CURS FORMARE PROFESIONALĂ REVIZOR TEHNIC VAGOANE

MODULUL 9

PRINCIPII DE FUNCŢIONARE ALE SISTEMELOR DE FRÂNARE

Durata 18 ore

Suport de curs elaborat de:Expert consiliere profesională transporturi - Piscoi Cornel

TEMA 9.1 SISTEME DE FUNCŢIONARE A FRÂNELOR

9.1.1 Noţiuni privind frânarea trenurilor

Frânarea vehiculelor feroviare s-a dezvoltat odată cu creşterea tonajelor şi vitezelor de circulaţie ale trenurilor. Dată fiind importanţa frânării în transportul feroviar rezultatele cercetărilor teoretice şi experimentale nu se introduc în practică decât după o îndelungată experimentare şi verificare În timpul deplasării sale pe calea ferată, asupra unui tren acţionează următoarele forţe:– forţa de tracţiune dezvoltată de vehiculul motor;– forţele rezistente ale tuturor vehiculelor care compun trenul;– forţele de frânare. Forţele de frânare sunt forţele exterioare care acţionează asupra roţilor trenului, în sensul invers mişcării, şi se obţin cu ajutorul unor sisteme sau instalaţii speciale de frânare, montate pe vehiculele trenului, care permit transformarea în lucru mecanic rezistent a energiei cinetice înmagazinată în masa trenului. Un vehicul aflat în mişcare are înmagazinată în masa sa o energie cinetică a cărei valoare depinde de greutatea vehiculului şi de viteza de deplasare a acestuia.Pentru ca viteza de deplasare a vehiculului să se micşoreze sau să se anuleze, trebuie să se realizeze rezistenţe suplimentare care să transforme energia cinetică înmagazinată în masa vehiculului în altă formă de energie. În cazul vehiculelor de cale ferată această transformare de energie se face în principal cu sistemele de frânare de bază la care elementul de frecare poate fi sabotul (din fontă sau din material compozit) aplicat pe roată, sau garnitura de frecare aplicată pe discul de frână. În figura 1 sunt prezentate schematic procesul de formare a forţei de frânare la acţiunea frânei cu sabot (figura 1 a) şi a celei cu disc (figura 1 b) în care Ps reprezintă forţa de apăsare pe sabot, Pd cea pe discul de frână, Q este sarcina pe roată, Fa forţa de apăsare normală pe şină în punctul de contact (aderenţă), μs, μd coeficienţii de frecare, r – raza disculuide frână, R – raza roţii.

Figura 1 – Formarea forţei de frânare.

Dacă presupunem o roată care se rostogoleşte pe şină încărcată cu o sarcină Q provenind din greutatea totală a vehiculului şi asupra căreia lucrează Ps, aplicată sabotului (figura 1 a) sau forţa Pd, aplicată garniturii de frecare (figura 1 b), între sabot şi roată sau între garnitura de frecare şi discul de frână iau naştere forţele de frecare μsPs şi respectiv μdPd (în care μs şi μd reprezintă coeficienţii de frecare). Datorită aderenţei existentă între roată şi şinã, forţa de frecare care acţionează asupra roţii sau discului de frână se transmite la şină provocând conform principiului acţiunii şi reacţiunii forţelor, o reacţie orizontală Ff egală şi de sens contrar. Această forţă exterioară sistemului numită de frânare, este dată în cazul frânei cu sabot de relaţia:

Ff= μsPs

şi în cazul frânei cu disc de relaţia:

Ff= μdPd r/R

în care:r – raza discului de frână;R – raza roţii. Forţa de frânare care apare în zona de contact roată–şină este limitatăde condiţiile de aderenţă. Forţa de frânare maximă este dată de valoareaforţei de aderenţă Fa.Forţa de aderenţă este dată de relaţia:

Fa = μa Q în care:μa – coeficientul de aderenţă roată-şină;Q – încărcarea pe roată provenind din greutatea vehiculului.

9.1.2. Sisteme de frânare

Cele mai uzuale sisteme de frânare sunt: a) pentru vehiculele motoare, automotoare, rame electrice: frâna pneumatică automată, frâna electropneumatică, frâna de mână, frâna de ţintuire, frâna electrodinamică, frâna hidrodinamică, frâna cu patine magnetice (în contact sau nu cu şina); b) pentru vehicule remorcate: frâna pneumatică automată, frâna electropneumatică, frâna de mână, frâna de ţintuire, frâna cu patine magnetice (în contact sau nu cu şina).

Sistemele de frânare de bază sunt acelea care utilizează în regim automat aerul comprimat ca agent de execuţie, cunoscute sub numele de frâne pneumatice automate, comanda putând fi pneumatică sau electrică. La aceste sisteme elementul de frecare poate fi sabotul din fontă sau din material compozit aplicat pe roată ori garnitura de frecare aplicată pe discul de frână. Sistemul de frânare de bază asigură realizarea sigură a unui drum de frânare încadrat în cel mai mic interval dintre două semnale de cale ferată, începând cu o anumită viteză de circulaţie. În funcţie de necesităţi, sistemele de frânare suplimentare transformă energia cinetică a trenului în lucru mecanic de frânare având eficacitate şi rentabilitate îndeosebi în domeniul vitezelor mari. Cele mai utilizate sisteme de frânare suplimentară sunt frânarea electrică şi cea cu patine magnetice. În domeniul vitezelor mari şi foarte mari, chiar dacă ar acţiona simultan toate sistemele de frânare ale vehiculului nu pot realiza fizic drumurile de frânare limită tradiţionale de 1.000 m, 1.200 m, 1.400 m sau 1.600 m. De aceea s-a dezvoltat conceptul de realizare a drumurilor de frânare cu ajutorul tehnicii de semnalizare. Satisfacerea criteriului de bază impus unui sistem de frână feroviar, de realizare a unui drum de frânare limită este deosebit de important dar este la fel de importantă şi studierea forţelor care acţionează asupra materialului rulant în timpul frânării. Se înţelege de la sine că la un tren care stă pe loc, frânarea nu poate provoca nici un fel de reacţiuni în aparatele de legare şi tamponare. Numai la un tren în mişcare, care dispune de o anumită rezervă de energie cinetică, pot pare, în timpul frânării forţe care acţionează asupra acestuia.

9.1.2.1 Clasificarea sistemelor de frânare

Instalaţia de frână cuprinde ansamblul de aparate şi dispozitive montate pe materialul rulant de cale ferată cu ajutorul cărora se reduce viteza sau se opreşte trenul. Tipurile de instalaţii de frână utilizate până în prezent pe materialul rulant la majoritatea administraţiilor de cale ferată pot fi clasificate după mai multe criterii, dintre care : a) După modul de realizare al forţei de frânare:– frâna cu saboţi, la care forţa de frânare se realizează prin frecarea produsă între saboţi şi suprafaţa de rulare a roţilor;– frâna cu disc, unde forţa de frânare se realizează prin frecarea produsă între garniturile de frecare şi discul de frână;– frâna electrică, la care, în timpul frânării, motoarele electrice de tracţiune cu minime modificări în schema electrică, trec în regim de generatoare, care debitează fie pe rezistenţe, fie în linia de contact;– frâna hidraulică, la care forţa de frânare se realizează prin utilizarea transformatorului hidraulic ca organ de frânare;– frâna magnetică, la care forţa de frânare se realizează cu şi fără frecarea produsă între patina magnetică fixată pe vehicul şi suprafaţa superioară a ciupercii şinei. b) După felul agentului de comandă şi de producere a frânării:– frâna de mână, unde agentul de comandă pentru producerea frânării este forţa musculară a omului, exercitată asupra unei manivele;– frâna de vid, la care agentul de comandă a frânării de-a lungul trenului este aerul rarefiat (vidul), frânarea vehiculului realizându-se prin presiune atmosferică;– frâna cu aer comprimat, în care agentul de comandă a frânării de-a lungul trenului este aerul comprimat, frânarea vehiculului se realizează cu ajutorul aerului comprimat;– frâna electropneumatică, la care forţa de frânare se realizează cu ajutorul aerului comprimat, iar admisia sau evacuarea aerului din cilindrii de frână este comandată de ventile electromagnetice.c) După gradul de automatizare a procesului de frânare:– frâne neautomate, care nu se autoactivează în caz de pericol;– frâne automate, care intră în acţiune automat în caz de pericol (de exemplu, la ruperea trenului sau la tragerea oricărui semnal de alarmă din tren)d) După tipul regimurilor de funcţionare la care se folosesc:

