Вакуумные тормоза для поездов: история и устаревание.

Введение

Вакуумный тормоз – это тормозная система, используемая на поездах и появившаяся в середине 1860-х годов. Разновидность – автоматическая вакуумная тормозная система – стала почти повсеместной в британском железнодорожном подвижном составе и в странах, испытавших влияние британской практики. Вакуумные тормоза также некоторое время применялись в Соединенных Штатах, главным образом на узкоколейных железных дорогах. Из-за своих ограничений они постепенно уступали место системам сжатого воздуха, начиная с 1970-х годов в Соединенном Королевстве. Вакуумная тормозная система в настоящее время устарела и не используется в широком масштабе где-либо в мире, за исключением Южной Африки, где она в значительной степени вытеснена пневматическими тормозами.

Введение

В первые дни железных дорог поезда замедлялись или останавливались посредством ручного приведения в действие тормозов на локомотиве и в тормозных вагонах по составу, а позднее – паровыми тормозами на локомотивах. Это было явно неудовлетворительно, учитывая медленное и ненадежное время реакции (каждое торможение применялось отдельно членом поездной бригады в ответ на сигналы машиниста, которые они могли пропустить по разным причинам, и обязательно последовательно, а не одновременно, если тормозов было больше, чем членов бригады, что делало экстренное торможение крайне неэффективным) и чрезвычайно ограниченную тормозную силу (большинство вагонов поезда были совсем без тормозов, а сила торможения всех, кроме собственных тормозов локомотива, зависела от силы руки конкретного члена бригады на винтовом ручке), но существующие технологии не предлагали улучшений. Была разработана цепная тормозная система, требовавшая соединения цепи по всему поезду, но обеспечить равномерное тормозное усилие по всей длине состава было невозможно. Значительным прогрессом стало внедрение вакуумной тормозной системы, в которой гибкие трубы соединяли все вагоны поезда, и тормозами каждого вагона можно было управлять с локомотива. Первой схемой была простая вакуумная тормозная система, в которой вакуум создавался посредством работы клапана на локомотиве; вакуум приводил в действие тормозные поршни на каждом вагоне, а машинист мог увеличивать или уменьшать степень торможения. Вакуум, а не сжатый воздух, был предпочтительнее, поскольку паровозы могли быть оснащены эжекторами – устройствами Вентури, создающими вакуум без движущихся частей. Простая вакуумная система имела существенный недостаток: в случае отсоединения одного из шлангов, соединяющих вагоны (из-за случайного разъединения поезда, небрежного сцепления шлангов или по другим причинам), вакуумный тормоз на всем поезде становился бесполезным. В ответ на этот очевидный недостаток была разработана автоматическая вакуумная тормозная система. Она была спроектирована для автоматического включения в случае разъединения поезда или отсоединения шланга. Автоматическая вакуумная тормозная система стоила несколько дороже в производстве и установке, чем простая система, из-за большего количества требуемых обработанных деталей, и имела более высокие эксплуатационные расходы, поскольку эжектор работал непрерывно (за счет расхода пара, а следовательно, топлива и воды) для поддержания вакуума во время движения поезда, а не только при торможении, как в простой системе. Противодействие установке автоматической тормозной системы из-за ее стоимости (особенно со стороны LNWR и ее председателя Ричарда Муна, как одной из крупнейших британских компаний, отказ LNWR от принятия автоматической тормозной системы был серьезным препятствием для ее более широкого распространения другими компаниями, особенно теми, которые осуществляли обмен трафиком с Северо-Западной железной дорогой) привело к тому, что серьезная авария в Армаге в 1889 году вынудила законодательно обязать внедрение автоматической системы. В этой аварии в Армаге часть поезда отсоединилась от локомотива на крутом уклоне и ушла в неконтролируемое движение, унеся жизни 80 человек. Поезд был оснащен простой вакуумной тормозной системой, которая оказалась бесполезной на отсоединенной части поезда. Было очевидно, что если бы вагоны были оснащены автоматическим сплошным тормозом, аварии почти наверняка удалось бы избежать, и общественное возмущение масштабом аварии побудило к принятию законодательства, обязывающего использовать сплошной автоматический тормоз на всех пассажирских поездах. В континентальной Европе вакуумный тормоз иногда называли тормозом Харди, в честь Джона Джорджа Харди из Vacuum Brake Co, 7 Hohenstaufengasse, Вена.

