Železniční brzdy mimo vozidel Kolejové brzdy
a
rk
Kolejové brzdy jsou pevně zabudované zařízení, sloužící k ovládání rychlosti pohybujících se vozů, jedoucích výběhem. Nejčastěji se používají ovládání spouštěných vozů na spádovišti seřazovací stanice. Jejich brzdná síla se zpravidla vyvozuje třením brzdového trámce o čela kola vozu. Brzdový trámec je z boku kola přitlačován na čelo kola (obruče kola) přítlačnou silou Fk. Tento rámec se dotýká kola třecí plochou S, která je tvořena obrazci, které jsou definovány průnikem dotýkajících se ploch trámce a kola.
V elementární ploše těchto styčných ploch dS vzniká elementární třecí síla dFt, která působí proti směru relativního pohybu povrchů trámce a kola a je dána: Fk ⋅ dS [N] S kde f [1] je součinitel tření mezi kolem a trámcem. Jeho hodnota se pohybuje v intervalu <0,05;0,20> [Keclík, 1981], velikost s rostoucí rychlostí, popř. rostoucím tlakem klesá. Na pohybující se vozidla tato síla působí vzhledem k okamžitému středu otáčení kola (místo styku kola s kolejnicí) na rameni ρ. Vzdálenost těžiště styčných obrazců od bodu dotyku označíme r. Pak celkový moment vyvozený třecí sílou Ft je dám: dFt = f ⋅
Mt = f ⋅
Fk ⎛ S S⎞ ⋅ ⎜ r ⋅ + r ⋅ ⎟ = f ⋅ r ⋅ Fk [N·m] S ⎝ 2 2⎠
rk
FB
BT T
F
t
Ft
a
b
S dS
r
BD
Na brzděném kole pak nastane rovnováha momentů brzdné síly FB k bodu dotyku kola s kolejnicí a momentu třecí síly: FB ⋅ rk = f ⋅ r ⋅ Fk pak brzdící síla vyvozovaná jedním trámcem na kolo je: FB = f ⋅
r ⋅ Fk [N] rk
Při běžné konstrukci kolejových brzd působí na nápravu vozu dva proti sobě umístěné trámce je brzdící síla na nápravu: FBn = 2 f ⋅
r ⋅ Fk [N] rk
Podíl r/rk je dán geometrickými šířkou trámce b, vzdáleností jeho horní hrany od temena kolejnice a a poloměrem konkrétního brzděného kola rk. Tyto hodnoty jsou především vředem k rozdílům průměrů kol vozu rozdílné a pro praktické výpočty se používá tabelovaných hodnot tohoto podílu – viz tabulka Tab. 1. Tab. 1: Tabelované hodnoty podílu r/rk. a/b
rk [mm] 525
500
476
50/50
0,167
0,1741
0,196
60/60
0,186
0,197
0,222
75/50
0,230
0,261
0,334
90/50
0,279
0,325
0,443
Mezní přítlačná síla Fkmax
a
rk-a
GV/2n
při daných rozměrech brzdového trámce a průměru kola vozu je možno brzdící sílu FB zvětšovat pouze zvyšováním přítlačné síly Fk. Její zvětšování je však limitováno možností vylačení kola z brzdových trámců směrem vzhůru a následné ztrátě dotyku kola s kolejnicí. Tato situace může nastat v případě, že moment brzdící síly na rameně určeném vzdáleností osy rotace kola a bodem B náběhu kola na horní hranu brzdového trámce je větší než moment tíhové síly Fz působící na kolo na rameně daném vzdáleností bodu dotyku kola s kolejnicí a bodu B.
Rovnováha momentů je pak vyjádřena: FBn ⋅ (rk − a ) = Fz ⋅ x Po dosazení: 2⋅ f ⋅
G r ⋅ Fk ⋅ (rk − a ) = V ⋅ x 2n rk
Rameno síly Fz je možno vyjádřit z Euklidovy věty: x = 2rk ⋅ a − a 2
Pak Mezní přítlačná síla Fkmax je dána vztahem: Fk max
GV ⋅ 2rk ⋅ a − a 2 [N] = r 4 f ⋅ n ⋅ ⋅ (rk − a ) rk
Další konstrukční řešení kolejových brzd Hydraulická rotační brzda Brzdová jednotka se skládá z ocelového válce s osou uloženou rovnoběžně s osou koleje, Na povrhu válce je kolmo na osu válce lem, tvořící šroubovici. Projíždějící kolo se okolkem o
tento lem opírá a tím tento válec roztáčí kolem jeho osy. Tímto pohybem se pohání olejové čerpadlo, jež tlačí olej do soustavy regulačních ventilů. Jestliže ventily kladou protékajícímu oleji odpor, tento odpor se projeví na zvýšení odporu vstupní hřídele čerpadla a následně brzdový válec klade větší odpor pojížděnému kolu. ˇřízením soustavy ventilů je možno regulovat odpor oleje, popř. tento odpor minimalizovat. Pak brzdový válec klade odpor (realizuje brzdící sílu) minimální, danou jen odpory proti rotaci válce. Tímto způsobem je možno nastavovat účinek brzdy až od určené rychlosti.