– frâne pentru regim marfă, notate prescurtat cu literele M sau G;– frâne pentru regim persoane, notate prescurtat cu litera P;– frâne pentru regim rapid, notate prescurtat cu litera R;– frâne pentru regim foarte rapid, notate prescurtat cu literele:R+MgR+Mg – ep–D;P+R+Mg;P+R+Mg – ep–D etc.în care:Mg – frână electromagnetică;D – frână cu disc;ep – frână electropneumatică.

9.1.2.2 Frâna pneumatică cu saboţi

Frâna cu saboţi este cea mai folosită la materialul rulant. Roata este solicitată pe de o parte de forţele necesare conducerii vehiculului şi pe de altă parte de forţele de frânare. Pentru cea de a doua categorie de solicitare a fost necesară stabilirea limitelor de temperatură şi de uzură. La frânele automate cu saboţi (figura 2) forţa “F”, care se manifestă la tija pistonului cilindrului de frână 3, este amplificată de elementele timoneriei de frână 4, 6 ăi 7, iar saboţii de frână 1 apasă pe suprafaţa de rulare a roţilor 2. Când apăsarea sabotului pe roată este urmarea acţiunii forţei musculare a omului asupra manivelei 8 şi transmiterea acestei forţe multiplicată de elementele de legătură 9, 10, 11 şi 12 la saboţi, instalaţia de frână este de tip manual.

Figura 2 – Frână cu saboţi acţionată cu aer comprimat şi manual.

La vagoanele de marfă pe 2 şi 4 osii se foloseşte în cazul regimuluide circulaţie S numai un cilindru de frână pe vagon, dacă nu se cer condiţiide montare nefavorabile. Pe vagoanele de marfă care circulă în regimulde circulaţie SS se montează adesea un cilindru de frână cu două camere.

Pentru unele vagoane de călători şi locomotive care au gabarit limitatse utilizează unităţi de frânare (figura 3) cu saboţi din fontă sau material plastic

Figura 3 – Schema unităţii de frânare cu saboţi: 1 – piston; 2 – pârghie amplificatoare; 3 – regulator automat de timonerie; 4 – sabot de frână; 5 – atârnător; 6 – roată; 7 – cadru boghiu.

9.1.2.3 Frâna pneumatică cu disc

Frâna cu disc a fost introdusă mai întâi la vagoanele de călători de viteză sporită şi apoi la vagoanele destinate traficului suburban şi de marfă, care circulă cu viteze mai mari de 120 km/h, din următoarele cauze:– puterea limită de frânare la frâna cu saboţi a fost depăşită, în special la viteze mari;– întreţinerea frânei cu disc este mai ieftină;– confortul călătoriei cu trenuri dotate cu frâna cu disc este mai mare;– prezintă o variaţie mică a coeficientului de frecare faţă de viteză şi presiune specifică;– forţele de apăsare sunt mai mici comparativ cu cele utilizate la frâna cu saboţi şi în consecinţă se pot utiliza cilindri de frână mai mici şi timonerii mai simple. Discurile de frână pot fi montate pe corpul osiei sau pe roată. Cele care se montează pe osie au discul de frână compus din două părţi: discul propriu-zis 1 (figura4) care este plin sau secţionat în mai multe bucăţi, şi butucul de oţel 2. Discul este prevăzut la interior cu elementede prindere de butuc. Părţile laterale sunt pline şi unite între ele prin nervurile de răcire radiale. Ansamblul disc–butuc se fixează pe osie prin presare la rece respectându-se aceleaşi reguli tehnologice aplicate la presarea roţilor pe osie. Un exemplu de ansamblu frână cu disc montată pe roată este ilustrat în figura 5.La noile variante de discuri de frână nervurile de răcire radiale au fost înlocuite prin nervuri rotunde sau ovale, randamentul ventilaţiei putând fi redus la aproximativ o treime fără ca efectul de răcire să se înrăutăţească. La trenurile de viteze mari (TGV, ICE), se utilizează discuri defrână neaerisite, deoarece frâna cu disc este solicitată complet numai încazuri rare.

Figura 4 – Variante constructive ale discului de frână montat pe osie: 1 – disc propriu-zis; 2 – butuc.

Figura 5 – Disc de frână montat pe roată: 1 – roată; 2 – disc propriu-zis.

Discurile de frână montate pe roată (figura 5) sunt de regulă asamblate de corpul roţii prin şuruburi. Discurile de frână propriu-zise nu sunt legate rigid între ele şi de aceea apar deformaţii elastice şi termice mari. Puterea de frânare a frânei cu disc montată pe roată este de cca 20% mai redusă decât aceea a unui disc de frână montat pe osie. Ansamblul frânei cu disc montat pe osie este prezentat in figura 6

Figura 6 – Ansamblul frânei cu disc montat pe osie: 1 – disc de frână montat pe osie; 2 – cilindru de frână; 3 – levieri de frână; 4 – port garnitură de frecare; 5 – bară de conexiune; 6 – garnitură de frecare; 7 – atârnător frână.

9.1.2.4 Frâna electrică

Frâna electrică se caracterizează prin următoarele calităţi:– funcţionarea fără uzură mecanică şi cu întreţinere redusă;– o bună capacitate de reglare;– posibilitatea de adaptare a capacităţii de frânare;– posibilitatea recuperării energiei de frânare, în cazul existenţeicelorlalte elemente necesare acestui tip de frânare electrică.În această etapă tehnologică în domeniul electronicii de putere, frânaelectrică începe să fie considerată ca o frână sigură; la locomotivele modernecalculându-se şi masa frânată de frâna electrică.În general însă frâna electrică este considerată ca frână suplimentarăşi în exploatare nu se ia în calcul procentele de masă frânată, realizate deacestea. Frâna electrică este utilizată cu bune rezultate mai ales la frânărilepe pantă a trenurilor de marfă şi călători, datorită bunei capacităţide reglare a vitezei. Robineţii mecanici moderni permit reglarea comună a frânei pneumatice cu frâna electrică.9.1.2.4.1 Frâna electrică reostatică şi recuperativăFrâna electrică reostatică transformă energia de frânare în căldură cu

ajutorul unor rezistenţe, iar la frâna electrică recuperativă energia de frânareeste debitată în catenară.Din considerente economice frâna electrică rezistivă se utilizează însituaţia unor durate reduse de conectare, iar cea recuperativă se foloseşteîn anumite condiţii, când trenurile cu tonaje mari urmează să fie remorcatepe secţii lungi şi cu pante mari, necesitând frânări dese, repetate. Înaceste cazuri frâna electrică recuperativă transformă într-o perioadă detimp mai lungă energia potenţială a trenului. Frâna electrică recuperativăse poate utiliza şi în traficul suburban, cu opriri numeroase.Datorită cheltuielilor suplimentare cerute de frâna electrică recuperativăcomparativ cu cea rezistivă este necesar ca la alegerea tipului defrână electrică să se facă un studiu de fezabilitate care să analizeze economicitatea sistemului.