In the earliest days of railways, trains were slowed or stopped by the application of manually applied brakes on the locomotive and in brake vehicles through the train, and later by steam power brakes on locomotives. This was clearly unsatisfactory, given the slow and unreliable response times (each brake being separately applied by a member of the train crew in response to signals from the driver, which they might miss for any number of reasons, and necessarily in sequence rather than all at once where there were more brakes than crew members, making emergency braking extremely hit and miss) and extremely limited braking power that could be exerted (most vehicles in the train being wholly unbraked, and the power of all but the locomotive's own brakes relying on the strength of a particular crewmember's arm on a screw handle), but the existing technology did not offer an improvement. A chain braking system was developed, requiring a chain to be coupled throughout the train, but it was impossible to arrange equal braking effort along the entire train. A major advance was the adoption of a vacuum braking system, in which flexible pipes were connected between all the vehicles of the train, and brakes on each vehicle could be controlled from the locomotive. The earliest scheme was a simple vacuum brake, in which vacuum was created by operation of a valve on the locomotive; the vacuum actuated brake pistons on each vehicle, and the degree of braking could be increased or decreased by the driver. Vacuum, rather than compressed air, was preferred because steam locomotives can be fitted with ejectors; venturi devices that create vacuum without moving parts. The simple vacuum system had the major defect that in the event of one of the hoses connecting the vehicles becoming displaced (by the train accidentally dividing, or by careless coupling of the hoses, or otherwise) the vacuum brake on the entire train was useless. In response to this obvious defect, the automatic vacuum brake was subsequently developed. It was designed to apply fully if the train became divided or if a hose became displaced. The automatic vacuum brake was slightly more expensive to manufacture and install than the simple system due to it requiring a higher number of machined parts, and incurred higher running costs since the ejector ran continuously (at a cost in steam and thus fuel and water) to maintain the vacuum when the train was running, rather than only being used when braking as in the simple system. Opposition to the fitting of the automatic type of brake on the grounds of cost (particularly by the LNWR and its chairman Richard Moon as one of the largest British companies, the refusal of the LNWR to adopt the automatic brake was a strong factor against its wider use by other companies, especially those interchanging traffic with the North Western) meant that it took a serious accident at Armagh in 1889 before legislation compelled the adoption of the automatic system. In this accident at Armagh, a portion of a train was detached from the locomotive on a steep gradient and ran away, killing 80 people. The train was fitted with the simple vacuum brake, which was useless on the disconnected portion of the train. It was clear that if the vehicles had been fitted with an automatic continuous brake, the accident would almost certainly not have happened, and the public concern at the scale of the accident prompted legislation mandating the use of a continuous automatic brake on all passenger trains. In continental Europe, the vacuum brake was sometimes called the Hardy brake, after John George Hardy of the Vacuum Brake Co, 7 Hohenstaufengasse, Vienna.

