy odpadá. Při jejím použití (zpravidla) nedochází ke kontaktu mezi materiály a nevzniká tedy zvýšené opotřebení. Tyto brzdy se uplatňují především u vozidel na vysoké rychlosti. Princip je znám již dlouho (přehled historie v [ 4 ]), avšak zásadní impuls pro jejich aplikace představovala stavba vysokorychlostních vlaků TGV na SNCF a ICE vlaků na DB. První provozní zkoušky vířivých brzd proběhly již v roce 1985, sériové nasazení se však dočkaly až na ICE 3 [ 5 ]. Nejčastěji se používají lineární vířivé brzdy zavěšené na podvozcích nad kolejnicemi. Uspořádání a základní funkce jsou zřejmé z Obr. 4. Při pohybu magnetů vznikají v kolejnicích vířivé proudy, jejichž magnetické pole brání tomuto pohybu a vyvozuje tak brzdnou sílu.

Obr. 4 Princip činnosti vířivé brzdy podle[ 6 ] (vir_princ.bmp) Na rozdíl od magnetických kolejnicových brzd (viz dále) se nepředpokládá styk mezi pólovými nástavci a hlavou kolejnic, takže jde o brzdu neadhezní a bez opotřebení, což jsou vlastnosti pro brzdění při vysokých rychlostech velmi vítané. Příklad provedení je na Obr. 5 podle [ 6 ]. Hlavní výhody proti například kolejnicové brzdě jsou, že •

nedochází k opotřebení,

•

účinek brzdy lze plynule řídit velikostí budicího proudu,

•

účinek brzdy se v oblasti vysokých rychlostí mění relativně málo.

Na druhé straně stojí nevýhody, zejména •

vznik velkých přitažlivých sil, které jsou na rychlosti závislé hyperbolicky; firma Knorr-Bremse

uvádí pro své konstrukce údaje podle Obr.

6; přitažlivá síla je při 150 km/h přibližně rovna

vyvozované brzdné síle; s poklesem rychlosti roste síla nepřímo úměrně a namáhá konstrukci natolik, že je nutno budicí proud od určité rychlosti snižovat, aby se průhybem konstrukce zavěšení neměnila výrazně vzduchová mezera, •

oteplování kolejnic v závislosti na velikosti „odbrzděné“ energie a sledu vlaků, které brzdí na

stejném místě; zkoušky ukazují že při intervalu 30 min pro ICE mohou být poměry na hranici přijatelnosti [ 7 ],

-8-

Elektrická trakce 8 - Elektrické ovládání brzd 2. Brzdy elektrodynamické •

rušení zabezpečovacího zařízení některých systémů, zejména pokud využívají magnetické

účinky [ 7 ] (v našich poměrech například magnetické orientační body pro automatické vedení vlaku), •

vysoké nároky na spotřebu energie, které nejsou splnitelné běžnou vozovou baterií bez

značného předimenzování; proto může být použita jen jako brzda nouzová (na příklad na vložených vozech ([ 7 ]).

Obr. 5 Příklad provedení vířivé brzdy na podvozku ICE (vir_obr.bmp)

Obr. 6 Parametry vířivé brzdy Knorr [ 9 ] (knor_vir.bmp) Spotřeba vířivé brzdy a jejího účinku v porovnání s kolejnicovou brzdou je na Obr. 7.

-9-


Obr. 7 Porovnání energetické náročnosti a účinku vířivé a kolejnicové brzdy podle [ 8 ] (viriva_1.bmp) Na ICE 3 jsou vířivé brzdy napájeny ze stejnosměrného meziobvodu přes pulzní měniče a při dynamickém brzdění tedy z brzdové energie podle Obr. 8, u starších vozidel ze sběrnice vlakového topení.

Obr. 8 Zapojení vířivé brzdy na ICE 3 (ice3.bmp) Místo v kolejnicích mohou být vířivé proudy indukovány také v kotoučích umístěných na nápravách podobně jako u kotoučové brzdy. U kolejnicového provedení musí být vzduchová mezera poměrně velká (obyčejně asi 7 mm s ohledem na tolerance, průhyb a další okolnosti při zavěšení na podvozku) a pro buzení je zapotřebí značný proud. Uspořádání brzdových kotoučů na nápravě umožňuje vzduchovou mezeru výrazně zmenšit. Pak lze použít pro buzení i permanentní magnety, které energii nepotřebují vůbec. Řízení brzdné síly je ovšem komplikovanější, např. mechanickým natáčením permanentních magnetů (podobný princip jako u kolejnicových brzd - viz dále). Kromě toho je brzdný výkon omezen oteplením kotoučů, které navíc zvýšením ohmického odporu snižují brzdnou sílu (pro 500°C asi na polovinu - [ 8 ]).

- 10 -

Elektrická trakce 8 - Elektrické ovládání brzd 3. Provozní mechanická brzda

3 PROVOZNÍ MECHANICKÁ BRZDA V této kapitole se budeme zabývat adhezními provozními brzdami, tj. brzdami určenými především pro ovládání rychlosti soupravy. Proto musí mít možnost plynulého řízení velikosti brzdné síly při brzdění i při odbrzďování. Mohou přirozeně také sloužit k brzdění nouzovému, ale jejich účinek nemusí vždy postačovat a pak musí být doplněny další brzdou (například kolejnicovou). Jedná se vesměs o brzdy třecí a proto je velikost brzdné síly a omezení adhezí dáno výrazy

Fb = f . P ≤ µ.N r. 1

[kN, 1,

kN ]

P µ ≤ N f

kde Fb je brzdná síla, P přítlačná síla (na zdrže, kotouče), N nápravové zatížení, µ koeficient adheze a f koeficient tření. Koeficient tření závisí zejména na •

rychlosti relativního pohybu ploch, které se třou (na rychlosti závisí mj. i koeficient adheze,

ale obecně jinak, viz Obr. 9 ), •

materiálu těchto ploch,

•

měrném tlaku ve styku těchto ploch.

Poslední dva vlivy jsou dány konstrukcí. Závislost na rychlosti je různá u různých materiálů. Konstrukční uspořádání uvažovaných brzd je především dvojí •

špalíkové brzdy, kdy špalíky ze speciální litiny nebo z kompozitních materiálů (obdobných

materiálům pro brzdové obložení) dosedají na obruč kol, •

kotoučové brzdy, kdy jsou na nápravách nebo na jiných částech pro přenos momentu

z motoru na nápravu (dutý hřídel, volný konec hřídele trakčního motoru) upevněny kotouče (užívají se také kotouče přímo na discích kol), na které doléhají čelisti s brzdovým obložením. Uvedený výčet odpovídá postupnému vývoji. Hlavní nevýhodou špalíkové brzdy s litinovými špalíky je, že vznikající teplo může způsobit poškození obručí a vyžaduje poměrně časté výměny zdrží a vyvolává s tím spojené náklady na práci, materiál a ztráty prostoji. Opotřebení zdrží z kompozitních materiálů je výrazně nižší, ovšem účinek na obruče může být ještě nepříznivější. Špalíky vedou teplo podstatně hůře (na rozdíl od litinových) a nemají „čisticí účinek“ na povrch kola. Na moderních vozidlech (hnacích i vložených, rychlých vlacích i tramvajích, s výjimkou nákladních vozů) se používají prakticky výhradně brzdy kotoučové (čelisťové), protože umožňují oddělit a tím i optimalizovat brzdové funkce od kol a přinášejí větší konstrukční volnost v řešení brzdového systému, snížení jeho hmotnosti a možnost jeho umístění na odpružených částech podvozku. Z hlediska zdroje síly (nejčastěji brzdový válec a stlačený vzduch) není mezi uvedenými systémy zásadní rozdíl, podobně jako mezi jejich ovládáním. Pro řízení je ale důležitý rozdíl mezi závislostí koeficientu tření a koeficientu adheze na rychlosti. Například pro nejběžnější případ litinových špalíků a špalíků z kompozitních materiálů je závislost na rychlosti uvedena na Obr. 9, kde je uveden také průběh koeficientu adheze. Pokud tedy nemá při žádné rychlosti dojít ke smyku, musí podle r. 1 platit přibližně

- 11 -

Elektrická trakce 8 - Elektrické ovládání brzd 3. Provozní mechanická brzda r. 2

P ≤ 0,7 N

Na druhé straně je vidět, že pro dosažení maximálního brzdného účinku v průběhu brzdění je třeba s ohledem na adhezi v závislosti na rychlosti měnit přítlačnou sílu (špalíků nebo čelistí) tak, že při vyšších rychlostech se použije přítlak vyšší. V v oblasti velmi nízkých rychlostí musí být přítlak odpovídajícím způsobem snižován, aby nedošlo ke smyku. Tomu odpovídá běžný způsob ručního řízení brzdy a musí tomu odpovídat i řízení automatické. Zvlášť významné to může být v případě současného ovládání vozidel s různým provedením brzd (např. kotoučové na vozech a špalíkové na lokomotivách).

Obr. 9 Závislost koeficientu tření a adhezního součinitele na rychlosti (treni1.bmp)

.

- 12 -

Elektrická trakce 8 - Elektrické ovládání brzd 3. Provozní mechanická brzda Obr. 10 Součinitelé tření (treni2.bmp) Podobné pro závislosti koeficientů tření na rychlosti za různých okolností uvádí [ 10 ], Obr. 10. V Obr. 10 jednotlivé křivky pro •

1a - součinitel tření litinových špalíků při měrném tlaku 0,4 MPa,

•

1b dtto pro 1,0 MPa,

•

1c dtto pro 2 MPa,

•

2 součinitel tření brzdového obložení (kotoučové brzdy),

•

3 součinitel smykového tření kol po kolejnicích.

Také odtud je zřejmá značná rozdílnost průběhů a nelinearita působení brzd závislosti na rychlosti. Nejprve se soustředíme na pneumatickou brzdu, typickou pro vozidla železničního typu, a poté se zmíníme o systémech častěji užívaných u tramvají. V obou případech nejde o vyčerpávající přehled, nýbrž jen zjednodušený popis typických aplikací.