9.1.2.5 Frâna hidrodinamică

La multe administraţii feroviare sunt folosite şi frânele hidrodinamice. Acestea pot funcţiona pe baza unui releu hidraulic temporizat, fie pe baza unui transformator hidraulic.Frâna cu releu hidraulic temporizat funcţionează pe principiul frânei hidrodinamice cu apă.Releul hidraulic temporizat este un cuplaj hidraulic care se compune dintr-un rotor–pompă şi un stator. Paletele rotorului–pompă şi statorului formează un spaţiu toroidalcare constituie cavitatea de lucru a cuplajului. La trecerea prin paletajul rotorului–pompă, lichidul de lucru îşi sporeşte viteza, prin aceasta energia mecanică de antrenare a rotorului setransformă în energie cinetică a lichidului de lucru. La trecerea prin paletajul statorului, lichidul de lucru îşi reduce viteza, iar energia cinetică a acestuia se transformă în energie calorică, care este disipată într-un sistem de răcire adecvat. Prin paletele radiale prezentate în figura 7 se obţin pentru ambele direcţii de rotaţie momente de frânare egale. În situaţia când paletele sunt înclinate, prezentate în figura 7 b, c, momentul de frânare pentru sensul de rotaţie este mult mai mare decât cel pentru sensul opus. Cu ajutorul cuplajelor hidraulice de mărimi relativ mici este posibilărealizarea de momente de frânare suficient de mari pentru utilizarea completăa aderenţei roată–şină. Cantitatea de lichid care se află în spaţiul de lucru se încălzeşte foarterepede. Pentru a se evita supraîncălzirea lichidului trebuie ca acesta să fie răcit forţat

Figura 7 – Principiul de construcţie a releului hidraulic temporizat: a – cu admisie simplă şi palete axiale; b – cu admisie simplă şi palete oblice; c – cu admisie dublă ş i palete oblice.

O altă frână hidraulică este cea care foloseşte transformatorul hidrodinamic. Agregatul de frânare este realizat cu unul sau două transformatoare hidrodinamice. Un transformator hidrodinamic prezentat schematic în figura 8 este compus dintr-un rotor pompă P acţionat de motor, un rotor turbină T care acţionează osiile montate şi un reactor L. Puterea motorului se transformă cu ajutorul pompei în “putere hidraulică” şi aceasta, prin turbină, se transformă din nou în putere mecanică..

Figura 8– Schema transformatorului hidrodinamic: M – moment; w – viteza unghiulară; P – pompă; T – turbină; L – reactor.

9.1.2.4 Frâne independente de contactul roata-şină

În condiţii nefavorabile de curăţenie a şinelor sau a roţilor, coeficientul de aderenţă se poate micşora, astfel că există pericolul ca trenurile să depăşească distanţa oferită de semnale pentru frânare.Pentru astfel de condiţii sunt necesare frâne independente de contactul roată–şină.

9.1.2.4.1 Frâna electromagnetică pe şină

Frâna electromagnetică pe şină este utilizată la vagoanele de călători care circulă cu viteze mai mari de 140 km/h şi pe alte vehicule (automotoare) cu viteze mai mici de circulaţie. Frâna electromagnetică de şină se compune din următoarele subansamble principale:– cadrul de frânare cu două patine electromagnetice;– patru cilindri ridicători-coborâtori ai cadrului de frânare;– electroventil acţionat de către distribuitorul de aer care permite comanda cilindrilor ridicători şi contactul de alimentare cu curent electric al patinelor electromagnetice. În principiu, aşa cum rezultă din figura 9, patina electromagnetică constă dintr-o bobină aşezată longitudinal între un număr de piese polare în formă de potcoavă. Curentul continuu din bobină produce un câmp magnetic care realizează în piesa polară un flux magnetic ce se închide prin ciuperca şinei.

Figura 9 – Schema de principiu a patinei electromagnetice: 1 – bobină; 2 – suport; 3 – piesă polară; 4 – şină.

Mărimea forţei de frânare depinde de:– reluctanţa magnetică;– forţa magnetomotoare, ca forţă de atracţie între patină şi şină;– coeficientul de frecare între patina electromagnetică şi şină;– starea şinelor (neplaneitatea şinei conduce la mărimea întrefieruluişi prin aceasta se reduce forţa de frânare). Bobinele sunt astfel dimensionate încât acestea nu se supraîncălzesc la puteri de excitaţie nominale de 1÷1,5 kW. Piesele polare care alcătuiesc patina se fabrică din oţel, fontă cu grafit nodular sau o combinaţie din acestea (zona de contact a pieselor polare cu şina este fabricată din fontă cu grafit nodular, iar suportul din oţel special). Piesele polare din oţel, comparativ cu cele din fontă, au o inducţie magnetică mai mare oferind deci posibilitatea realizării unor forţe de frânare sporite. Dezavantajul folosirii oţelului este legat de formarea unor straturi aderente de material pe piesa polară în zona de contact cu şina, care pot creşte întrefierul cu 0,5÷3 mm. De aceea piesele polare fabricate din oţel se verifică la intervale de timp regulat, eventual şi cu demontarea acestora, pentru îndepărtarea straturilor de material. Aceste probleme nu apar la piesele polare fabricate din fontă pe suport de oţel. În funcţie de realizarea constructivă a pieselor polare deosebim douăvariante ale acestora:a) piesă polară rigidăMiezul piesei polare constă din două părţi rigide din oţel care seasamblează strâns cu şuruburi pe carcasa bobinei. Acest tip de piesă polarăse foloseşte în traficul suburban de călători.b) piesă polară mobilăÎn acest caz cele două părţi ale miezului piesei polare se asamblează cu organe de legătură mobile pe carcasa bobinei. Pentru starea slăbită a frânei patinele electromagnetice sunt suspendate de cadrul boghiului cu ajutorul cilindrilor ridicători, asigurându-se faţă de ciuperca şinei distanţe de minim 100 mm în cazul suspendării înalte şi maxim 10 mm în cazul suspendării joase. În timpul frânării, la acţionarea cilindrilor ridicători, cadrul de frânare coboară până la o anumită distanţă de şină pentru siguranţa atracţiei magnetice. În această situaţie patina este alimentată cu curent şi contactul cu şina este urmarea acţiunii forţei de atracţie electromagnetică. Variaţia coeficientului de frecare μ dintre patină şi şină în funcţie de viteza de circulaţie este redată în figura 10. Coeficientul de frecare creşte mult sub 50 km/h, de aceea patina magnetică se decuplează la această viteză pentru a se evita deceleraţiile mari

Figura 10 – Variaţia coeficientului de frecare μ dintre patină şi şină în raport cu viteza v

9.1.2.4.2 Frâna lineară în curenţi turbionari (Foucault)

Se ştie că frâna lineară în curenţi turbionari este independentă de valoarea contactului roată–şină. Spre deosebire de frâna electromagnetică în acest caz patinele nu ating şina ci se află deasupra acesteia la cca 7 mm. Acest fapt prezintă avantajul unui proces de frânare fără zură. Frâna lineară în curenţi turbionari, destul de scumpă este aptă de a fi extinsă în exploatare comparativ cu frâna electromagnetică. În 1985 căile ferate germane (DB) au efectuat pentru prima dată încercări cu această frână în locul frânei electromagnetice de cale. Frâna lineară se montează pe boghiu la fel ca frâna electromagnetică, schema de principiu a patinei frânei lineare în curenţi turbionari fiind ilustrata in figura 11

Figura 11 – Schema de principiu a patinei frânei lineare în curenţi turbionari: 1 – bobina; 2 – suport; 3 – piesă polară; 4 – şină.