Практические соображения

Автоматический вакуумный тормоз, как описано, представлял собой значительный технический прогресс в торможении поездов. На практике паровозы имели два эжектора, малый эжектор для рабочих целей (для поддержания частичного вакуума на должном уровне, компенсируя неизбежные небольшие утечки воздуха в тормозной магистрали и ее соединениях) и большой эжектор для отпуска тормозов. Малый эжектор потреблял значительно меньше пара, чем большой, но не мог создать вакуум в тормозной магистрали достаточно быстро для практического применения, особенно в длинных поездах. Позднее, Great Western Railway стала использовать вакуумный насос вместо малого эжектора – насос устанавливался на один из крейцкопфов локомотива и не потреблял пар, однако работал только при движении локомотива. GWR предпочла это решение из-за использования тормозных систем, работающих на более высоком уровне вакуума, чем у других железных дорог (см. ниже), что потребовало бы относительно большого и прожорливого "малого" эжектора. Большинство паровозов того времени использовали простые паровые тормоза на собственных колесах (где давление пара подавалось в тормозные цилиндры для приведения тормозов в действие), а вакуумный тормоз использовался исключительно для торможения состава. В этом случае обе системы обычно управлялись пропорционально одним регулятором, при этом снижение вакуума в тормозной системе состава открывало клапан, подающий пар на тормоза локомотива. Специального управления, предназначенного исключительно для паровых тормозов, обычно не предусматривалось. Даже при движении без состава машинист управлял паровыми тормозами локомотива, регулируя вакуум в тормозной системе с помощью эжекторов на локомотиве и "головного" конца тормозной магистрали. Это позволяло машинисту ведущего локомотива непосредственно управлять тормозами любого локомотива, идущего в сцепке (а также самого состава) при двойной тяге. С введением дизельных и электрических локомотивов British Railways с начала 1950-х годов, эта же базовая схема была сохранена. План модернизации BR 1955 года предусматривал, среди прочего, долгосрочную цель перехода на пневматические тормоза как для пассажирских, так и для грузовых вагонов. Стандартный вагонный парк Mark 1 был спроектирован и закуплен до принятия решения о переходе на современную тягу и пневматические тормоза, поэтому большая часть парка была оснащена традиционными вакуумными тормозами. Пневматические тормоза на грузовых вагонах стали внедряться постепенно с середины 1960-х годов (начиная с хопперов типа HAA для новых поездов "merry-go-round"), а вагонный парк Mark 2a с пневматическими тормозами строился с 1967 года. Дизельные и электрические локомотивы, естественно, не могли использовать традиционный паровой эжектор для создания вакуума. Меньшие локомотивы имели вытяжные вентиляторы или вакуумные насосы, приводимые в действие непосредственно их основным двигателем, в то время как более крупные локомотивы имели аналогичные машины, установленные отдельно и приводимые в действие специальными электродвигателями. На магистральных локомотивах обычно устанавливали два вытяжных вентилятора (и два компрессора для пневматической тормозной системы) для обеспечения резервирования. Подобно тому, как паровозы имели малый и большой эжектор, дизельные и электрические локомотивы (большинство из которых были оснащены тормозным оборудованием, поставляемым British Westinghouse или Davies and Metcalfe) имели систему управления тормозами, настроенную таким образом, чтобы один вытяжной вентилятор работал непрерывно для создания и поддержания вакуума в системе (аналогично малому эжектору), а второй запускался при установке тормозной рукоятки в положение "Отпуск", чтобы обеспечить более быструю реакцию (такую же функцию, как и большой эжектор). Переключатель в кабине локомотива позволял машинисту выбирать, какой вытяжной вентилятор будет выполнять каждую функцию. На тормозных цилиндрах предусмотрены выпускные клапаны; при их срабатывании, обычно путем ручного потягивания троса рядом с цилиндром, воздух подается в верхнюю часть тормозного цилиндра на этом вагоне. Это необходимо для отпуска тормоза на вагоне, который был отсоединен от состава и теперь требует перемещения без тормозной связи с другим локомотивом, например, при его перестановке. В Великобритании до национализации железнодорожные компании стандартизировали системы, работающие на вакууме , за исключением Great Western Railway, которая использовала Атмосферное давление на уровне моря составляет около , в зависимости от атмосферных условий. Эта разница в стандартах могла вызывать проблемы на междугородних маршрутах, когда локомотив GWR заменялся локомотивом другой компании, поскольку большой эжектор нового локомотива иногда не мог полностью отпустить тормоза состава. В этом случае выпускные клапаны на каждом вагоне состава должны были быть отпущены вручную, прежде чем тормоза были бы перезаряжены до 21 дюйма. Этот трудоемкий процесс часто можно было наблюдать на крупных станциях GWR, таких как Бристоль Темпл-Мидс. Наличие тормозной магистрали, проходящей по всему составу, позволяло автоматически включать вакуумный тормоз в аварийном режиме из любой точки состава. В каждом вагоне-кабине проводника был тормозной клапан, а устройство связи с пассажирами (обычно называемое "шнуром связи") также подавало воздух в тормозную магистраль в конце вагонов, оборудованных таким устройством. Когда локомотив впервые сцепляется с составом, или если вагон отсоединяется или добавляется, проводится проверка герметичности тормозной системы, чтобы убедиться, что тормозные трубы соединены по всей длине состава.