3.1

PNEUMATICKÁ BRZDA ŽELEZNIČNÍCH VOZIDEL Brzdy využívající pro vyvození přítlačné síly stlačeného vzduchu jsou u vozidel železničního typu

(například také u metra) základní a jejich historie je velmi dlouhá. Obsáhlý přehled je v [ 1 ]. Pro výklad budeme používat zjednodušená vzduchová schémata, aby z nich byla zřejmá jejich základní funkce a propojení s případným elektrickým ovládáním a kontrolou. Všechny jiné pneumatické přístroje stejně jako řada dalších pomocných zařízení, která mají mj. za úkol zajistit, aby stlačený vzduch neobsahoval mechanické nečistoty, vlhkost a olej nebudou uváděny, ačkoliv jsou pro spolehlivou funkci nezbytné. Pro skutečné provedení je třeba se obrátit na schémata vzduchových obvodů konkrétního vozidla. V nich jsou zahrnuty i další funkce, zajišťované stlačeným vzduchem (ovládání elektrických přístrojů, zajišťovacích a kolejnicových brzd, vzduchové vypružení, pískování aj.). Brzdovou výstroj vyrábí řada velkých firem, například Knorr Bremse (SRN), SAB-Wabco (Švédsko), Westinghouse (USA), u nás pak Dako Třemošnice a ovšem řada dalších. Jednotné označen přístrojů ve schématech vhodné pro naše účely však není ustálené a proto pro následující zjednodušená principiální zapojení budeme používat označení podle Tab. 1. Tab. 1 Vybraná zařízení, použité znčky a jejich význam ve vzduchových schématech. Značka

Název Brzdový válec (BV)

Funkce Základní součást brzdové výstroje nebo brzdové jednotky, zdroj brzdné síly

Dvojitá zpětná

Zařízení, které propojuje na výstup to ze dvou vstupních

záklopka

potrubí , které má větší tlak; vzduch při tom může proudit oběma směry

- 13 -

Elektrická trakce 8 - Elektrické ovládání brzd 3. Provozní mechanická brzda Značka

Název

Funkce

Elektropneumatický

Elektricky ovládaný ventil, v provedení “normálním” při

ventil

nabuzení otevírá průchod vzduchu, při “inverzním” provedení ho za stejných okolností zavírá

HP

Elektropneumatický

Jako v předešlém případě, po uzavření ventilu se prostor

ventil s odvětráním

za ventilem spojí s atmosférou

Hlavní potrubí

Potrubí, procházející celou soupravou, které slouží pro zásobování vzduchem a současně k ovládání samočinné brzdy v jednotlivých vozidlech soupravy

NP

Kohout (ruční)

Uzavírá nabo otevírá průchod vzduchu

Kompresor

Pístový a rotační kompresor - zdroj tlakového vzduchu

Napájecí potrubí

Potrubí, připojené k hlavním jímkám, které slouží pro napájení vzduchových zařízení na vozidle; může být propojeno s dalšími vozidly

Převodník tlaku

Převádí tlak v připojeném potrubí na (zpravidla) stejnosměrné analogové napětí pro účely signalizace, kontroly či regulace

Rozvaděč

Zařízení, které na základě tlaku v průběžném potrubí řídí brzdění na příslušném vozidle (PV je pomocný a RV rozvodový vzduchojem)

Ruční ovladač brzdy Převodník mechanické výchylky ruční páky na změnu (brzdič)

tlaku v potrubí za ovladačem

Tlakový spinač

Spínač ovládaný tlakem v připojeném potrubí; velikost tlaku, hystereze mohou být případně i nastavitelné, uspořádání kontaktů různé,

Upravovač tlaku

Zařízení, které omezuje tlak v potrubí za ním na nastavenou hodnotu

ZZ

Zpětná záklopka s naznačeným směrem průchodu vzduchu

Zdrojem

stlačeného

vzduchu

jsou

kompresory,

pístové

nebo

rotační,

poháněné

elektromotorem a řízené tak, aby byl tlak v hlavních jímkách udržován v požadovaném rozmezí (obyčejně 8..10 Bar=0,8..1,0 MPa). O kompresorech viz ETR II, díl 6. Vlastní spotřeba a chlazení.

- 14 -

Elektrická trakce 8 - Elektrické ovládání brzd 3. Provozní mechanická brzda 3.1.1

PŘÍMOČINNÁ BRZDA

Přímočinná brzda je nejstarší a také nejednodušší variantou pneumatické brzdy (od roku 1856). Základní zapojení je na Obr. 11 se dvěma variantami ovládání vzduchem: •

výchylkové ovládání pomocí ručně ovládaného upravovače tlaku vzduchu pro brzdění, Obr.

11 a, •

přírůstkové ovládání ručním ovládáním napouštěcího a vypouštěcího ventilu, kterým se

řídí tlak v BV, Obr. 11b.

Obr. 11 Přímočinná brzda (vzd_brz.dwg) Tlak v brzdovém válci může dosáhnou hodnoty tlaku v napájecím potrubí (pokud není omezen). Pokud se ovšem přeruší (otevře, přetrhne) potrubí za brzdičem, všechny připojené brzdy přestanou brzdit. Proto je tato brzda používána především pro brzdění trakčních vozidel (ev. nedělitelné soupravy trakčních vozidel), kde v takovém případě lze použít některou jinou, dostatečně účinnou brzdu (vždy musí existovat). Na lokomotivách bývá přímočinná brzda označována také jako lokomotivní nebo přídavná a slouží především pro brzdění při jízdě samotné lokomotivy, při posunu, manipulaci a pro zajištění vlaku v klidu (po zabrzdění např. samočinnou brzdou), protože se vyznačuje relativně rychlou reakcí při brzdění i odbrzďování. Její ovládání bývá zcela odděleno a při ručním ovládání prakticky nezávislé na ostatních brzdových systémech. 3.1.2

ELEKTRICKÉ OVLÁDÁNÍ PŘÍMO PŮSOBÍCÍCH BRZD

Elektrické ovládání nejčastěji „kopíruje“ přímé ovládání vzduchem. Analogií k uspořádání na Obr. 11b je zapojení na Obr. 12.

Obr. 12 Ovládání přímočinné brzdy EPV (vzd_br.dwg) Napájení EPV může řídit ruční ovladač nebo jiné elektrické zařízení. Výhodou je, že na stanoviště (resp. na obě stanoviště) není třeba přivádět potrubí a elektrický ovladač lze snáze konstrukčně začlenit do řídicího pultu. Aby byla zajištěna bezpečnost, musí být pro brzdění použit inverzní ventil, který při ztrátě napětí způsobí zabrzdění.

- 15 -

Elektrická trakce 8 - Elektrické ovládání brzd 3. Provozní mechanická brzda V souvislosti s různými automatizačními zařízeními se používají i další způsoby ovládání brzdy přímočinného typu, dva příklady jsou na Obr. 13. Zapojení na Obr.

13a představuje parkovací brzdu, která umožňuje například regulátoru

rychlosti „udržovat nulovou požadovanou rychlost“. Neslouží k brzdění za pohybu, pouze pro zajištění soupravy v klidu. Je řízena ve dvou stavech: „zabrzdit“ (nastaveným tlakem při nabuzení EPV) a „odbrzdit“ při odbuzení EPV (EPV je „normální“ s odvětráním potrubí za EPV při jeho uzavření).

Obr. 13 Parkovací a doplňková brzda (vzd_br.dwg) Na Obr. 13b je naznačeno zapojení pro řízení přímočinné brzdy ve funkci doplňkové brzdy. Nakreslené uspořádání je standardním třístavovým regulátorem tlaku v BV na požadovanou hodnotu tlaku reprezentovanou elektrickým signálem s převodníkem tlaku jako čidlem skutečné hodnoty. Slouží na trakčních vozidlech s elektrodynamickým brzděním trakčními motory pro doplnění velikosti brzdné síly trakčního vozidla na stálou hodnotu jednak v oblasti vysokých rychlostí, kde brzdná síla od motorů je podle charakteristiky (Obr.

1) omezena (výkonem odporníků, měničů ap. resp.

možnostmi buzení motorů), jednak při nízkých rychlostech. Doplňková brzda je pak řízena společně s řízením elektrodynamické brzdy a stává se vlastně její „součástí“ při brzdění trakčního vozidla. V případech výpadku elektrodynamické brzdy může případně převzít celou brzdovou práci na trakčním vozidle. Pak ovšem musí její účinek odpovídat plnému účinku elektrodynamické brzdy (v oblasti středních rychlostí) resp. dynamická brzda musí být odpovídajícím způsobem trvale omezena. U trakčních vozidel s kotoučovými brzdami se někdy používá tzv. čisticí brzda. Provedením se podobá obyčejné špalíkové brzdě, špalíky jsou ovšem daleko menší stejně jako přítlačná síla. Účelem tohoto zařízení není totiž skutečně brzdit, nýbrž očistit povrch nákolků pro zlepšení adhezních poměrů před brzděním. Proto se čisticí brzda automaticky krátkodobě aktivuje například na začátku každého brzdění (schéma řízení může odpovídat Obr. 13a). 3.1.3

SAMOČINNÁ BRZDA

Samočinná brzda je charakteristická pro železniční vozidla a podobné případy, kdy je nutno počítat s možností samovolného rozdělení (přetržení) soupravy a je nutno zajistit brzdění i takovém případě. Zřejmou podmínkou je, aby každé vozidlo mělo vždy k dispozici energii pro brzdění a zabrzdilo i v případě, že není propojeno s trakčním vozidlem (zabrzdit musí samočinně i utržená část vlaku). Samočinná brzda se někdy označuje také jako průběžná nebo vlaková.

- 16 -


Obr. 14 Schéma samočinné brzdy (vzd_br.dwg) Maximálně zjednodušené schéma samočinné brzdy je na Obr. 14. Celou soupravou prochází hlavní potrubí HP a v každém brzděném vozidle je na něj připojen rozvaděč, řídící brzdu na vozidle. Do soupravy mohou být zapojena i vozidla, která mají pouze hlavní potrubí, nebo, což je z hlediska funkce totéž, mají přívod vzduchu k rozvaděči uzavřený. Rozvaděč je poměrně složité zařízení, jehož funkci lze bez nároků na přesnost a úplnost popsat následovně: •

na počátku zajišťuje naplnění pomocného vzduchojemu PV, rozvodového vzduchojemu RV a

prostor vlastního rozvaděče R na tlak v HP; po naplnění na jmenovitý tlak 5 Bar je odbrzděno, v brzdovém válci BV není tlak, •

při následujícím snížení tlaku v HP je původní tlak „zapamatován“ (uchován) v rozvodovém

vzduchojemu RV a v závislosti na rozdílu tlaku v RV proti tlaku v HV se zvyšuje tlak v BV přepouštěním vzduchu z PV; PV představuje onu zásobu energie pro brzdění daného vozidla, •

naopak zvyšováním tlaku v HP se vzduch z BV vypouští a brzdný účinek klesá případně až

do úplného odbrzdění (tlak v HP se téměř vyrovná s tlakem v RV); zároveň se doplňuje vzduch do PV tak, aby byl k dispozici pro další brzdění. Je vidět, že při úniku vzduchu z HP ať v důsledky poruchy, nehody nebo záměrně činností strojvedoucího (rychlobrzda, nouzová brzda), zásahem zabezpečovacího zařízení (šoupátko LVZ) nebo i cestujícími v případě akutního nebezpečí (záchranná brzda) bude brzda uveden v činnost. Samočinná brzda je tedy ovládána tlakem v HP a jeho velikost je ovládána brzdičem na vedoucím trakčním vozidle (na soupravě je v činnosti vždy pouze jeden brzdič). Brzdičem se řídí tlak v HP napouštěním vzduchu z hlavních jímek a napájecího potrubí nebo vypouštěním vzduchu do atmosféry. Existuje řada konstrukcí brzdičů v závislosti na výrobci a požadovaných vlastnostech. Základní polohy, který jsou nutné vždy a zajišťují uvedené funkce, jsou •

plnicí poloha pro rychlé plnění „prázdné“ soupravy vzduchem zvýšeným tlakem (např. po

sestavení), která zároveň umožňuje rychlé odbrzdění plnicím švihem (viz dále), •

jízdní poloha, tlak v HP je udržován na 5 Bar doplňováním ztrát netěsnostmi a při

odbrzďování, ev.. při plnění PV v soupravě, •

poloha provozní brzdění, která umožňuje postupné snižování nebo zvyšování tlaku v HP a

tím nastavení požadovaného brzdného účinku, •

rychlobrzda, kdy je rychle a úplně vypuštěn vzduch z HP.