Deşi frâna lineară cu curenţi turbionari depinde mai puţin de viteză, având şi alte avantaje comparativ cu frâna electromagnetică, încălzirea şinelor reprezintă principalul dezavantaj al acestui tip de frână.

9.1.2.5 Frâna electropneumatică

Frâna electropneumatică este o frână pneumatică cu comandă electrică, respectiv forţa de frânare se realizează cu ajutorul aerului comprimat, iar admisiunea sau evacuarea aerului comprimat din cilindrul de frână se realizează cu ajutorul unor ventile electromagnetice. Principiul de funcţionare a frânei electropneumatice se poate urmări pe schema simplificată reprezentată în figura 12.La frâna cu aer comprimat în poziţia de alimentare şi de slăbire a robinetului 2, când mecanicul măreşte presiunea în conducta generală 3, distribuitorul de aer 4 pune în legătură rezervorul auxiliar 5 cu conducta generală 3, realizându-se faza de alimentare a frânei. În acelaşi timp are loc şi faza de slăbire a frânei, respectiv distribuitorul de aer 4 pune în legătură cilindrul de frână 7 cu atmosfera.

Figura 12 – Schema frânei electropneumatice

Când frânarea se realizează pe cale electropneumatică, mânerul 1 al robinetului mecanicului 2 închide prin contacte electrice circuitele bobinelor electromagnetice 8 şi 9 care atrag supapele 10 şi 11. Supapa de frânare 10 face legătura rezervorului auxiliar 5 cu cilindrul de frână 7, prin intermediul ventilului de comutare 5, 6 care se deplasează la stânga. În acelaşi timp, supapa de evacuare 11 închide legătura cilindrului de frână cu atmosfera. În cazul defectării circuitelor electrice, comanda frânei se poate realiza pe cale pneumatică. De aceea, în construcţia frânei electropneumatice se menţine distribuitorul de aer de la frâna indirectă cu aer comprimat. În comparaţie cu frâna indirectă cu comandă pneumatică, acest tip de frână prezintă avantajul că prin comanda electrică asigură o acţiune simultană a tuturor frânelor din tren, realizându-se o frânare liniştită, într-un timp cât mai redus şi pe un drum de frânare cât mai scurt. Există două variante de comandă a frânelor electropneumatice: comandadirectă şi cea indirectă. Pentru instalaţia de frână electropneumatică, care are o singură conductă generală de aer, de 1 1/4 se utilizează comanda directă. Aceasta echipează materialul rulant ce asigură traficul urban şi suburban. În cazul trenurilor lungi nu se mai asigură inepuizabilitatea frânei de frâna electromagnetică cu comandă directă.

9.1.3. Principiul de funcţionare al frânelor cu aer comprimat (pneumatice)

9.1.3.1 Frâna directă (neautomată)

Frâna pneumatică directă este cea mai simplă frână, care se bazează pe legătura directă între cilindrul de frână şi conducta generală de aer (figura 13).Principiul de funcţionare: La frâna directă, aerul comprimat produs de compresorul (1) este înmagazinat în rezervorul principal (2) şi de aici este admis în timpul frânării direct în cilindrii de frână (5) prin intermediul robinetului mecanicului (3) şi al conductei generale (4). Datorită comunicaţiei directe între cilindrii de frână şi conducta generală de aer, forţa de frânare poate fi variatăîn mod continuu sau în trepte, atât la frânare, cât şi la slăbire.

Variaţia presiunii aerului în cilindrii de frână a primului vagon C1 şi al ultimului vagon din tren Cn este dată în figura 14.

Figura 13 – Schema de funcţionare a frânei directe.

Figura 14 – Variaţia presiunii aerului în cilindrii de frână la primul vagon (Pc1) şi la ultimul vagon (Pcn) din tren.

Robinetul mecanicului are trei poziţii (figura 13):– poz. I – la care aerul este admis în cilindrul de frână (5) din conducta generală de aer.– poz. II – prin care se izolează rezervorul principal (2) de cilindrul de frână (5). Conducta generală (4) este pusă în legătură cu atmosfera realizându-se astfel defrânarea sau slăbirea frânei;– poz. III – prin care se închide comunicaţia cu atmosfera a conductei generale, realizându-se astfel întreruperea slăbirii frânei. Conducta generală (4) este legată între vagoane prin semiacuplările (6), asigurându-se continuitatea pe toată lungimea trenului, atât pentru alimentarea cu aer comprimat a tuturor frânelor din tren, cât şi pentru comanda strângerii sau slăbirii frânelor dintr-un singur loc.

Această alimentare sau golire centralizată a cilindrilor de frână din tren are un mare dezavantaj, deoarece propagarea succesivă a frânării sau slăbirii frânelor în lungul trenului se face cu viteză redusă, dependentă de lungimea acestuia. Un alt dezavantaj al frânei directe este acela că la ruperea trenului, deci şi a conductei generale, vehiculele se slăbesc. Prin urmare, frâna directă este neautomată şi se utilizează numai la vehicule motoare ca frână suplimentară, alături de frâna indirectă (automată).

9.1.3.2 Frâna indirectă (automată)

Din punct de vedere constructiv, frâna indirectă are în plus, faţă de frâna directă un distribuitor de aer (6) şi un rezervor auxiliar (7) aşa cum rezultă din figura 15.Principiul de funcţionare: La frânare, prin reducerea presiunii în conducta generală de aer (4), distribuitorul de aer (6) stabileşte comunicaţia între cilindrul de frână (5) şi rezervorul auxiliar (7). Prin mărirea presiunii din conducta generală (4), distribuitorul de aer stabileşte comunicaţia între cilindrul de frână (5) şi atmosferă obţinându-se slăbirea frânei. În acelaşi timp, distribuitorul de aer stabileşte legătura între conducta generală (4) şi rezervorul auxiliar (7) pentru realimentarea acestuia la presiunea de regim de 5 bari. Menţinerea constantă a presiunii de regim în conducta generală se face cu ajutorul robinetului mecanicului. Funcţionarea frânei indirecte se bazează pe variaţia presiunii aerului în conducta generală, sesizată de distribuitorul de aer. Sub influenţa presiunilor din rezervorul auxiliar şi conducta generală se stabilesc legăturile necesare frânării sau slăbirii frânei.

Figura 15 – Schema de funcţionare a frânei indirecte.

Frâna indirectă este:– automată, ceea ce înseamnă că la ruperea trenului, continuitatea conductei generale este întreruptă, se produce o scădere a presiunii de aer, şi frâna intră în acţiune;– cu acţiune rapidă, care rezultă din: intrarea distribuitoarelor de aer în acţiune rapid, deoarece trebuie eliminat un volum relativ mic de aer comprimat din conducta generală; aerul comprimat parcurge un drum mai scurt de la rezervor la cilindrul de frână, acelaşi pentru fiecare vagon din garnitură, indiferent de poziţia acestuia faţă de locomotivă. O cerinţă încă nesatisfăcută de această variantă de frână indirectă este uniformitatea frânei. Din figura 16 rezultă că, viteza de variaţie a presiunii aerului din cilindrul de frână al primului vagon din tren C1 este mult mai mare decât aceea a ultimului vagon din tren Cn.