The automatic vacuum brake as described represented a considerable technical advance in train braking. In practice steam locomotives had two ejectors, a small ejector for running purposes (to maintain the partial vacuum at the correct level against inevitable slight air leaks in the train pipe and its connections) and a large ejector to release brake applications. The small ejector used much less steam than the large ejector but could not generate vacuum in the train pipe sufficiently quickly for operational purposes, especially in a long train. Later Great Western Railway practice was to use a vacuum pump instead of the small ejector – the pump was fitted to one of the engine crossheads and so did not use any steam, with the disadvantage that it only operated when the locomotive was in motion. The GWR favoured this due to the use of braking systems working on a vacuum level higher than other railways (see below) which would have required a relatively large and steam hungry "small" ejector. Most steam locomotives of the period used straightforward live steam brakes on their own wheels (where steam pressure was let into the brake cylinders to apply the brakes), with the vacuum brake being solely used on the train. In such a case the two systems were usually operated proportionately by a single control, whereby the reduction in vacuum in the train brake system would open the valve feeding steam to the engine brake. It was unusual for any form of dedicated control to be provided solely for the steam brake – even when running with no train the driver controlled the engine's steam brakes by adjusting the vacuum brake system using the ejectors on the engine and the "head end" of the train pipe. This allowed the driver of the lead engine direct control over the brakes on any trailing locomotive (as well as the train itself) when double heading. With the introduction of diesel and electric locomotives by British Railways from the early 1950s, this same basic arrangement was carried over. BR's Modernisation Plan of 1955 called for, amongst other things, a long term aim to switch to air brakes for both passenger and freight stock. The standard Mark 1 coaching stock had been designed and procured before the decision to switch to modern traction and air brakes had been taken, so the majority of the stock was fitted with traditional vacuum brakes. Air braked goods wagons were introduced steadily from the mid 1960s (starting with the HAA type hoppers for the new 'merry go round trains' trains) and the Mark 2a coaching stock with air brakes was built from 1967. Diesel and electric locomotives naturally could not use the traditional steam driven ejector to generate vacuum. Smaller locomotives had exhausters or vacuum pumps driven directly by their prime mover while larger ones had similar machines mounted separately and driven by dedicated electric motors. It was normal practice on mainline locomotives to fit two exhausters (and two air compressors for the air brake system) for redundancy. Just as steam locomotives had a small and large ejector, the diesels and electrics (most of which had braking equipment supplied by either British Westinghouse or Davies and Metcalfe) had their brake controls set up to run one exhauster continuously to generate and maintain the vacuum in the system (analogous to the small ejector), with the second one being started when the brake handle was set to its 'Release' position to provide a quicker response (the same function as the large ejector). A switch in the locomotive cab allowed the driver to choose which exhauster would serve each function. Release valves are provided on the brake cylinders; when operated, usually by manually pulling a cord near the cylinder, air is admitted to the upper part of the brake cylinder on that vehicle. This is necessary to release the brake on a vehicle that has been uncoupled from a train and now requires to be moved without having a brake connection to another locomotive, for example if it is to be shunted. In the UK the pre nationalisation railway companies standardised around systems operating on a vacuum of , with the exception of the Great Western Railway, which used Sea level air pressure is about , depending on atmospheric conditions. This difference in standards could cause problems on long distance cross country services when a GWR locomotive was replaced with another company's engine, as the new engine's large ejector would sometimes not be able to fully release the brakes on the train. In this case the release valves on each vehicle in the train would have to be released by hand, before the brake was recharged at 21 inches. This time consuming process was frequently seen at large GWR stations such as Bristol Temple Meads. The provision of a train pipe running throughout the train enabled the automatic vacuum brake to be operated in emergency from any position in the train. Every guard's compartment had a brake valve, and the passenger communication apparatus (usually called "the communication cord" in lay terminology) also admitted air into the train pipe at the end of coaches so equipped. When a locomotive is first coupled to a train, or if a vehicle is detached or added, a brake continuity test is carried out, to ensure that the brake pipes are connected throughout the entire length of the train.

Извергатели

Вакуумные тормоза первоначально были предпочтительнее пневматических из-за легкости создания вакуума. Вакуумный эжектор был более простым и надежным устройством по сравнению с возвратно-поступательным насосом. Обычно устанавливаются два эжектора – большой и малый. Большой эжектор используется для «сброса» тормозов, создавая вакуум, после чего он отключается. Малый эжектор работает непрерывно для поддержания вакуума. Эжектор «Dreadnought» производства Gresham & Craven был комбинированным, объединяющим большой и малый эжекторы в одном корпусе. Вакуумные системы с двумя трубами были стандартными на дизель-поездах первого поколения British Rail, которые в 1960-х годах заменили пассажирские поезда, тянутые паровозами, на многих ветвях и второстепенных линиях. Вторая труба для «глубокого вакуума» и связанные с ней резервуары и клапаны использовались для увеличения скорости отпуска тормозов. Вакуумные выхлопные устройства на этих поездах приводились в действие механически от двигателя; поскольку двигатель обычно работал на холостом ходу, когда требовалось отпустить тормоза, отпуск тормозов был бы крайне медленным при использовании обычной однотрубной системы. Эта проблема не возникала на дизельных локомотивах BR, так как их выхлопные устройства были электрическими и могли работать на высокой скорости для отпуска тормозов независимо от оборотов двигателя.