Další funkce, které souvisí s ovládání samočinné brzdy jsou zejména

- 17 -

Elektrická trakce 8 - Elektrické ovládání brzd 3. Provozní mechanická brzda •

závěr, poloha v níž je spojení mezi brzdičem a HP uzavřeno,

•

nízkotlaké přebití, kdy je zvýšen tlak v HP na 5,5 Bar a poté pomalu snižován na jmenovitou

hodnotu 5,0 Bar aniž se vyvolá brzdění. Závěr slouží k odpojení všech dalších brzdičů, které mohou být na soupravě, k zamezení doplňování vzduchu z hlavních jímek při rychlobrzdě a při zkoušce těsnosti brzdových prostorů. Nízkotlaké přebití je určeno k rychlému odbrzdění nákladních vlaků a odstranění „přebití“ soupravy. Tento (velice zjednodušený) výklad základních funkcí je uveden proto, že elektrické ovládání musí přirozeně umožnit také všechny nebo alespoň všechny v daném případě potřebné způsoby ovládání. Je třeba zdůraznit, že při elektrickém ovládání se nahrazuje elektricky především brzdič, a to z důvodů, které byly uvedeny kapitole 3.1.2 pro brzdu přímočinnou. 3.1.4

POŽADAVKY NA PRŮBĚŽNOU BRZDU

Průběžná brzda je hlavní provozní brzdou na železnici a závisí na ní v rozhodující míře bezpečnost dopravy. Proto je její provedení, funkce a zkoušení určeno mnoha předpisy, ať je její ovládání provedeno jakkoliv. Samočinná brzda s popsanými vlastnostmi byla poprvé postavena firmou Westinghouse v roce 1875 a od té doby je nepřetržitě zdokonalována i řadou dalších firem. Protože se mezinárodní provoz vozů osobní i nákladní dopravy stal brzy skutečností, bylo nutno zajistit kompatibilitu brzd vozidel různých výrobců a zároveň její bezpečnou funkci. Proto byla a je brzdová výstroj předmětem mezinárodních předpisů UIC. Uvádí se 20 + 5 podmínek, jimž musí tyto brzdy vyhovovat (viz citaci příslušných předpisů v [ 11 ], dnes zřejmě poněkud změněných). Zkrácený obsah hlavních ustanovení uvádíme jednak proto, že charakterizuje základy činnosti brzdy, jednak proto, že podle prvního a klíčového ustanovení musí jakékoliv, tedy i elektrické řízení zachovat tyto základní funkce. Jedná se zejména o následující požadavky: •

Brzda musí být samočinná, k jejímu ovládání musí stačit stlačený vzduch a jediné potrubí.

•

Nové tlakové brzdy musí bez závad účinkovat s brzdami již schválenými.

•

Normální tlak je 5 Bar, brzda však musí pracovat v rozmezí 4...6 Bar.

•

Brzda musí být v pohotovostním stavu a v odbrzděné poloze, jeli v hlavním potrubí normální

tlak (tj. 5 Bar). Zabrzdění se dosáhne snížením tlaku v hlavním potrubí a odbrzdění jeho opětovným zvýšením. Když tlak v hlavním potrubí dosáhne hodnoty 4,85 Bar, musí tlak v BV klesnout pod 0,3 Bar. •

Brzda musí umožnit jednak rychlé zabrzdění náhlým a vydatným vypuštěním vzduchu

z hlavního potrubí (rychlobrzda), jednak úplné zabrzdění postupným snižováním tlaku v hlavním potrubí. •

Brzdí-li se z normálního tlaku, musí se největšího tlaku v brzdovém válci dosáhnout snížením

tlaku v hlavním potrubí o 1,3...1,6 Bar. Nejvyšší tlak v BV musí být v mezích 3,7...3,9 Bar. •

Naměřená průrazná rychlost při rychlém brzdění (podíl délky vlaku a času od povelu

z brzdiče do okamžiku, kdy začne do BV posledního vozu vnikat vzduch) musí být nejméně 250 m/s. •

Brzda musí naskočit dříve než za 6 s, jestliže se tlak v potrubí plynule snižuje o 0,6 Bar/6 s

(citlivost brzdy).

- 18 -


Brzda nesmí naskočit, jestliže tlak v potrubí klesá rychlostí 0,3 Bar/min (necitlivost např. na

netěsnosti). •

Při odbrzdění plnicím švihem 6 Bar nesmí dojít k přebití rozvaděče do 10 s v poloze „osobní“

a do 25 s v poloze „nákladní“ (zvýšením tlaku se urychlí odbrzdění zvláště u dlouhých vlaků). •

Pro odstranění přebití lze postupně snižovat tlak z 6 Bar na 5 bar za 10 min. aniž dojde k

zabrzdění (pro vlak, definovaný v předpisech). Brzdění v poloze „osobní“ (O) je určeno pro osobní vlaky a rychlíky resp. krátké a těsně spřažené vlaky, kde lze připustit rychlý nárůst brzdné síly bez nebezpečných podélných rázů v soupravě. Brzdění v poloze „nákladní“ (N) je určeno pro dlouhé vlaky nákladní, s uvolněnými spřáhly, kde je nutno značně omezit rychlost změn brzdných (a ovšem i tažných) sil proti technickým možnostem samočinné brzdy. Časové průběhy tlaků pro oba základní způsoby brzdění a pro rychlé a provozní brzdění a odbrzdění (provozní s maximálním švihem) jsou orientačně uvedeny v Obr. 15 podle [ 11 ] a jsou velmi významné při návrhu automatických způsobů řízení (existují i další, neuvedené způsoby brzdění).

Obr. 15 Časové průběhy tlaků samočinné brzdy (cha_vzd.dwg) Tyto průběhy jsou dány požadavky železničního provozu. Například pro samočinnou pneumatickou brzdu na pražském metru je doba pro dosažení plného brzdného účinku při provozním brzdění 3..5 s a pro rychločinné brzdění 1,0..1,5 s. Brzdí se tak ovšem těsně spřažená souprava o pěti vozech ([ 12 ]). Z hlediska zkoušení samočinné brzdy u vlaků uvedeme pouze tyto základní případy (nově navrhované systémy řízení brzd - viz EBAS - předpokládají opakované z těchto činností automatizovat!)

- 19 -


technicko-bezpečnostní zkouška (TBZ) se provádí na novém vozidle a na vozidle po

opravách nebo úpravách, které se dotýkají brzdové výstroje před uvedením do provozu; zjišťuje se především brzdná dráha na vodorovné přímé trati z maximální rychlosti vozidla při rychlobrzdě (a řada dalších vlastností), •

úplná brzdová zkouška se provádí po sestavení vlaku a zjišťuje se, zda brzdí i odbrzďují

všechny vozy v soupravě se zapojenou brzdou; zároveň je zjištěna hmotnost soupravy, údaj, důležitý také při automatizaci vedení vlaku, a hmotnost i brzdová hmotnost soupravy pro výpočet brzdového procenta (viz dále), •

zkrácená brzdová zkouška, kdy se kontroluje správná činnost brzdy pouze na posledním

voze. Účinek brzd je charakterizován brzdicím procentem, které je definováno pro soupravu takto

r. 3

B% =

∑ brzdicích hmotností .100 = ∑ Bv .100% ∑ hmotností vozidel ∑G

a obdobně pro jednotlivé vozidlo. Brzdicí hmotnost (dříve „brzdová váha“, označení Bv je ponecháno) je srovnávací údaj, charakterizující brzdný účinek vozidla a zjišťuje se ze zábrzdných drah a/nebo výpočtem podle stanovených postupů. Brzdicí hmotnost je uváděna na každém vozidle. V zásadě souvisí s velikostí přítlaku na špalíky nebo čelisti brzdy. Typicky pro špalíkovou brzdu pro „normální“ vůz platí, že brzdová hmotnost se rovná skutečné hmotnosti tj. Bv=G, když celkový přítlak zdrží P se rovná (srov. s výkladem u r. 1) r. 4

P ≈ (0,7....0,8 ) g G = (0,7....0,8 ) g.Bv

středního zpomalení soupravy pro úplné

provozní brzdění (pro které bylo brzdicí procento stanoveno). Podle [ 13 ] platí s použitím r. 4 postupně r. 5

ab =

Fb

ξr G

=

P.f

ξr G

=

(0,7...0,8 )g . Bv . f ξr G

=

(0,7...0,8 )g . f ξr

B% B = k. % 100 100

kde ξ r je redukovaný koeficient rotačních hmot, f střední koeficient tření mezi zdrží a obručí a k koeficient, který závisí na rychlosti a měrném tlaku ve styku špalíků a obruče (s rychlostí klesá, s tlakem mírně roste). Pro hrubý odhad lze počítat s hodnotou k ≈ 1 (platí pro rychlost okolo 60 km/h, 2

podrobnější údaje jsou v [ 13 ]). Pak brzdicímu procentu 100% odpovídá zpomalení zhruba 1 m/s . 3.1.5

SOUČINNOST PNEUMATICKÝCH BRZD

Na trakčním vozidle se (kromě jiných) používá především brzda přímočinná a brzda samočinná. Obě ovšem realizují brzdný účinek prostřednictvím stejných brzdových válců. Kromě toho brzdiče přímočinné brzdy na vozidlech se dvěma stanovišti bývají v činnosti oba (na rozdíl od brzdičů brzdy samočinné).