Figura 16 – Variaţia presiunii aerului în cilindrii de frână la primul vagon (Pc1) şi la ultimul vagon (Pcn) din tren.

9.1.3.3 Cerinţe generale privind comanda şi funcţionarea frânelor de cale ferată Comanda frânei vehiculelor de cale ferată trebuie să îndeplinească diferite cerinţe, cele mai importante dintre acestea fiind prezentate în continuare:1. Să frâneze şi să slăbească rapid;2. Să frâneze şi să slăbească uniform, pe întreaga lungime a trenului;3. Să prezinte capacitatea de cuplare între sisteme de frână în condiţii de exploatare dură;4. Insensibilitatea faţă de neetanşeităţi sau curenţii de conturare;5. Neepuizabilă sau puţin epuizabilă;6. Execuţie robustă, interval mare de întreţinere, simplu de reparat;7. Acumulatorul de forţe de frânare trebuie să fie, din motive de redundanţă în fiecare vagon;8. La căile ferate normale trebuie să fie stăpânite lungimi mari de tren situate în domeniul 700 -3.000 m;9. Automatizare la ruperea unui tren;10. Să existe posibilitatea executării frânărilor în trepte de presiune;11. Să existe posibilitatea frânării în funcţie de încărcarea vehiculului. Datorită cerinţelor menţionate la pct. 3, 4, 6 şi 7 la căile ferate nu există nici o alternativă la frâna pneumatică cu aer comprimat ca frână de bază. La automotoare, tramvaie şi metrou se impun alte sisteme de frână pebaza avantajelor, care rezultă de la primele două cerinţe (electric, electropneumatic, electrohidraulic). Dacă nu trebuie să se cupleze cu alte tipuride frâne în tren, există avantajele utilizării frânei pur hidraulice.Cerinţele prezentate mai sus sunt parţial contradictorii. Astfel, de exemplu, o frână cu acţiune rapidă prezintă la trenurile lungi uniformitate relativ proastă. În concluzie, realizarea frânei vehiculelor de cale ferată este de aceea, întotdeauna un compromis, fiind acceptată în funcţiede criteriile de apreciere şi de condiţiile de exploatare.

9.1.4. Realizarea efectului de frânare9.1.4.1 Dinamica frânării

În mod concret, dinamica frânării se reduce la cele ce urmează:

a. în timpul frânării, forţa de apăsare a saboţilor asupra roţilor trenului nu apare instantaneu, ci în mod progresiv, mărindu-se mai mult sau mai puţin treptat, de la zero până la maximum. Dat fiind însă că trenul este compus din mai multe unităţi independente, care nu sunt legate rigid între ele, este natural ca trenul să fie supus în unele părţi compresiunilor dinamice, iar în alte părţi – întinderii, din care cauză apar în tren şocuri şi smucituri;b. se înţelege de la sine că la un tren care stă pe loc, acţionarea frânei nu poate provoca nici un fel de reacţiuni în aparatele de legare. Numai la un tren în mişcare, care dispune de o anumită rezervă de energie cinetică, pot avea loc, în timpul frânării, eforturi dinamice, care se şi observă în realitate. Înseamnă deci, că în afară de cauza arătată mai sus, care provoacă reacţiuni şi constă în funcţionarea neuniformă şi nesimultană a frânelor trenului, se mai impune condiţia ca trenul să fie în mişcare; viteza mare nu este obligatorie, dimpotrivă, cu cât viteza este mai mică cuatât şocurile şi smuciturile sunt mai mari.c. în sfârşit, mai există şi o a treia condiţie hotărâtoare pentru ca să apară reacţiuni în tren şi anume lungimea lui. În trenurile scurte reacţiile sunt slabe şi nu se observă. În trenuri lungi însă reacţiile pot atinge valori periculoase, pentru starea materialului rulant. Pentru mai multă claritate este de folos a se examina mai amănunţit ansamblul de fenomene care se petrec în timpul frânării.La frânarea unui tren care se mişcă în virtutea inerţiei pe o linie în palier, energia lui cinetică scade datorită scăderii vitezei. Dat fiindcă după legea conservării, aceasta nu poate să dispară, ci poate numai să se transforme într-o altă formă, în cazul de faţă ea se transmite, prin intermediul roţilor rulând pe şine, la suprafaţa saboţilor sau garniturilor frânei cu discunde se transformă în căldură, care, până la sfârşit, este cedată şi radiată în mediul ambiant. Procesul acesta se desfăşoară în diferite locuri ale trenului, cu intensitatea diferită, în funcţie de forţa de apăsare a saboţilor de frână sau garniturilor frânei cu disc. Pe de altă parte, osiile frânate nu sunt dispuse de-a lungul trenului, uniform şi proporţional potrivit cu greutatea vagoanelor, iar forţele de frânare nu apar simultan la începutul frânării. De aceea, unele vagoane sau unele părţi ale trenului tind să se mişte neuniform şi anume: cu încetiniri direct proporţionale cu forţele de rezistenţă (suma forţelor de frânare şi a rezistenţelor la înaintare) care revin pe tona de greutate a vagonului sau a părţii de tren. Cu alte cuvinte, dacă s-ar desface din tren părţile amintite şi ar fi lăsate să se mişte izolat, ele s-ar mişca cu încetiniri diferite; în tren însă, legate fiind unele de altele, ele trebuie să se mişte cu aceeaşi viteză comună şi cu încetinirea întregului tren, corespunzătoare greutăţii lui şi forţei de frânare totale. De aici rezultă clar că în aparatele de tracţiune-legare şi de ciocnire dintre vagoane trebuie să se producă reacţiuni diferite, pentru a putea menţine toate vagoanele într-o mişcare comună. Se înţelege că în timpul acesta, surplusul de forţă de frânare pe care îl posedă unelepărţi ale trenului, se transmite asupra altor părţi, a căror forţă de frânare este suficientă, iar această egalizare se face pe seama forţelor longitudinale, care iau naştere în părţile respective ale trenului. Afară de aceasta, aparatele de tracţiune-legare şi şasiurile vagoanelor, având fiecare un coeficient de elasticitate, dau la un loc un coeficient de elasticitate general, care poate provoca oscilaţii armonice. În cadrul trenurilor lungi şi a forţelor de frânare mari, la apariţia oscilaţiilor armonice contribuie considerabil deformaţiile elastice longitudinale. Pe lângă cele descrise mai există însă şi alte fenomene.- La vagoanele pe două osii, forţa de frânare, aplicată asupra roţilor în punctul lor de contact cu şinele, dă naştere unui moment de răsturnare, faţă de centrul de greutate al vagonului. Acest moment încarcă osiile din faţă şi le descarcă pe cele din urmă. - La vagoanele cu patru osii, descărcarea osiilor din urmă ale boghiurilor este mai pronunţată, din cauză că ampatamentul boghiurilor fiind mic, momentul de răsturnare faţă de pivot estemare. Forţe longitudinale apar şi la slăbirea frânelor, când trenul se află încă în mişcare. Fenomenele dinamice se succed în cazul acesta în sens invers şi cu mai puţină violenţă, deoarece forţele de frânare sunt mai mici. Şocurilor care se produc la frânare, le corespund smucituri la slăbirea frânelor.