Современное использование вакуумных тормозов

Сегодня крупнейшими операторами поездов, оснащенных вакуумными тормозами, являются Индийские железные дороги и Spoornet (Южная Африка), однако также используются поезда с пневматическими тормозами и комбинированными тормозами. Южноафриканские железные дороги (Spoornet) эксплуатируют более 1000 электропоездных вагонов, оснащенных тормозами сжатым воздухом. Электровакуумная система использует магистральную трубу и базовую автоматическую вакуумную тормозную систему, дополненную электрически управляемыми клапанами подачи и отпуска в каждом вагоне. Клапаны подачи и отпуска значительно увеличивают скорость создания и разрушения вакуума в магистральной трубе. Это, в свою очередь, значительно повышает скорость срабатывания и отпуска тормозов. Эффективность электровакуумных тормозов на электропоездах SAR эквивалентна эффективности электропневматических тормозов электропоездов аналогичного возраста. Предполагается, что другие африканские железные дороги продолжают использовать вакуумные тормоза. Другими операторами вакуумных тормозов являются узкоколейные железные дороги Европы, крупнейшей из которых является Ретийская железная дорога. На Национальной железнодорожной сети Великобритании вакуумные тормоза были полностью заменены (последними поездами с вакуумными тормозами на основных линиях были поезда British Rail класса 121 "bubble cars", прекратившие эксплуатацию в 2017 году), хотя они все еще используются на большинстве узкоколейных железных дорог исторического наследия. Их также можно встретить на уменьшающемся количестве специальных составов на основных линиях. Iarnród Éireann (национальный железнодорожный оператор Республики Ирландия) использовал вагоны British Railways Mark 2 с вакуумными тормозами на пассажирских поездах до конца марта 2008 года и до сих пор эксплуатирует грузовые вагоны с вакуумными тормозами (по крайней мере, для перевозки руды Tara Mines). Все поезда исторического наследия на основных линиях используют вакуумные тормоза – весь текущий парк локомотивов Iarnród Éireann оснащен как пневматическими, так и вакуумными тормозами. Железная дорога острова Мэн использует вакуумные тормоза, установленные на всех своих пассажирских и грузовых вагонах, как и железные дороги Ффестиниог и Уэльских гор. Большинство других узкоколейных железных дорог Великобритании используют пневматические тормоза: это связано с тем, что эти железные дороги не требовали установки непрерывного торможения до конца 20-го века, к тому времени оборудование для вакуумных тормозов больше не производилось и было труднодоступно.

Today's largest operators of trains equipped with vacuum brakes are the Indian Railways and Spoornet (South Africa), however there are also trains with air brakes and dual brakes in use. South African Railways (Spoornet) operates more than 1 000 electric multiple unit cars, which are fitted with air compressed brakes. The electro vacuum system uses a train pipe and basic automatic vacuum brake system, with the addition of electrically controlled application and release valves in each vehicle. The application and release valves greatly increase the rate of train pipe vacuum destruction and creation. This, in turn, greatly increases the speed of brake application and release. The performance of electro vacuum brakes on SAR EMUs is equivalent to electro pneumatic braked EMUs of a similar age. Other African railways are believed to continue to use the vacuum brake. Other operators of vacuum brakes are narrow gauge railways in Europe, the largest of which is the Rhaetian Railway. Vacuum brakes have been entirely superseded on the National Rail system in the UK (with the British Rail Class 121 "bubble cars" being the last mainline trains to have vacuum brakes they finished service in 2017), although they are still in use on most standard gauge heritage railways. They are also to be found on a diminishing number of main line vintage special trains. Iarnród Éireann (the national rail operator in the Republic of Ireland) ran vacuum braked British Railways Mark 2 stock on passenger trains until the end of March 2008 and still operates vacuum braked revenue freight (at least in the case of Tara Mines ore traffic). All mainline heritage trains are run with vacuum brakes – the whole of Iarnród Éireann's current locomotive fleet has both air and vacuum train brakes fitted. The Isle of Man Railway uses vacuum brakes fitted to all its coaching and wagon stock, as do the Ffestiniog and Welsh Highland Railways. Most other British narrow gauge lines use the air brake: this is because these railways were not required to fit continuous braking until the last quarter of the 20th century, by which time vacuum brake equipment was no longer being produced and was difficult to obtain.

Высокая высота

Вакуумные тормоза менее эффективны на больших высотах. Это происходит потому, что они работают за счет создания разницы давлений; атмосферное давление на больших высотах ниже, а значит, и максимальная разница давлений также меньше.