- 20 -


Obr. 16 Součinnost vzduchových brzd (souc_vzd.dwg) Zásadou pro součinnost pak je, že se má uplatnit největší z požadovaných tlaků od všech možných zdrojů. K tomu účelu se používají dvojité zpětné záklopky. Zjednodušený příklad pro lokomotivu se dvěma stanovišti je na Obr. 16. Elektrické ovládání řeší tyto úkoly pouze v některých případech. BP a BS označují brzdič přímočinné a brzdič samočinné brzdy, HV je hlavní vzduchojem. Schéma zachycuje pouze základní funkce, aby zůstalo přehledné. 3.1.6

ELEKTRICKÉ OVLÁDÁDNÍ SAMOČINNÉ BRZDY

Při elektrickém ovládání samočinné brzdy je obecně nutno zajistit všechny funkce původního brzdiče při řízení tlaku v HP. Používají se k tomu elektropneumatické ventily a další doplňující zařízení ve vzduchovém obvodu. Z nich nejdůležitější, která nejsou ve schématech nakreslena, jsou tlaková relé (s funkcí spojitého zesilovače ve vzduchovém obvodu) a šoupátka (odpovídají elektrickému relé nebo stykači, působí dvouhodnotově). Jsou řízena pomocným vzduchem s malým průtokem (např. z EPV) a ovládají průtok „výkonového“ vzduchu např. do BV nebo do atmosféry (například šoupátko při rychlobrzdě). Základním přístrojem pro ovládání samočinné brzdy je elektrický brzdič a příslušný ovladač (u ČD označení BSE a OBE, použito ve schématech). Ovladač je nejčastěji vhodně uspořádaný vícepolohový vačkový přepínač, umístěný na pultu strojvedoucího místo původního brzdiče.

- 21 -


Obr. 17 Elektrický brzdič a další orgány pro řízení samočinné brzdy (souc_vzd.dwg) Zjednodušené schéma elektrického ovládání samočinné brzdy je na Obr. 17. Vlastní brzdič je vyznačen čárkovaným ohraničením a zahrnuje EPV pro odbrzdění, nízkotlaké přebití (s ústrojím lineárního odvětrání pro pomalé vyrovnání tlaku), plnicí švih a provozní brzdění (inverzní EPV). Další funkce závěru a rychlobrzdy jsou realizovány šoupátky s inverzními EPV.

Obr. 18 Elektrické ovládání samočinné brzdy (souc_vzd.dwg) Použití elektrického brzdiče zjednodušuje výrazně tlakovzdušné potrubí, protože rozhodující část vzduchotechnických přístrojů může být soustředěna na jednom místě u brzdiče (pneumatická deska). Elektrický brzdič zjednodušuje také provedení pultu a umožňuje přirozené zapojení ovládání samočinné brzdy do ovládání vozidla a je podmínkou pro použití automatizačních postupů pro brzdění (regulace rychlosti a cílové brzdění). Na Obr. 18 je blokově naznačen princip elektrického ovládání samočinné brzdy dvěma ovladači a regulátorem rychlosti (RR).

- 22 -


Obr. 19 Součinnost vzduchových brzd při elektrickém ovládání (souc_vzd.dwg) Na Obr. 19 je zjednodušené schéma naznačující vzájemné vztahy mezi různými možnostmi řízení pneumatické brzdy na lokomotivě se dvěma stanovišti, regulátorem rychlosti (RR) a tahu (RT ovládá především trakční motory v tahu i v brzdě - EDB). Potřebné závislosti jsou realizovány dvojitými zpětnými záklopkami. Uvedené způsoby elektrického řízení vzduchových brzd se týkaly pouze zařízení trakčního vozidla a v podstatě realizují jinými prostředky původní způsob řízení. Vlastnosti samočinné brzdy se nemění, energie pro brzdění i řízení je (ve smyslu předpisů UIC) zajišťováno pouze prostřednictvím HP. Při růstu rychlostí vlaků a jejich hmotnosti (a tím i délky) při stávajících vzdálenostech návěstidel (a tedy potřebných zábrzdných dráhách) však popsaný způsob brzdění představuje omezení. V článku [ 14 ] se udávají perspektivní požadavky na zátěže •

pro rychlíky max. 300 km/h délka 400 m, hmotnost 1000 t,

•

pro nákladní vlaky max. 120..160 km/h, délka 700 m, hmotnost 5400 t při nápravovém zatížení

22,5 t nápravu. Pro jejich splnění při stávajícím umístění návěstidel lze využít zabezpečovacího zařízení, které umožňuje „vidět“ přes dva oddíly (přenos návěstních znaků na trakční vozidlo, např. LVZ ČD) a tak prodloužit dráhu, potřebnou k zabrzdění zhruba dvakrát. To může dovolit zvýšit maximální rychlost ze 120 na 140, případně na 160 km/h. V ostatních případech je nutno upravit působení brzdy na soupravě. Největší překážkou je přitom nutnost úpravy velkého množství vozidel, a to nejlépe současně, a ovšem problémy mezinárodního uznání určitého provedení. Z organizačních a ekonomických hledisek se proto pro nové provedení preferují ucelené jednotky (soupravy), u nichž se nepředpokládá běžné spojování s jinými vozidly, a to jak pro osobní, tak i pro nákladní dopravu (ucelené kontejnerové vlaky). Takové jednotky pak lze vybavit systémem brzdění (a dalšími zařízeními), které vyhovují předpisům především v tom smyslu, že zajišťují stejnou nebo vyšší - 23 -

Elektrická trakce 8 - Elektrické ovládání brzd 3. Provozní mechanická brzda bezpečnost. Jejich součinnost s dosavadními systémy může být omezena (například pouze na ovládání rychlobrzdy). Při zdokonalování se sledují jednak vlastnosti vozidel a jejich spřahování, jednak technická omezení vlastního brzdového systému. Volné spřažení především u nákladních vlaků (na rozdíl od centrálního spřáhla - např. v Rusku a USA) nedovoluje rychlé a nesoučasné změny brzdné síly, neboť by vznikaly značné podélné rázy a nebezpečí přetržení vlaku nebo vykolejení. Přechází se sice na brzdění v poloze O, ale při délce vlaku asi 700 m jsou podle [ 14 ] výsledné účinky prakticky stejné. Kritériem pro účinnost brzdy je zábrzdná dráha. Ta závisí na velikosti brzdné síly a rychlosti působení. Rychlost působení je omezena •

velikostí průrazné rychlosti, která je příčinou nesoučasného začátku působení brzdy

(teoreticky je omezena rychlostí zvuku), •

tím, že všechen vzduch pro celou soupravu při brzdění i při odbrzďování musí procházet

brzdičem na trakčním vozidle (ať klasickým nebo elektricky ovládaným) a danými průtočnými průřezy potrubí a přístrojů na celé soupravě je omezena rychlost působení. Velikost brzdné síly je omezena adhezí. Proto lze v závislosti na velikosti nákladu nebo obsazení vozidla a na rychlosti (srov. Obr. 9) a řídit její velikost. V závislosti na těchto okolnostech je možno použít větší tlak v BV. Zároveň je obyčejně třeba použít protismykové zařízení. Technicky poměrně jednoduché řešené představuje elektropneumatická brzda, která podporuje a urychluje činnost klasické samočinné brzdy a která představuje nástavbu nad standardní samočinnou brzdou, která zůstává ve funkci (v případě poruchy). Základní uspořádání představuje Obr. 20 podle [ 10 ].

Obr. 20 Schéma elektropneumatické brzdy (elpneubrzd.bmp) Vozidla vystrojená touto brzdou mají po celé soupravě propojeno •

hlavním potrubím HP, které slouží pro řízení brzdy buď v součinnosti s EPV nebo při poruše

standardním způsobem, •

napájecím potrubím NP s tlakem asi 8 Bar; pomocný vzduchojem PV je plněn jak z HP, tak i

(přes zpětnou záklopku ZZ) z NP vyšším tlakem (obdoba plnicího švihu), •

třížilovým elektrickým vedením, které je spojováno buď současně s brzdovými hadicemi,

nebo zvláštním kabelem.

- 24 -

Elektrická trakce 8 - Elektrické ovládání brzd 3. Provozní mechanická brzda Elektrickým signálem vyslaným z trakčního vozidla (většinou přímo z brzdiče) se ovládají EPV pro brzdění a odbrzďování na vozidlech. Při brzdění se vzduch z HP vypouští také přímo na vozidlech nabuzením EVB, takže náskok brzdy je rychlejší a současný na všech vozidlech a tlak v BV a střední brzdná síla může být vyšší. Při odbrzďování je vzduch do HP doplňován také z PV resp. z NP vyšším tlakem podobně jako při plnicím švihu, odbrzdění je tedy také rychlejší a současné na všech vozidlech. Vlastní brzdění je řízeno rozvaděčem jako dříve, který reaguje na změny tlaku v HP. Elektropneumatická brzda může být kombinována například s kontrolou konce vlaku, se zásobováním vozidel energií (malé výkony, např. pro napájení protismykového zařízení), se zařízením pro přemostění záchranné brzdy vyvolané cestujícími ap. ([ 15 ]). Zásadní řešení naznačených problémů však vyžaduje novou koncepci ovládání brzdy na vlaku spočívající v dalším odklonu od dosud aplikovaných řešení a v plném využití možností elektroniky. Uvedeme příklad koncepce EBAS vyvinuté spoluprací řady firem a DB AG podle [ 16 ] a [ 17 ], která usiluje o mezinárodní uznání a názorně ukazuje perspektivy pronikání procesorové a komunikační techniky i do tak konzervativního oboru, jako je mechanická brzda, a která také opravňuje předcházející obšírnější výklad současného stavu.

Obr. 21 Schéma zapojení elektronického řízení brzdy EBAS ([ 17 ]) (ebas.dwg) EBAS (Elektronische Brems- Abfrage- und Steuerung) si klade za cíl obecně zvýšení efektivnosti především nákladní železniční dopravy. Cílem je úspora nákladů a urychlení oběhu vozů. Bylo zjištěno, že největší rezervy jsou při seřazování vlaků, při rozpouštění, sestavování, kontrole brzd atd. vzhledem k velkému objemu ruční práce. Zároveň se řeší úkoly, popsané u elektropneumatické brzdy. Systém je připravován v několika krocích, které postupně rozšiřují možnosti a zároveň ovšem zvyšují i náklady. Zařízení schématicky znázorněné na Obr. 21 ukazuje již plně rozvinuté provedení. Z původní samočinné brzdy, která slouží jako záloha, zůstává zachováno

- 25 -


HP, které normálně slouží pouze jako napájecí a které procháze celým vlakem se stálým

tlakem 5 Bar, •

pomocný vzduchojem PV jako zásobník energie pro brzdění na každém vozidle,

•

rozvaděč, normálně neúčinný,

•

vlastní mechanická brzda (zpravidla kotoučová).

Celý systém včetně provozního brzdění se řídí povely z trakčního vozidla (řídicího počítače EBAS) přes vlakovou sběrnici CAN a informace o činnosti jsou zobrazeny na displeji. Po spojení vozidel začíná činnost identifikací všech vozidel a následuje zjištění potřebných informací o stavu jejich brzd, automatické provedení úplné brzdové zkoušky a vyhotovení příslušných dokumentů (seznam vozů a výsledek brzdové zkoušky). Dále je možno dálkově zapojit nebo vypojit brzdu jednotlivých vozidel, provádět dálkově rozpojování automatického spřáhla a kontrolu konce vlaku, přijímat a archivovat diagnostické zprávy aj. Za jízdy se ovládá brzda na vozidlech elektronicky a průběžně se kontroluje tlak v BV, těsnost a funkčnost celého zařízení. Standardní brzdič slouží pouze jako záloha. Povely z trakčního vozidla se přenášejí sériovou linkou CAN - vlakovou sběrnicí - do řídicích počítačů EBAS na vozidlech. Ty pak řídí přes elektronický rozvaděč tlak vzduchu v brzdovém válci. Přitom se bere v úvahu provedení brzdy na daném vozidle, jeho zatížení nákladem nebo osobami, účinek protismykové ochrany a případně další hlediska. Elektrická zařízení mohou být napájena z vozové baterie (pokud na vozidle je, na nákladních vozech dosud nebývá) nebo z průběžného napájecího vedení. Vozový počítač umožňuje podle povelů z trakčního vozidla komunikovat prostřednictvím vozové sběrnice s dalšími zařízeními na vozidlech a zajišťovat například: •

kontrolu teploty nápravových ložisek,

•

dálkové rozpojování automatického spřáhla,

•

blokování upevnění kontejnerů,

•

úplnou diagnostiku ovládaných zařízení.