În practică însă, slăbirea frânelor se face de cele mai multe ori numai după oprirea definitivă a trenului, când nu mai pot avea loc nici un fel de forţe longitudinale. Dacă totuşi se constată, după oprirea trenului, unele urmări ale forţelor longitudinale, de exemplu ruperea trenului, trebuie să presupunem că acestea s-au produs în ultimul moment, înainte de oprirea definitiva a trenului

9.1.4.2 Fazele frânării

Frânele vehiculelor de cale ferată se deosebesc net de toate celelalte frâne, care sunt utilizate pe o scară cel puţin tot atât de întinsă, în diferite domenii ale tehnicii, mai ales în cel al transporturilor rutiere. Deosebirea cea mai importantă constă în aceea că, frânele de cale ferată reprezintă o serie de dispozitive într-un sistem de unităţi mobile legate continuu, saufără rigiditate, într-un tren lung de la 400 până la 1.200 m, uneori mai mult, iar manipularea tuturor frânelor este concentrată într-un singur loc şi se face prin modificarea presiunii în conductă. În asemenea condiţii, este natural să ne aşteptăm la o oarecare lipsă de concordanţă în funcţionarea frânelor trenului. Această lipsă de simultaneitate şi de concordanţă a acţiunii unor unităţi izolate, după cum s-a arătat anterior, este cauza reacţiilor dinamice longitudinale din tren. Karwatzky, a împărţit regimul nestabilizat al frânării în câteva faze aşa cum rezultă din figura17. Figura 17 reprezintă creşterea şi propagarea de-a lungul trenului a presiunilor în cilindrii de frână, respectiv creşterea şi propagarea forţelor de frânare în cazul trenului de călători. În această figură sunt notate următoarele patru faze caracteristice:Faza I. Regiunea A arată că, din momentul aducerii mânerului robinetului mecanicului în poziţia de frânare, frânele încep să intre succesiv în acţiune, ajungând până la urma trenului într-un anumit interval de timp care reprezintă timpul de propagare a undei de frânare. În acel moment, în care frânele următoare abia încep să intre în acţiune, frânele precedente, intrate mai devreme în acţiune îşi măresc treptat forţa, datorită creşterii presiunii în cilindrii lor de frână, astfel încât în momentul când ultima frână începe acţiunea, frânele primelor vagoane acţionează cu forţe mai mari decât toate celelalte frâne din tren. În felul acesta, frânele îşi exercită acţiunea spre sfârşitul primei faze, pe toată lungimea trenului, cu forţe care scad treptat de la capul spre urma trenului, în limitele corespunzătoare diferenţei de presiune a aerului, notată în diagramă cu literele a b.

Figura 17 – Fazele de frânare ale unei frâne tip călători.

După cum se va vedea mai departe, în această fază are loc comprimarea maximă a trenului.Faza a II-a. În timpul fazei a doua (regiunea B), presiunile cresc uniform în toţi cilindrii de frână, menţinându-se diferenţa care s-a produs spre sfârşitul primei şi începutul celei de-a doua faze. În această fază, trenul rămâne comprimat.Faza a III-a. În timpul fazei a treia (regiunea C), presiunile în cilindrii de frână încep să se egalizeze succesiv, începând de la primul vagon şi până la urma trenului şi devin egale pe toată lungimea trenului, spre sfârşitul fazei a treia. Dacă la începutul acestei faze trenul a fost încă comprimat, datorită diferenţei de presiune (cd) în cilindrii de frână, atunci spre sfârşitul ei ajunge în stare liberă, prin egalizarea completă a presiunilor, adică în urma dispariţiei diferenţei dintre forţele de frânare. Această diferenţă a dispărut treptat în decursul fazei a treia. Aparatele de legare sau de ciocnire,comprimate în timpul fazei a doua şi menţinute în această stare pe toată durata fazei a doua, dau în faza a treia un recul succesiv complet sau parţial, în funcţie de tipul aparatelor de amortizare şi de proprietăţile cuplelor de legare.Faza a IV-a. În faza a patra (regiunea D) nu exist nici o diferenţă în acţiunea frânelor. Toate frânele produc frânarea cu forţa maximă, care se menţine până când se opreşte trenul sau până când mecanicul face defrânarea. În faza a patra nu se produc nici un fel de reacţii în aparatele de legare, dacă forţa specifică de frânare este uniform împărţită în tot trenul. În caz contrar nu se vor produce reacţiuni de comprimare sau de întindere

9.1.4.3 Distribuitoare de aer

În tren comanda frânării se face dintr-un singur loc (de pe locomotivă). Ieşirea aerului din conducta generală la frânare făcându-se cu ajutorul robinetului mecanicului, are drept consecinţă realizarea unor viteze de scăderea presiunii aerului diferite pe lungimea trenului, din ce în ce mai mici de la locomotivă spre coada trenului. Uniformitatea frânării se poate obţine prin realizarea unui timp propriu de creştere a presiunii aerului în cilindrul de frână cunoscut sub denumirea de timp de umplere propriu al cilindrului de frână. Presiunea aerului din cilindrul de frână nu poate urma rapid modificarea presiunii aerului din conducta generală de aer. În consecinţă în funcţie de tipul constructiv al distribuitorului de aer se pot obţine în procesul de frânare timpi proprii de umplere ai cilindrului de frână. În cazul ideal se pot obţine timpi de creştere ai presiunii aerului din cilindrii de frână de la primul vagon C1 şi de ultimul vagon al trenului Cn aproximativ egali (figura 16). Timpul propriu de umplere al cilindrului de frână se realizează prin introducerea unor orificii calibrate între rezervorul de aer, cilindrul de frână şi atmosferă. Distribuitoarele de aer de acest tip, au fost construite până în anii ’50 şi nu au o acţiune unificată, necesitând orificii calibrate pentru fiecare mărime a cilindrului de frână. Distribuitoarele moderne au o acţiune unificată, realizată cu ajutorul releului de presiune. Timpul de umplere al cilindrului de frână în acest caz, este independent de mărimea cilindrului. Chiar dacă au acţiunea unificată adică independentă de mărimea cilindrului de frână, aceste distribuitoare nu elimină decalajul de la un vagon la altul de intrare în acţiune a frânei.Datorită acestui decalaj, forţele de frânare în lungul trenului sunt neuniforme, putând provoca, în anumite condiţii, reacţii dinamice care să conducă la şocuri, ruperi de tren, chiar deraieri. Pentru ca aceste reacţii dinamice să se încadreze în limite admisibile pentru siguranţa circulaţiei, UIC a reglementat valorile timpilor de frânare - slăbire date de distribuitoarele de aer, astfel:– pentru vagonul de călători timpul de umplere al cilindrului de frânăeste de 3-5 s, iar cel de golire (slăbire) de 15-20 s;– pentru vagonul de marfă timpul de umplere al cilindrului de frânăeste de 18-28 s, iar cel de golire de 45-60 s. Timpii de umplere şi de golire ai cilindrului de frână sunt influenţaţi de modul de variaţie a presiunii aerului din conducta generală şi, în consecinţă, în tren aceştia vor avea valori