Hydraulická nájezdová brzda Brzda se skládá z hydraulických jednotek umístěných z vnitřní strany pojížděné koleje tak, že funkční hlava pístu jednotky vyčnívá 30 až 40 mm na temeno kolejnice tak, aby okolek projíždějícího kola jej stlačoval. Projíždějící holo stlačí píst jednotky a ten tlačí olej do regulační soustavy, která klade oleji odpor. Po dosažení dolní polohy se ventily regulační soustavy otevřou a píst se vrátí do původní polohy vratnou pružinou. Pokud brzda nemá účinkovat, odpor stačovaného pístu je dán pouze sílou vratné pružiny. Činnost tohoto systému může být reverzibilní, tzn., že může fungovat jako zrychlovací systém. Při průjezdu kola a dosažení dolní polohy pístu na něj začíná působit tlak oleje, píst se vysouvá a opírá se o okolek odjíždějícího kola. Tím mu uděluje určité zrychlení.
Brdová zarážka Brzdová zarážka je nejjednodušší prostředek pro realizaci brzdění kolejových vozidel.
Obr. 3: Brzdová zarážka. Realizace brzdící síly je založena na smykovém třeví mezi povrchy bzděného kola a zarážkou a zarážkou a povrchem temene kolejnice. Třecí síla Ft vzniklá v těchto místech je závislá: - na normálové síle, působící na tyto smykové plochy, jež je dána silou Fz působícín akolo vozidla; - součiniteli tření mezi plochami v relativním pohybu f. Relativní pohyb kola v místě dotuku na horní straně zarážky je realizován tuhou vazbou nápravy s kolem, které se na druhé kolejnici odvaluje. Brzdící síla zarážky je realizovaná podle principu na obrázku Obr. 5. Vliv tření kola na opěře zarážky (kozlíku) je ve vztahu
k silám na horní a dolní straně smýkající se zarážky zanedbatená a do dalšího výpočtu se nezapočítává.
Obr.4: Brzdící síla na brzdové zarážce. Třecí síla na zařáčce se stanováí podle vztahu: Ft = Ft1 + Ft 2 kde síly Ft1 a Ft2 jsou třecí síly na horní a dolní hraně zazážky, na kterou najelo kolo pohybujícího se vozidla. Brzdící síla FB se vypočte podle vztahu: FB = Ft = 2 ⋅ Fz ⋅ f = 2 ⋅ f ⋅
GV [N] 2n
Hodnota součinitele smakového tření f pro třecí plohy kolo–zarážka-kolejice se pohubuje v rozmezí [Keclík, 1981] f ∈ 0,07;0,22 a je závislý an teplotě, povětrnostních podmínkách, kvalitě povrchů a tlaku na povrchy: Pro běžné výpočty je možno požít hodnot [Keclík, 1981]: f ∈ 0,100;0,150
V případě použití zarážek položených na obou kolejnicích se brzděné dvojkolí neotáčí, neboť zanikne adhezní vazba mezí brzděným dvojkolím pohybujícího se vozidla a kolejí. Proti i třecí síla Ft1 na obou zarážkách nevzniká. Brzdící síla FB se vypočte podle vztahu: FB = 2 ⋅ Ft 2 = 2 ⋅ Fz ⋅ f = 2 ⋅ f ⋅
GV [N], 2n
tedy je stejná jako v případě použití jediné zarážky. Takovýto způsob použití však s sebou přináší zvýšení opotřebení hlav kolejnic, na kterém se prování brzdění pomocí brzdových zarážek.
Pro zajištění stojících kolejových vozidel proti samovolnému pohybu se požívají podkládací klínové podložky pokládané na obě kolejnice současně a pro lepší stabilitu jsou vzájemně spojeny. Tyto přádací klíny mohou být vyrobeny ze dřeva, nebo vznikají spojením dvou upravených zarážek.
Obr. 5: Podkládací klíny.
Zárzdná dráha při použití brzdové zarážky Zábrzdnou srázu sBz vozidla při použití brdové zarážky je možno stanovit z rovnosti práce vykonané brzdící silou a zmwnou kinetické energie vozidla. Platí: AB = E k 1 ⋅ mVdyn ⋅ v 02 2 1 ⎛ Gv ⎞ + GV ⋅ ov + GV ⋅ s n ⋅ 10 −3 ⎟ ⋅ s Bz = ⋅ mV ⋅ (1 + ρ ) ⋅ v02 ⎜f⋅ n 2 ⎝ ⎠
(FB + OV
+ OT ) ⋅ s Bz =
Po úpravách: s Bz =
(1 + ρ ) ⋅ v02 ⎛f ⎞ 2 g ⋅ ⎜ + ov + s n ⋅ 10 −3 ⎟ ⎝n ⎠
[m]
kde:
v0 n GV
[m·s-1]
oV
[N] [1]
sn
[‰]
počáteční rychlost brzdění počet náprav brzděného vozidla tíha brzděného vozidla střední hodnota součinitele vozidlové odporu brzděného vozidla z rychlosti v0 hodnota náhradního sklohu trati v místě brzdění zarážkou
V případě brzdění skupina vozidel o celkové tíze GVsk je pak vztah pro zábrzdnou dráhu: s Bz =
(1 + ρ ) ⋅ v02 ⎛f G ⎞ 2 g ⋅ ⎜⎜ ⋅ v + ov + s n ⋅ 10 −3 ⎟⎟ ⎝ n GVsk ⎠
[m]