Podmínkou pro úplné využití uvedených možností je (kromě vybavení vozů a trakčního vozidla příslušnými zařízeními) užití automatického spřáhla, které zároveň zajistí spolehlivé propojení nejen HP, ale také vlakové sběrnice a napájení. K tomuto účelu byl navržen bezkontaktní spojovací modul, který musí zajistit dlouhodobě spolehlivou činnost v extrémně tvrdých podmínkách provozu na spřáhle. Podrobnější popis je možno nalézt v uvedené literatuře s tím, že vzhledem k pokračujícímu vývoji budou mnohé údaje podléhat změnám.

3.2

MECHANICKÉ BRZDY TRAMVAJÍ Tramvaje a vozidla jim příbuzná nebo z nich odvozená používají zpravidla pouze brzdy

přímočinného typu, zřídka však vzduchové. Protože buď všechny nebo alespoň většina náprav je u těchto vozidel hnaných, má rozhodující význam brzda elektrodynamická, nejlépe rekuperační.

- 26 -

Elektrická trakce 8 - Elektrické ovládání brzd 3. Provozní mechanická brzda Vzhledem k typickému provoznímu režimu s velmi častými rozjezdy a brzděním snižuje rekuperace významně energetickou spotřebu (podle okolností tvoří úspory 25 až 40% proti brzdění do odporu). Tramvajové sítě jsou lokální a nepředpokládá se většinou spojování vozidel různého druhu, což umožňuje větší volnost při volbě technických řešení obecně a v tom i provedení brzdy. Rozhodující jsou přitom bezpečností kritéria, pro brzdu brzdové zpomalení resp. brzdná dráha. Pro brzdové 2

zpomalení při provozním brzdění se požadují hodnoty 1,2...1,4 m/s a při nouzovém brzdění i přes 2 2

m/s a jsou dány kompromisem mezi požadavkem na délku zábrzdné dráhy a nebezpečnými účinky na cestující. Tato zpomalení nelze bezpečně zajistit adhezními brzdami, zvlášť s ohledem na obecně horší adhezní podmínky u MHD. Proto hrají významnou úlohu při nouzovém brzdění kolejnicové brzdy. Mechanické brzdy na moderních vozidlech jsou výhradně kotoučové a slouží jako záskok při poruše brzdy elektrodynamické, pro dobrzďování v nízkých rychlostech a pro zajištění vozidla v klidu (společně s kolejnicovými brzdami a pružinovými zajišťovacími brzdami, viz dále). Mechanické brzdy jsou nejčastěji elektrohydraulické nebo elektrické (vynecháme li brzdu ruční). Zdrojem síly u elektrohydraulických brzd je stlačené kapalina (hydraulický olej) o tlaku zhruba 70...150 Bar (7...15 MPa). Kapalina je stlačena zpravidla zubovým čerpadlem s pohonem elektromotorem a uchována v akumulátoru, což je tlaková nádoba s membránou. Do ní se kapalina stlačuje proti tlaku plynu, například dusíku, který je od kapaliny membránou oddělen. Akumulátor slouží jako zásoba energie pro brzdění. Vlastním zdrojem síly, která svírá brzdové čelisti, pak může být •

pružina, jejíž síla na čelisti se tlakem v hydraulickém válci zmenšuje; pak hovoříme o

pružinové

brzdě

(Spring

applied

elektro-hydraulic

brake)

nebo

pasivní

brzdě

(Passiver

Krafterzeuger), která může sloužit i jako brzda parkovací, protože bez tlaku kapaliny je brzda zabrzděna, •

přímo působící síla tlakové kapaliny, pružina je pak pouze vratná.

Brzdový účinek musí být u provozní brzdy v obou případech regulovatelný. Jistá obdoba mezi samočinnou a přímočinnou vzduchovou brzdou je zřejmá. Blokové schéma pro obě uvedené varianty je na Obr. 22 (podle [ 18 ]). Pro hydraulická schémata se používá jiných značek, v dalším pro jednoduchost použijeme pro několik uvedených příkladů již zavedené značky podle Tab. 1. Zařízení se skládá ze zdroje tlakové kapaliny a brzdové jednotky. Zdroj tvoří čerpadlo, které stlačuje kapalinu ze zásobníku přes zpětnou záklopkou do akumulátoru. Jeho motor je ovládán tlakovým spínačem s vhodnou hysterezí. Řízení brzdové síly se provádí pomocí dvou elektrohydraulických ventilů (EHV 1 a EHV 2), z nichž jeden (EHV 1) zvyšuje tlak v BV a odbrzďuje a druhý (EHV 2, inverzní z důvodů bezpečnosti) tlak snižuje. Tím se uvolňuje pružina vyvozující přítlak čelistí při brzdění. Řízení zajišťuje regulátor, který zpracovává jednak požadovanou hodnotu brzdné síly, jednak skutečnou hodnotu tlaku v BVzískanou prostřednictvím převodníku tlaku. V horní části je zobrazeno uspořádání, kdy brzdnou sílu vyvozuje pružina a tlak kapaliny ji snižuje. Pak EHV 3 (inverzní) zajišťuje při ztrátě napájení nouzové brzdění zavřením vstupu a vypuštěním kapaliny z BV.

- 27 -


Obr. 22 Zjednodušené schéma elektrohydraulické brzdy (hydr_br.dwg) V dolní části Obr.

22 je naznačeno uspořádání, kdy je brzdná síla vyvozena přímo tlakem

kapalina v BV (EHV 3 se nepoužije). Ztrátou tlaku se odbrzďuje. První způsob je přirozeně bezpečnější a častější. O dalších aspektech a o použití pružinové brzdy jako brzdy zajišťovací bude pojednáno dále.

Obr. 23 Elektrohydraulická brzda HYS 101 ([ 19 ]) (hk.bmp) Konstrukčně bývá celý komplex potřebných zařízení včetně elektroniky uspořádán do kompaktní brzdové jednotky tak, aby byla zajištěna její autonomní funkce. Při poruše na jedné jednotce pak nejsou ostatní ovlivněny a ztráta na brzdné síle je minimální možná. Příklad provedení elektrohydraulické pružinové brzdové jednotky HYS 101 s čelisťovou brzdou podle [ 19 ] je na Obr. 23. Její parametry jsou: přítlačná síla 10 kN, hmotnost 50 kg, elektronika a zdroj tlakové kapaliny HZYK100 je na obrázku vpravo. Jako zdroj tlakové kapaliny zde nepoužívá akumulátor, ale čerpadlo běží trvale a „nepoužitá“ kapalina se vrací do zásobníku. V tomto případě je brzdová jednotka připojena pouze kabelem a řízena elektricky, hydraulické obvody jsou v každé jednotce zcela autonomní. Příklad elektrického řízení brzdy pro kolejové vozidlo je na Obr. 24 (podle [ 20 ]). Kodér převádí požadovanou brzdnou sílu zadanou ovladačem do tvaru šířkově modulovaného elektrického signálu, který je rozveden do všech spojených vozidel resp. brzdových jednotek. Na nich se v procesorovém dekodéru a regulátoru řídí brzdová síla podle zadaného požadavku s ohledem na momentální účinek

- 28 -

Elektrická trakce 8 - Elektrické ovládání brzd 3. Provozní mechanická brzda elektrodynamické brzdy a skutečné zatížení (obsazení) vozidla s případným omezením při nebezpečí smyku. V daném případě má vlastní nezávislé řízení brzdy každý podvozek.

Obr. 24 Zjednodušené schéma řízené elektrohydraulické brzdy (podle [ 20 ]) (hydr_br.dwg) Jako varianta k elektrohydraulické brzdě se používá brzda elektromechanická, kterou se v této souvislosti rozumí přímá obdoba popsaného hydraulického systému. Ve verzi „samočinné“, pasivní brzdy je motoricky stlačována pružina, která při uvolnění vyvozuje brzdnou sílu. Starší provedení podle [ 22] je na Obr. 25. Motor přes planetovou převodovku otáčí excentrem, který stlačuje nebo povoluje talířovou pružinu, a ta je zdrojem brzdicí síly. V odbrzděném stavu (pružina stlačena) je motor zabrzděn elektromagnetickou brzdou. Při jejím uvolnění se motor může pod vlivem síly talířové pružiny otáčet i bez přívodu energie (neřízené brzdění). Otáčením motoru do potřebné polohy řídí velikost síly pružiny (řízené brzdění i odbrzdění). Systém je řízen elektronicky (v daném případě ještě bez procesoru).

Obr. 25 Pružinová brzda řízená elektromotorem podle [ 22 ] (elb.bmp)

- 29 -

Elektrická trakce 8 - Elektrické ovládání brzd 3. Provozní mechanická brzda V jiných provedeních mohou být motory i dva, z nichž jeden pružinu „napíná resp. stlačuje“ a vytváří tak zásobu energie a druhý řídí brzdný účinek. Příklad takové moderní brzdy podle [ 21 ] je na schematickém Obr. 26 a v „rozloženém stavu“ na Obr. 27.

Obr. 26 Elektromechanické pružinová brzda SAB Wabco (sab2.bmp) Vesměs se u všech takových brzd jedná o poměrně komplikované mechanické systémy, které zajišťují i další funkce, především samočinné nastavování odlehlosti čelistí od brzdových kotoučů a různé možnosti ručního ovládání brzdy, zvláště v případech, kde je brzda využívána jako zajišťovací (viz kap. 5).