diferite faţă de cei realizaţi pe vagoane individuale (mai mari pe măsura depărtării de locomotivă). Toate distribuitoarele de aer, indiferent de regimul de frânare, produc în cilindrul de frână o presiune proporţională cu depresiunea din conducta generală de aer. La reducerea presiunii aerului mai mari de 1,5 bar din conducta generală, pentru a se evita forţe de frânare mari şi neuniforme în lungul trenului, se limitează presiunea în cilindrul de frână la cca 3,8 bari, printr-un limitator de presiune maximă. Distribuitoarele de aer care nu au acţiune unificată, au dezavantajul că timpul propriu de umplere al cilindrului de frână depinde de mărimea cilindrului de frână. Eliminarea acestui dezavantaj se face cu ajutorul distribuitorului de aer cu acţiune unificată. Acţiunea de unificare se realizează cu ajutorul unei presiuni de comandă preliminară care corespunde presiunii din cilindrul de frână. Aceasta se produce într-un volum mic şi constant cunoscută sub numele de camera CV. Aşa cum rezultă din figura 18, o reducere a presiunii din conducta generală de aer produce o creştere a presiunii în camera CV (Pcv) prin comutaţia cu camera rezervorului auxiliar R (PR). Deoarece volumul CV este constant, presiunea Pcv constantă acţionează pe una din feţele releului şi la presiunea Pc va determina intrarea aerului în cilindrul de frână din rezervorul R, fără ca volumul cilindrului de frână sã influenţeze. Toate presiunile din distribuitorul de aer se raportează la presiunea de referinţă PA (5 bari) care se găseşte în camera de comandă A, întotdeauna la această valoare constantă. Aceste procedee permit menţinerea precisă a timpului de umplere al cilindrului de frână independent de mărimea cilindrului de frână şi au fost aplicate la distribuitoarele de aerKnorr KE care echipează materialul rulant de la CFR.

Figura 18 – Distribuitor de aer cu comandă de presiune preliminară şi de referinţă (releu de presiune).

Distribuitoarele de aer utilizate in instalaţia de frâna automată indirectă , funcţionează fie pe principiul frânei cu doua presiuni ,fie pe principiul cu trei presiuni. Distribuitorul de aer care funcţionează pe principiul cu doua presiuni (presiunea din conducta generală şi presiunea din rezervorul auxiliar), permite executarea frânărilor şi slăbirilor continue, precum şi a frânarilor în trepte. Distribuitorul de aer care funcţionează pe principiul cu trei presiuni (presiunea din conducta generală, presiunea din cilindrul de frână şi presiunea din rezervorul de aer), permite executarea frânarilor şi slăbirilor continue şi în trepte.

9.1.4.4 Viteza undei de frânare

Distribuitorul de aer intră în acţiune în momentul când presiunea în conducta generală are o valoare suficient de mică pentru a pune în mişcare pistonul de distribuţie. Această scădere de presiune provocată în mod normal prin robinetul mecanicului, nu se transmite instantaneu la fiecare vehicul din tren, ci mai întâi are loc o mişcare a aerului pe conductă, “unda de aer”, cu o viteză aproximativ egală cu viteza sunetului (v = 330 m/s). După aceea, atât timp cât orificiul de emisie rămâne deschis, în fiecare punct al conductei prin care a trecut unda de aer începe scăderea locală de presiune. În felul acesta, după unda de aer urmează “unda de frânare” cu o viteză mai redusă, care depinde de felul descărcării conductei generale, de starea de curăţenie a conductei, de lungimea trenului şi de performanţele distribuitorului de aer. Rezultă deci că la frânele cu comandă pneumatică, intrarea în acţiune a frânelor din tren nu se face simultan, ci are loc o propagare succesivă a frânării în lungul trenului, începând din locul unde s-a produs depresiunea, cu o anumită viteză, numită “viteza undei de frânare”. Viteza undei de frânare vf este definită ca raportul dintre lungimea conductei generale l (măsurată de la robinetul mecanicului până la robinetul frontal final al trenului, fără a se menţine seama de ramificaţii) şi timpul t scurs din momentul în care se manevrează robinetul mecanicului şi momentul când începe acţiunea de frânare a ultimului vehicul, adică:

vf = l / t (m/s)

Cu cât viteza de propagare a frânării este mai mare cu atât frânarea trenului va fi mai liniştită (lipsită de reacţiuni violente), oferind posibilitatea creşterii lungimii trenurilor şi a vitezelor de circulaţie. Creşterea vitezei de propagare a frânării se poate realiza pe seama reducerii timpului t de propagare a frânării. Aceasta este posibilă dacă distribuitoarele de aer au “camera de accelerare” sau dacă conducta generală este prevăzută cu organe de accelerare numite “acceleratoare”. Introducerea camerelor de accelerare a fost impusă şi de faptul că, din motive tehnice, distribuitoarele de aer nu trebuie să fie construite atât de sensibil încât să intre în acţiune la prima undă de aer. Condiţiile tehnice interne şi internaţionale pentru distribuitoarele de aer cuprind precizări, atât pentru gradul de “insensibilitate” (adică distribuitorul nu trebuie să intre în acţiune dacă de exemplu presiunea în conducta generală scade în 6 s numai cu 0,03 bar), cât şi pentru gradul de “sensibilitate” (adică distribuitorul trebuie să intre în acţiune dacă presiunea din conducta generală scade în 6 s cu 0,6 bar). Pentru înlăturarea acestor dezavantaje, precum şi pentru reducerea şocurilor în tren, este necesar ca viteza de propagare a frânării să fie majorată, utilizându-se în acest scop aşa numitele camere de accelerare, al căror principiu de funcţionare este următorul: Când se execută o frânare provocată de scăderea de presiune în conducta generală prin robinetul mecanicului, distribuitorul de aer de la primul vehicul intră în acţiune permiţând alimentarea cilindrului de frână (figura 19 a). În acelaşi timp are loc şi o descărcare suplimentară a conductei generale în camera de accelerare Ca, majorând depresiunea locală în conductă, favorizând astfel intrarea mai rapidă în acţiune a frânei următorului vehicul. În felul acesta, unda de scădere locală a presiunii în conducta generală se deplasează din accelerator în accelerator (figura 19 b) asemănătorvalurilor de apă, şi nu lasă să se stingă unda de frânare a cărei viteză de propagare se măreşte aproximativ de trei ori.

Figura 19 a - Schema de funcţionare a frânei cu camere de accelerare

Figura 19 b - Schema de funcţionare a frânei cu camere de accelerare

9.1.4.5 Viteza undei de aer

În timpul manevrării frânei, conducta generală de aer rămâne închisă la unul din capete, în timp ce la celălalt capăt al ei, fie aerul iese în atmosferă (când se execută o frânare), fie se completează cu aer comprimat din rezervorul principal (când se slăbesc frânele). Din cauza lungimii mari a conductei generale şi a elasticităţii aerului, modificarea presiunii, la un capăt al conductei, nu se transmite instantaneu la celălalt capăt, ci se propagă cu o anumită viteză. Începutul deplasării aerului în fiecare punct al conductei, produce un început de scădere a presiunii care se propagă de-a lungul conductei generale cu o anumită viteză, reprezentând viteza undei de aer. Modul de funcţionare al frânei depinde în mare măsură de legea după care variază presiunea în diferite puncte ale conductei generale, când aceasta se descarcă în vederea frânării sau când este alimentată cu aer pentru defrânare. Modificarea presiunii într-un punct dat al conductei generale începe imediat după trecerea undei de aer prin acel punct, ca rezultat al ieşirii aerului în atmosferă prin robinetul mecanicului sau ca rezultat al debitării aerului din rezervorul principal în conductă prin acelaşi robinet, potrivit poziţiei în care se află mânerul acestuia.

9.1.4.6 Influenţa pierderilor de aer in conducta generala asupra intrării in acţiune a distribuitoarelor de aer

Conducta generală nu poate fi etanşă şi de aceea sunt admise pierderi de aer datorate neetanşeităţilor. Pierderile de aer sunt cauza diferenţelor de presiune care există în conducta generală, în capul şi la urma trenului, atunci când prin robinetul mecanicului se completează pierderile de aer şi se menţine presiunea constantă în conducta generală de aer.

Această diferenţă atinge 0,3-0,4 bar, uneori chiar mai mult, în conductă în funcţie de lungimea conductei generale şi de gradul de etanşeitate. Formarea acestei diferenţe de presiune între capul şi urma trenului, în timpul alimentării conductei generale, se explică prin aceea că aerul nu se află în repaos, ci se mişcă tot timpul încet de la capăt spre coada trenului completând pierderile de aer. Viteza de scădere a presiunii aerului datorită neetanşeităţii, la care nu se produce intrarea în acţiune a frânei este de cca 0,2 bar/min. pentru trenuri de călători şi de cca 0,3-0,5 bar/min. pentru trenuri de marfă.

9.1.4.7 Caracteristica de frânare in funcţie de felul trenului

Un tren de cale ferată nu este o unitate rigidă, ci el constă dintr-o serie de unităţi mobile legate elastic între ele. Sub influenţa forţelor de frânare aplicate brusc şi neuniform se nasc reacţiuni dinamice longitudinale în tren, care chiar dacă sunt mici se resimt neplăcut de călători, iar dacă sunt mari devin vătămătoare atât pentru vehicul, cât şi pentru încărcătură,putând provoca încălecări de vagoane sau ruperea trenului. Aceste reacţiuni sunt cu atât mai puternice cu cât trenul este mai lung şi are distanţemai mari între tampoane. Sursa principală de apariţie a reacţiunilor longitudinale în tren constă în faptul că la frânele cu comandă pneumatică nu există o simultaneitate la intrarea în acţiune a frânelor din tren, ci are loc un decalaj între intrarea în acţiune a frânei primului vagon şi a ultimului. Acest decalaj se măsoară prin timpul de propagare a frânării şi este cu atât mai mare cu cât trenul este mai lung. Totodată, reacţiunile longitudinale în tren depind şi de timpul de alimentare a cilindrului de frână până la presiunea maximă (timpul de realizare a forţei maxime de apăsare a sabotului pe roată), precum şi de felul cum se realizează această alimentare. Pentru ameliorarea reacţiunilor, în special la trenurile de marfă lungi, caracteristicile de frânare ale acestora trebuie să fie deosebite de ale trenurilor de călători care sunt mult mai scurte. Lungimea trenurilor de călători este limitată în mod normal la circa 300-500 m (60 osii), iar vagoanele sunt cuplate între ele în aşa fel încât resoartele tampoanelor stau sub tensiunea iniţială. De aceea, la aceste trenuri nu se produc reacţiuni dinamice supărătoare, fiindcă timpul de propagare a frânării este scurt, iar acţiunea de frânare se produce repede şi energic. De exemplu, la cel mai lung tren de călători (500 m) la care, pentru cele mai răspândite sisteme de frânare, viteza de propagare a frânării este de 250 m/s, acţiunea frânei la ultimul vagon se produce cu 2 s mai târziu decât la primul vagon, când acesta are deja în cilindru de frână 1,8 bar. La trenurile de călători, alimentarea cilindrului de frână până la presiunea maximă (3,6-3,8 bar) durează aproximativ 3-5 s. Rezultă că diferenţa dintre forţele de frânare de la primul şi ultimul vagon este de cel mult 50% din forţa maximă de frânare (figura 20 curba P) şi aceasta poate fi preluată de aparatele de tamponare fără să aibă loc reacţiuni violente.

Figura 20 – Variaţia presiunii în cilindrul de frână în funcţie de felul trenului.

Dimpotrivă, la trenurile de marfă reacţiunile sunt mult mai violente, deoarece trenurile de marfă sunt mult mai lungi decât trenurile de călători şi, în afară de aceasta, ele sunt cuplate cu joc între tampoane în scopul uşurării demarajului. Totodată, ele sunt compuse din vagoane grele şi uşoare, goale şi încărcate, scurte şi lungi, precum şi frânate şi nefrânate. La un tren de marfă de 200 osii, cu o lungime de circa 1.200 m, frâna ultimului vagon intră în acţiuni mai târziu cu circa 5-6 s decât frâna din capul trenului. Dacă la aceste trenuri presiunea în cilindrul de frână ar creşte în acelaşi timp ca la trenurile de călători, când la ultimul vagon ar începe frânarea, la primul vagon ar deja aplicată întreaga forţă de frânare,respectiv diferenţa de forţă de frânare dintre primul şi ultimul vagon ar fi maximă şi n-ar mai putea fi preluată în întregime de aparatele de tamponare. În această situaţie, partea din urmă a trenului încă nefrânată, acţionează asupra părţii din faţă a trenului, deja frânată, dând naştere la locuri şi reacţiuni puternice în lungul trenului.Pentru atenuarea reacţiunilor la trenurile de marfă lungi, nu este suficientă viteza sporită de propagare a frânării; de aceea, timpul de umplere a cilindrului de frână trebuie prelungit în raport cu timpul de propagare a frânării, pentru a uniformiza pe cât posibil forţele de apăsare pe saboţi pentru vehicule situate de la un capăt la altul al trenului. Această prelungire a timpilor de umplere este arătată în diagrama din figura 20, curbaM (marfă), de unde se vede că la intrarea în acţiune după 6s a frânei ultimului vagon, presiunea în cilindrul de frână la primul vagon ajunge la circa 1,1 bar. Astfel, diferenţele dintre forţele de frânare ale vagoanelor nu sunt mari şi pot fi preluate uşor de aparatele de tamponare. O importanţă deosebită asupra frânării normale a trenurilor de marfă lungi o are şi felul de realizare a presiunii în cilindrul de frână. Prin diferitele experienţe s-a stabilit că presiunea în cilindrul de frână trebuie să crească la început repede până la circa 0,8-0,9 bar, cu scopul de a se aplica saboţii pe roţi într-un timp scurt pentru a stabiliza trenul – “timpul întâi” – urmată apoi de o creştere lentă, progresivă, a presiunii în toţi cilindrii de frână din tren – “timpul al doilea”. Din acest punct de vedere frânele trenurilor de călători se deosebesc de frânele trenurilor de marfă. Frânele sunt clasificate astfel: frâne cu acţiune rapidă, cele utilizate la vagoanele de călători care au timpii de umplere a cilindrului de frână la o frânare rapidă de 3-6 s, iar golirea cilindrului de frână la o defrânare totală de 15-20 s; frâne cu acţiune lentă, cele utilizate la vagoanele de marfă care au timpii de umplere a cilindrului de frână la o frânare rapidă de 18-60 s, iar golirea cilindrului de frână la o defrânare totală de 45-60 s. Pentru ca un vagon să poată circula fie în compunerea trenurilor de marfă, fie în compunerea trenurilor de persoane, instalaţia de frâne trebuie să posede un dispozitiv special prin care să se poată adapta aceeaşi frână la cele două regimuri de funcţionare. În acest scop, majoritatea sistemelor de frână din parcul CFR posedă un schimbător marfă–persoane(prescurtat M–P) prin care se poate realiza caracteristica de frânare M sau caracteristica de frânare P (figura 20), după cum vagonul circulă în componenţa trenurilor de marfă sau de persoane.