Obr. 27 Brzdová jednotka z Obr. 26 v „rozloženém“ zobrazení (sab1.bmp) Z uvedeného je patrné, že u tramvají jde sice o brzdové systémy, analogické systémům, používaným na železničních vozidlech, ale vzhledem k tomu, že není nezbytné trvat na rozsáhlé a dlouhodobé unifikaci mezi všemi používanými systémy, jsou provedení pestřejší a může se v jejich konstrukci snadněji prosazovat moderní technika. U novějších zařízení je procesorové řízení a sériová komunikace i při ovládání brzd běžná. Spolehlivost těchto systémů je tedy nepochybně na potřebné výši. Brzdový účinek může být vyvozován různými způsoby (elektrodynamicky, kotoučovými nebo kolejnicovými brzdami). Jejich využívání a spolupráce v provozu podobně jako u výše popsaných vozidel železničního typu je v provozu různé. Například pro tramvaje a lehká kolejová vozidla se rozeznává několik způsobů brzdění v závislosti na způsobu jeho zavedení:

- 30 -


provozní brzdění, zpravidla elektrodynamické mimo nejnižší rychlosti, kdy se přechází na

brzdu mechanickou popřípadě zajišťovací; ovládá ho řidič při běžném provozu, •

Nouze 1: plné provozní brzdění, které zadává řidič,

•

Nouze 2: poplach od cestujících, který je zadán ovladačem z prostoru pro cestující; většinou je

brzdění

vázáno

na

souhlas

řidiče (obdoba

blokování

záchranné

brzdy strojvedoucím

u

elektropneumatických brzd na železnici), •

Nouze 3: zavádí řidič nebo automatický systém řízení a odpovídá přibližně rychlobrzdě na

železničních vozidlech, •

Nouze 4: „červené tlačítko“ na stanovišti řidiče, zavádí maximální brzdění a může iniciovat i

další funkce; z hlediska brzdění odpovídá přibližně záklopce v hlavním potrubí na stanovišti. Někdy se definuje ještě brzdění bezpečnostní, které ale obecně nemusí vyžadovat nejvyšší hodnotu zpomalení. Pro jednotlivé režimy jsou stanoveny způsoby brzdění (použité systémy a jejich spolupráce) a požadované hodnoty zpomalení. Vzhledem k tomu, co bylo na začátku uvedeno o individuálním řešení těchto vozidel pro různé lokality mohou být požadavky na konkrétní vozidlo dosti různé.

- 31 -

Elektrická trakce 8 - Elektrické ovládání brzd 4. Kolejnicové brzdy

4 KOLEJNICOVÉ BRZDY Kolejnicové brzdy jsou neadhezní třecí brzdy. Brzdná síla vzniká třením mezi pólovými nástavci magnetů, upevněných na rámu podvozku, které jsou magnetickou silou přitlačovány k hlavě kolejnice. Velikost brzdné síly závisí na délce magnetu, velikosti jeho buzení a na materiálu nástavců a kolejnice. Při brzdění se nástavce přirozeně opotřebovávají podobně jako špalíky a proto se kolejnicová brzda používá •

jako brzda nouzová, často společně s rychlobrzdou,

•

jako brzda pro dobrzdění v nejnižších rychlostech,

•

brzda parkovací a/nebo zajišťovací.

Pro její nezávislost na adhezi se již odedávna používala na tramvajích pro dosažení krátkých zábrzdných drah v pouličním provozu. V poslední době se kolejnicová brzda ze stejných důvodů a pro stejné účely běžně používá u jednotek a souprav pro vysoké rychlosti. Kolejnicové brzdy zpravidla nemají regulaci účinku, jsou ovládány „dvojhodnotově“, zabrzděno-odbrzděno. Proto se nehodí jako brzdy provozní. Z hlediska

konstrukčního

provedení

rozeznáváme

dvojí

provedení:

nízkozavěšené

(Tiefaufhängung) a vysokozavěšené (Hochaufhängung) [ 9 ]. Nízkozavěšené kolejnicové brzdy se používají typicky na tramvajích a vozidlech s rychlostí do asi 100 km/h. Jsou zavěšeny na vratných pružinách ve vzdálenosti 8-10 mm nad hlavou kolejnic a při nabuzení se magnetickou silou přitisknou na kolejnice. Vysokozavěšené kolejnicové brzdy jsou připevněny na samostatném rámu, který zajišťuje jejich vzdálenost od kolejnic pokud se nebrzdí alespoň 55 mm. Před zabrzděním se tento rám vzduchovými válci, na kterých je na podvozku zavěšen, spustí proti síle vratných pružin a tak se dostanou magnety do pracovní polohy. Tento systém se používá také u dříve zmíněných vířivých brzd. Magnetické síly lze vyvolat elektromagnetem nebo i permanentními magnety. Elektromagnetické brzdy musí být napájeny z baterie, která na to musí být vzhledem k poměrně velké spotřebě dostatečně dimenzována. Příklad provedení tramvajové kolejnicové brzdy ČKD (použití na úzkokolejnou soupravu EMU89 pro TEŽ) je na Obr. 28.

- 32 -


Obr. 28 Kolejnicová brzda EMU 89 pro TEŽ (ČKD) (emu89.bmp) Pro orientaci jsou v Tab. 2 uvedeny parametry vybraných kolejnicových brzd podle [ 9 ] pro různé typy vozidel (v závislosti na šířce hlavy kolejnice a pro různé délky brzdových nástavců. Tab. 2 Hlavní parametry kolejnicových brzd podle [ 9 ] - výběr (knor_kol.bmp) Typ

Rozměry

Přitažlivá

Délka

Hmotnost

Poznámka

mm

síla kN

nástavců mm

kg

GL.60

32

600

80-95

Šířka hlavy

Gl. 70

45

750

90-110

50-56 mm

Gl. 80

60

1000

120-150

Tramvaje,

Gl. 90

60

850

110-120

metro

Nm.60

43

600

70-80

Šířka hlavy

Nm. 80

57

800

90-100

55-65 mm

Nm. 100

72

1000

115-130

Městská a

Nm.120

86

1200

135-150

podzemní dráha

DD.Gl 80S

65

1000

150-180

Šířka hlavy

DD.Gl 100

84

1000

170-210

přes 65 mm

DD.Gl 110

92

1100

190-220

Osobní a

DD.Gl 120

100

1200

210-240

DD.Gl 130

108

1300

220-250

- 33 -

nákladní vozy

Elektrická trakce 8 - Elektrické ovládání brzd 4. Kolejnicové brzdy Jak již bylo uvedeno, používají se magnetické brzdy i u rychlých souprav. Příklad provedení na ICE je na Obr. 29 ([ 23 ]). Jedná se přirozeně o brzdu vysokozavěšenou, jak je z obrázku patrné. Porovnání jejího účinku s vířivou brzdou bez doteku s kolejnicí (bez opotřebení) a v případě kdy je použita jako kolejnicová (bez vzduchové mezery), je v diagramu na Obr. 30. Odtud je zřejmá „cena“ za bezkontaktní účinky vířivé brzdy. Porovnání účinku kolejnicové brzdy s ostatními systémy brzd při nouzovém brzdění soupravy ICE je zřejmé z Obr. 36, uvedeného dále. Kolejnicové brzdy kromě vlastního brzdného účinku zlepšují současně podmínky pro práci adhezních brzd, protože třením o kolejnice čistí jejich povrch a tak zvyšují koeficient adheze, zvlášť důležitý právě při nouzovém brzdění.

Obr. 29 Kolejnicová elektromagneticá brzda na podvozku rychlé soupravy ICE 1 (kol_ice.bmp)

- 34 -


Obr. 30 Porovnání závislosti brzdné síly kolejnicové a vířivé brzdy (viriva.bmp) V souvislosti s vývojem magnetických materiálů ze vzácných zemin byly zkonstruovány kolejnicové brzdy buzené permanentními magnety. U nich nelze přirozeně magnetické účinky „vypnout“ a jedinou možností je „převést“ magnetický tok změnou polohy budicí části s permanentním magnetem tak, aby tok buď procházel (zabrzděno) nebo neprocházel (odbrzděno) do hlavy kolejnice. To lze provést různým způsobem. Jeden z nich je znázorněn na Obr. 31. Válcové těleso s permanentním magnetem lze (pomocí vzduchového válce) otáčet tak, že tok buď prochází do hlavy kolejnice (poloha podle Obr. 31), nebo je „spojen nakrátko“ materiálem jha při pootočení o 90°.

Obr. 31 Kolejnicová brzda s permanentím magnetem, zabrzděno (perm_m.bmp) Druhý případ podle SAB Wabco Tebel ([ 24 ]) má permanentní magnet uspořádán v pístu vzduchového válce s nemagnetickými vložkami ve střední části. Obě pracovní polohy jsou naznačeny na Obr. 32 a jsou přestavovány stlačeným vzduchem, přivedeným pod nebo nad píst.

- 35 -


Obr. 32 Vzduchem ovládaná kolejnicová brzda s permanentními magnety, zabrzděno (perm_md.bmp), odbrzděno (perm_mh.bmp) Významným problémem při návrhu těchto brzd je výběr materiálu nástavců. Při brzdění nesmí vznikat magnetické třísky, které by mohly vytvořit magnetický šent mezi nástavci a tak snížit účinek brzd. Uvedené typy kolejnicových brzd jsou určeny pro vyšší rychlosti a proto jsou upevněny na rámu, který je spouštěn (dalšími) vzduchovými válci proti odporu zvedacích pružin. Postup při brzdění je tedy: spustit rám, „zapnout“ – otočit, resp. spustit magnety. Při odbrzdění je postup opačný. Vratné pružiny musí přitom překonat zbytkovou sílu magnetů. Posledně jmenovaný systém byl použit na elektrickém motorovém voze soupravy 471 ČD. Způsob ovládání je znázorněn na Obr. 33.

- 36 -

Elektrická trakce 8 - Elektrické ovládání brzd 4. Kolejnicové brzdy Obr. 33 Elektropneumatické schéma a schéma ovládání magnetické brzdy elektrického motorového vozu řady 471 (471mgbr1.dwg) Pro činnost jsou rozhodující 4 nezávislé veličiny“ •

tlak v pomocné jímce doplňovaný přes zpětný ventil z napájecího potrubí NP (je na soupravě

propojeno), •

tlak v hlavním potrubí HP,

•

stav nabuzení EPV Y525.Z,

•

stav nabuzení EPV Y525.O.

Všechny možné kombinace, výsledné působení a charakteristické provozní situace jsou uvedeny v Tab. 3 (neuvedené stavy řídicích veličin nemají na činnost v daném případě vliv). Tab. 3 Stavy magnetické kolejnicové brzdy podle Obr. 33 a jejich ovládání Provozní stav vozidla

Jímka

Vozidlo bez vzduchu

0

HP

Y525.Z

Y525.O

Stav brzdy Brzda zachovává poslední stav, nelze ji ovládat

Tlak jen v pomocné jímce

tlak

0

vyp

Zabrzděno, odstavení nebo rychlobrzda

zap

Provozní stav

tlak

tlak

vyp

Lokálně zabrzděno Y525.O

zap

Lokálně odbrzděno Y525.O

vyp

Centrálně zabrzděno Y525.Z

zap

Centrálně odbrzděno Y525.Z

Magnetická kolejnicová brzda (MKB) je využívána jednak pro zvýšení brzdného účinku při rychlobrzdě, jednak jako brzda zajišťovací (na vozidle je i klasická brzda ruční) a je možno ji ovládat centrálně (strojvedoucím) nebo lokálně z vozidla při jeho odstavení. Při normálním provozu je EPV Y525.O bez napětí, EPV Y525.Z trvale pod napětím. Brzda je proto odbrzděna. Při poklesu tlaku v HP pod 2,5 Bar (rychlobrzda) nebo při ztrátě napětí na EPV Y525.Z tlak z pomocné jímky způsobí zabrzdění. Při řízení MKB jako zajišťovací, řízené strojvedoucím (ručně) jsou využity krajní polohy ovládače přímočinné brzdy, který má polohy O2, O1, X B1, B2. V poloze O1 se snižuje účinek přímočinné brzdy, v poloze O2 (aretované) se odbrzďuje přímočinná i MKB. V poloze B1 se zvyšuje účinek přímočinné brzdy, v poloze B2 je navíc zabrzděna i MKB, ale teprve po poklesu rychlosti pod asi 2 km/h. V poloze X se dosažený stav nemění. Při tom se předpokládá, že je vzduch v hlavních jímkách (v NP) i v HP a ovládání všech MKB se provádí ovládáním všech EPV Y252.Z přes komunikaci z centrálního počítače. Při lokálním ovládání se předpokládá, že stykač baterie je na všech vozech centrálně vypnut. Tím je znemožněno dálkové ovládání po komunikaci. Při tom odpadá relé K 150 a svými klidovými kontakty umožňuje ovládání MKB daného vozidla dvěma tlačítky v zadním nástupním prostoru vozidla pokud je v pomocné jímce dostatečný tlak vzduchu. Po opětném zapnutí stykače baterie dojde (pokud

- 37 -

Elektrická trakce 8 - Elektrické ovládání brzd 4. Kolejnicové brzdy je v pomocné jímce vzduch) k zabrzdění. Odbrzdění provede strojvedoucí centrálně po naplnění jímky z NP. Jednorázové a trvalé odbrzdění (až do opětného připojení stlačeného vzduchu) lze provést také ručně speciálním přípravkem přímo na brzdovém zařízení. Ke kolejnicovým brzdám, ovšem zcela jiného druhu, lze přiřadit i brzdy na spádovištích. Ty ale nejsou součástí vozidel, nýbrž zařízení kolejiště. Slouží k řízenému brzdění jednotlivých nákladních vozů na spádovištích při rozpouštění tak, aby jejich rychlost při dojíždění k již rozřazeným vozům byla přiměřená. Brzdění se provádí tak, že se ke kolům brzděného vozidla přitisknou z obou stran ocelové trámce, rovnoběžné s kolejnicemi. Brzdný účinek se řídí přítlačnou silou. Jsou důležitou součástí automatizačního systému seřaďovacích prací, ale mohou být ovládány i ručně. Podrobněji se jimi zabývat nebudeme.

- 38 -

Elektrická trakce 8 - Elektrické ovládání brzd 5. Zajišťovací a parkovací brzdy

5 ZAJIŠŤOVACÍ A PARKOVACÍ BRZDY Zajišťovací brzda slouží k trvalému zajištění vozidel v klidu i při dlouhodobém odstavení a na spádu. Protože se nepředpokládá její použití za jízdy (pokud neslouží zároveň jako například nouzová), postačuje zpravidla její řízení pouze ve dvou stavech: zabrzděno/odbrzděno. Kromě toho se ale požaduje, aby bylo tuto brzdu možno bez přivedení energie a bez přítomnosti kvalifikovaného personálu (strojvedoucího) odbrzdit a opět zabrzdit (při manipulaci a posunu jednotlivých vozidel). Tuto úlohu od počátku zajišťovala brzda ruční, která výše uvedené požadavky zřejmě splňuje, neboť byly z jejích vlastností odvozeny. Na podvozcích se špalíkovými brzdami její použití působí konstrukční komplikace, u kotoučových brzd, kterými jsou vybavena prakticky všechna moderní vozidla, se v klasickém provedení používá zřídka. Jako náhrada ruční brzdy slouží zpravidla pružinová brzda nebo kolejnicová brzda s permanentními magnety. Obě splňují požadavek trvalého účinku, ale u obou je požadavek neomezeného opakovaného použití bez přívodu energie prakticky nesplnitelný. Zásoba tlakové kapaliny u hydraulických brzd může umožnit jen omezený počet cyklů odbrzdit/ zabrzdit stejně jako omezená kapacita a těsnost pomocné jímky z Obr. 33. Po vyčerpání této zásoby je třeba použít například ruční hydraulické pumpy, ručního napínání brzdových pružin mechanicky (klikou) a jiných podobných způsobů. Některé systémy dovolují ručně a trvale brzdu odbrzdit (viz táhlo na Obr. 27), pro zabrzdění však je třeba připojit vozidlo na standardní zdroj energie (zapnout baterii a/nebo přivést stlačený vzduch). Další komplikaci představuje u některých systémů a při některém z nouzových způsobů ovládání nutnost provést ruční manipulaci u každé brzdové jednotky zvlášť (tím spíše, čím jsou navzájem nezávislejší). Pružinové zajišťovací brzdy jsou velmi rozšířené u všech typů kolejových vozidel. I brzdové jednotky pro kotoučové brzdy ovládané stlačeným vzduchem (pro železniční vozidla) bývají vyráběny v provedení bez nebo se zajišťovací pružinovou brzdou. Místo ovládání pružinové brzdy pomocí elektromotoru byly dříve používány i elektromagnety, které při nabuzení uvolnily brzdu podobně jako například u výtahových motorů. Na moderních vozidlech se nepoužívají. Bezprostřední ovládání těchto brzd je zpravidla prosté. Pro zajištění dalších požadavků je však nezbytné jejich zapojení do systému řízení a diagnostiky celého vozidla. Například bývá nutné •

ovládat brzdy dálkově i místně (na odstaveném vozidle),

•

umožnit nebo naopak. znemožnit opakované použití bez přívodu energie, obnovit plnou funkci

po nouzovém ovládání a diagnostikovat skutečný stav, •

zajistit spolupráci s ostatními brzdami, pokud se zajišťovací brzdy používají i za provozu,

•

kontrolovat činnost jednotlivých kolejnicových brzd na podvozku (zda působí současně

kolejnicové brzdy na obou stranách). Tak se zajišťovací brzda stává nedílnou systému řízení brzd a vozidla jako celku. Příklad ovládání byl uveden v předchozí kapitole 4, příklad jejich začlenění do celého systému na Obr. 35.

- 39 -

Elektrická trakce 8 - Elektrické ovládání brzd 5. Zajišťovací a parkovací brzdy Parkovací brzdy mají rovněž udržet vozidlo v klidu, nepředpokládá se ale jejich použití pro brzdění za pohybu (nejvýše pro dobrzďování pro rychlosti pod 5 km/h) a pracují rovněž ve dvou stavech. Narozdíl od zajišťovací brzdy se předpokládá jejich činnost pouze v provozních stavech vozidla a jsou ovládány strojvedoucím (řidičem) nebo automatickým systémem řízení. Technické řešení bylo již na různých místech popsáno. Jako parkovací mohou zřejmě pracovat brzdy zajišťovací i brzdy provozní různého typu, pokud jsou vhodným způsobem řízeny.

- 40 -

Elektrická trakce 8 - Elektrické ovládání brzd 6. Preference a součinnost brzd

6 PREFERENCE A SOUČINNOST BRZD Z důvodů bezpečnosti jsou pro vozidla předepsány vždy alespoň dva na sobě nezávislé systémy brzd. Ve skutečnosti bývá situace podstatně složitější. Z předešlého výkladu je zřejmé, že různé typy brzd mají různý účinek, různé možnosti řízení, různou závislost brzdového účinku na rychlosti a různé podmínky pro svoji činnost. Proto je nezbytné řešit preferenci (prioritu, přednost) brzdových systémů vzhledem k ostatním systémům vozidla, jednotlivých brzd mezi sebou i různých možností jejich ovládání. Podobně je nezbytné určit možné kombinace současně působících brzd tak, aby bylo dosaženo potřebného brzdového účinku bez nebezpečí smyku, efektivně a především bezpečně. Obecně lze říci, že čím univerzálnější je trakční vozidlo, tím více způsobů brzdění může využívat. Proto se v této kapitole budeme setkávat především se systémy užívanými na lokomotivách. Strojvedoucí má zpravidla možnost řídit odděleně různé druhy brzd jednak přímo, jednak nepřímo např. zadáním rychlosti nebo vzdálenosti cíle, a kromě toho může být zařízení vozidla ovlivněno i signály z trati. Většina naznačených úkolů je řešena v řídicích obvodech vozidla, které řídí a kontrolují všechny důležité komponenty výzbroje vozidla. Použitá technika může být různá, na moderních vozidlech převážně procesorová. Vzhledem k významu pro bezpečnost bývá prakticky vždy doplněna i „klasickými“ obvody, které zabezpečují alespoň kritické funkce (nouzové brzdění ap.).

6.1

PREFERENCE Je třeba si uvědomit, že strojvedoucí i při ručním řízení má často možnost zadat zařízení

současně různé, navzájem si odporující povely. Například ovladače vzduchových brzd a ovládání tahu nebývají navzájem přímo blokovány (vazba se provádí tlakovým spínačem v potrubí k brzdovým válcům). Tím spíše může taková situace nastat, jestliže je možné řízení ruční i automatické a v případě různých požadavků od automatického řízení (např. při brzdění k různým cílům s různými cílovými rychlostmi). Všeobecně se předpokládá, že brzdění a zastavení je stav nejbezpečnější. Nemusí to být ve všech případech pravda. Jako příklad se uvádí obyčejně zastavení vlaku (například hořícího) v tunelu nebo na mostě, kdy je evakuace osob nebo hašení ztíženo nebo znemožněno, nebo u vozidel metra. Proto se v případech, kdy zabrzdění může být způsobeno „cizím zásahem“ (cestujícími, automatickým řízením) ponechává konečné rozhodnutí často na strojvedoucím, který má možnost blokovat účinek (elektricky řízené) záchranné brzdy. Názory na tento problém však nejsou jednotné. Zřejmým požadavkem je zajistit přednost brzdění proti tahu nebo výběhu. Nejjednodušeji se to zajistí tlakovým spínačem na HP a/nebo na BV, který dá signál pro zrušení tahu. Při tom ovšem přechod z tahu do brzdy musí být přiměřeně plynulý, aby změny zrychlení nebyly nebezpečné osobám nebo nákladu. V praxi je třeba umožnit i při tahu jistou míru brzdění, obyčejně přímočinnou brzdou. Například při rozjezdu do stoupání těžké soupravy, zabrzděné přímočinnou brzdou musí tažná síla nejprve překročit velikost síly od stoupání a jízdních odporů, aby po odbrzdění souprava nezačala couvat. Přídavné

- 41 -

Elektrická trakce 8 - Elektrické ovládání brzd 6. Preference a součinnost brzd brzdy se také používá při zhoršených adhezních podmínkách, při najíždění, „natlačování“ při spřahování ap. Podobným požadavkem je zajistit přednost brzdění před odbrzďováním. I zde mohou existovat oprávněné výjimky, o kterých byla již v úvodu zmínka. Kromě toho také v případech, kdy je účinek jednoho systému brzd nahrazován jiným (například elektrodynamická brzda mechanickou), by neměl výsledný brzdný účinek klesnout (ovšem ani vzrůst tak, aby došlo ke smyku). Z hlediska efektivnosti provozu má elektrodynamické brzdění přednost před mechanickým a přitom rekuperační brzdění před odporovým. Většina nových vozidel zvláště na stejnosměrný systém má kromě rekuperačního i odporové brzdění a umožňuje dělit brzdový výkon mezi rekuperaci a odporník v závislosti na momentálních poměrech v síti. Odporové brzdění může být nezávislé, rekuperační je vždy závislé. Popis řešení byl uveden v ETRI a II. Provozní třecí brzda představuje na trakčních vozidlech zálohu k brzdění elektrodynamickému, na ostatních, nepoháněných vozech je hlavní provozní brzdou. Pouze třecí brzda je schopna brzdit až do klidu a udržet v něm soupravu a obecně se také předpokládá, že tato brzda je spolehlivější než brzda elektrodynamická. Z hlediska bezpečnosti je nezbytná. O různých možnostech pojednávaly předchozí odstavce.

6.2

SOUČINNOST BRZD Různé systémy brzd mají různé vlastnosti, zejména závislost na adhezi, na rychlosti jízdy a

dalších okolnostech (například odběr rekuperované energie sítí a její napětí). Pro dosažení potřebného brzdného zpomalení a brzdné dráhy bývá účelné nebo dokonce nezbytné kombinovat různé brzdové systémy. Přitom ovšem musí být zajištěno, že adhezní brzdy nezpůsobí smyk se všemi jeho nebezpečnými důsledky (prodloužení zábrzdné dráhy, poškození vozidel atd.). U neadhezní brzdy ovšem toto nebezpečí nehrozí. V dalším se podrobněji zmíníme o součinnosti pneumatické a elektrodynamické brzdy na železničních trakčních vozidlech, konkrétně provozovaných na ČD. Na lokomotivách s pulzní (případně tyristorovou) regulací je odporová brzda řízena dvojím způsobem: jednak v závislosti na požadovaném účinku samočinné brzdy, jednak přímo strojvedoucím speciálním ovladačem. Zjednodušené schéma brzdy (samočinné, přímočinné, odporové, parkovací a rychlobrzdy od LVZ) a jejího ovládání je na Obr. 34. Ovládání přímočinné, parkovací a LVZ brzdy bylo již popsáno. Součinnost odporové brzdy se samočinnou brzdou na trakčním vozidle je zajištěna tím, že pro ovládání obou je použit pouze jediný ovladač - ovladač samočinné brzdy, který řídí brzdění na celé soupravě prostřednictvím změn tlaku v HP. Jestliže na lokomotivě začne rozvaděč plnit BV vzduchem, je jeho tlak v p/e převodníku použit jako povel k zahájení odpovídajícího stupně odporového brzdění a blok řízení EDB (součást regulátoru tahu) začne budit trakční motory, pracující jako dynama. Pokud je dosaženo určité minimální velikosti brzdného proudu, uzavře ventil součinnosti (VS) přívod vzduchu do BV a pneumatickou brzdu na lokomotivě odbrzdí, aby se předešlo přebrzdění. Vlak tedy brzdí vzduchem samočinnou brzdou a lokomotiva (přibližně) stejným účinkem elektricky. Tento stav trvá, pokud jsou

- 42 -

Elektrická trakce 8 - Elektrické ovládání brzd 6. Preference a součinnost brzd splněny podmínky pro odporové brzdění (pokud je v troleji napětí, potřebné pro buzení, dostatečná rychlost ap.). V opačném případě se ventil součinnosti otevře a obnoví plnění BV lokomotivy na úroveň stejnou jako na soupravě. Elektrické brzdění se přeruší.

Obr. 34 Zjednodušené schéma součinnosti jednotlivých brzdných systémů na lokomotivách ČD s plynulou regulací (soucin.dwg) Přímé řízení pouze elektrické brzdy se v tomto případě provádí plněním prostoru spojeného s převodníkem pomocí dvou EPV podobně jak bylo popsáno při řízení přídavné brzdy, Obr. 12. Řízení elektrické brzdy pak reaguje na větší z obou požadavků na tlak v BV, vyjádřených tlakem vzduchu na vstupu p/e převodníku. Na schématu je také uveden tlakový spínač blokující tah při překročení tlaku vzduchu v BV, ať je dosažen jakýmkoliv způsobem. Jako druhý příklad nového vozidla ČD uvedeme na Obr.

35 zjednodušené schéma celého

vzduchového obvodu elektrického motorového vozu řady 471. Téměř všechny dříve popsané způsoby brzdění lze rozeznat (také permanentní kolejnicovou brzdu a doplňkovou brzdu). Kromě toho jsou zakreslena i další zařízení: kompresor, pomocný kompresor, přístroje se vzduchovým pohonem, pohon sběrače, vzduchové vypružení atd. Ze schématu je patrné, jak široce je vzduchové schéma propojeno s elektrickým

- 43 -

Elektrická trakce 8 - Elektrické ovládání brzd 6. Preference a součinnost brzd

Obr. 35 Zjednodušené schéma vzduchových obvodů elektrického motorového vozu 471 (471pneu.dwg)

- 44 -

Elektrická trakce 8 - Elektrické ovládání brzd 6. Preference a součinnost brzd Na závěr je na Obr. 36 ([ 8 ]) uveden příklad rozdělení brzdových účinků mezi jednotlivé druhy brzd a na jednotlivých vozidlech soupravy ICE při rychlém brzdění z rychlosti 280 km/h. Souprava se skládá ze dvou hlavových trakčních vozidel vybavených elektrodynamickou a kotoučovou vzduchovou brzdou a ze 12...14 vložených vozů brzděných kotoučovými brzdami a brzdami kolejnicovými. V diagramu je znázorněn i účinek jízdního odporu. Střední brzdové zpomalení 2

odpovídá hodnotě asi 1,5 m/s . Při neschopnosti elektrodynamické brzdy hlavového vozidla je její účinek nahrazen brzdou kotoučovou. Kolejnicové brzdy byly na ICE s úspěchem zkoušeny až do rychlosti 330 km/h a dovolené opotřebení nástavců odpovídalo celkové délce brzdění asi 2000 km, což odpovídá více než 1000 brzdění z rychlosti 200...250 km/h. Pro rychlosti nad 300 km/h je však bude nutno s ohledem na opotřebení nahradit brzdami vířivými.

Obr. 36 Součinnost brzd při nouzovém brzdění na ICE (sou_ice.bmp)

- 45 -

Elektrická trakce 8 - Elektrické ovládání brzd 7. Literatura

7 LITERATURA [ 1 ] Denzin, P.: Leitfaden der Bremstechnik, Transpress VEB Verkag, Berlin 1968 [ 2 ] -: Vyhláška UIC 544-2 z r. 1983 [ 3 ] Aeberhard, M., Meier, A., Meyer, M.: Selbsterregte Beharrungsbremse für umrichtergespeiste Zahnradbahn-Triebfahrzeuge, Elektrische Bahnen 91 (1993) č. 3, str. 94-99 [ 4 ] Hendrichs, W.: Versuche mit linearen Wirbelstrombremsen. Messungen mechanischer Grösse, ZEV-Glas. Ann. 109 (1985) č. 9 str. 375-381 [ 5 ] Gerhard, T.: Neuentwicklungen für den ICE 3, ETR 46 (1997) č. 7/8 str. 427-432 [ 6 ] Kröger, U.: Prinzip, Entwicklung und Konstruktion der Wirbelstrombremsen, ZEV-Glas. Ann. 109 (1985) č. 9 str. 368-374 [ 7 ] Dobler, R.: Die Wirbelstrombremse - Erkenntnisse aus dem Versuchseinsatz bei der Deutschen Bundesbahn, ETR 37 (1988) č. 12 str. 31-36 [ 8 ] Braun, A.: Bremsen für Hochgeschwindigkeitszüge, ETR 35 (1986) č. 11 str. 759 [ 9 ] - : Handbuch Bremstechnische Begriffe und Werte, Knorr-Bremse a.g. München, firemní publikace [ 10 ] - : Popis brzd železničních vozidel, Služební rukojeť SR 15 (V) FMD, Nakladatelství dopravy a spojů Praha 1984 [ 11 ] Fořt, B., Kučera,V.: Vlaková brzda DAKO, Nakladatelství dopravy a spojů Praha 1972 [ 12 ] Provazník a kol.: Elektrické vozy metra typu 81-717.1, 81-714.1, Technický popis-interní příručka DP Praha [ 13 ] Jansa, F.: Trakční mechanika a energetika kolejové dopravy, Dopravní nakladatelství Praha 1959 [ 14 ] Sonder, E.: Technische Anforderungen und Lösungen für eine UIC-einheitliche elektropneumatische Bremse - Ausführungsvarianten, ZEV+Glas. Ann. 117 (1993) č. 11 str. 359-365 [ 15 ] Keschwari, R.: Zukunftsorietierte Bremssysteme für Schienenfahrzeuge, ZEV+Glas. Ann. 117 (1993) č. 11 str. 370-373 [ 16 ] Sonder, E.: Elektrische/elektronische Brems-Abfrage und Steuerung für Güterzüge, ZEV+Glas. Ann. 119 (1995) č. 11/12, str. 505-509 [ 17 ] Gralla, D.: EBAS-Ein neues Bremskonzept der DB AG, EI-Eisenbahningenieur (49) 1998 č. 2, str. 64-67 [ 18 ] -: Hydraulic friction brake, Knorr-Bremse, popis funkce systému, firemní podklady [ 19 ] -: Das Bremssystem, firemní publikace Hanning&Kahl [ 20 ] -: Brake Systems for Mass Transit, publikace SAB-Wabco [ 21 ] -: Elektromechanisches Bremssystem. Bremseinheit EBC, firemní prospekt SAB Wabco [ 22 ] Franzen, H., Mader, M., Meinel, F.: Die elektrisch steuerbare Federspeichrbremse, eine Alternative für Nahverkehrsbahnen, Nahverkehr-Praxis 32 (1984) č. 5 str. 176-181 [ 23 ] Weibelhaus, W., Dellmann, T.: Innovative Entwicklungen auf dem Gebiet der Bremstechnik für Schienefahrzeuge. ETR 42 (1993) č, 7-8, str. 487-493

- 46 -

Elektrická trakce 8 - Elektrické ovládání brzd 7. Literatura [ 24 ] Oostveen, H., Siezen, R.: Erfahrungen mit Permanentmagnet-Schienenbremsen. ZEV+Gles. Ann. 121 (1997) č. 12, str. 613-617

- 47 -

ELEKTRICKÁ TRAKCE 8. ELEKTRICKÉ OVLÁDÁNÍ BRZD

Recommend Documents