6 rzdy kolejových vozidel rzdou nazýváme zařízení, které záměrným zvyšováním odporu proti pohybu slouží u železničních vozidel k regulaci (snížení) rychlosti pohybu, k úplnému zastavení, popřípadě slouží k jejich zajištění proti samovolnému uvedení do pohybu. V železničním provozu rozlišujeme brzdová zařízení podle umístění: 1. brzdové zařízení na kolejovém vozidle, kdy toto brzdové zařízení je technicky realizováno přímo na kolejovém vozidle a je jeho součástí, je ovládáno obsluhou vozidla; 2. brzdové zařízení mimo kolejové vozidlo, kdy toto zařízení je součástí dopravní cesty, po které se vozidlo pohybuje a je ovládáno obsluhou mimo vozidlo. Rozdělení brzdových systému železničních vozidel je na obrázku Obr. 6.1. Železniční brzdy na vozidlech závislé na adhezí mezi kolem a kolejnicí bez závislosti na adhezi mezi kolem a kolejnicí transmisní brzdy (dynamické) absorbční brzdy (třecí) mechanické brzdy tlakové brzdy nožní brzdy ruční brzdy samočinné nesamočinné jednostupňové vícestupňové elektricky řízené přídavné dvoustupňové manuální obrzdění nákladu bezstupňové automatické obrzdění nákladu hydrodynamické brzdy motorové brzdy el-dynamické odporové el-dynamické rekuperační špalíkové litinové špalíková nekovové bubnové brzdy kotoučové brzdy magnetické kolejnicové vířivé proudy Obr. 6.1: Rozdělení brzdových systému železničních vozidel. Z hlediska základního principu dělím brzdy na brzdy adhezní a brzdy neadhezní: Adhezní brzdy sou takové, u nichž se výsledná reakce brzdné síly přenáší ve styku kolo a kolejnice a působí vždy proti pohybu vozidel; U neadhezní brzdy působí brzdná síla mimo styk kola a kolejnice, tato vzniká nejčastěji třením vhodných plochých těles z vhodného materiálu (brzdový trámec temeno kolejnice).
Podle mechanického principu dělíme brzdy na vozidlech na: mechanické pracují na principu vzájemného působení tuhých těles a jejich tření, kdy energie se mění na teplo, které je odváděno do okolí; hydraulické pohybová energie vozidla se přenáší na tlakovou nebo pohybovou energii kapaliny brzdového zařízení a je dál předávána většinou v podobě tepla do okolí. Pak rozlišujeme brzdy hydrostatické a hydrodynamické; elektrické brzdná síla je realizovaná pomocí elektrické energie a to buď elektromagnetickým působením kolejnicových brzd (Obr. 6.2), nebo elektrodynamicky, kdy trakční motory působí jako dynama a vyrobená energie se přeměňuje na teplo v brzdných rezistorech nebo se navrací zpět do napájecí sítě rekuperace. Obr. 6.2: Princip elektromagnetické kolejnicové brzdy. 1 elektromagnetická cívka, 2 jádro cívky, 3 pólové nástavce, 4 kolejnice Mechanické brzdy dělíme z hlediska realizace brzdné síly na brzdy: Zdržové kde brzdová zdrž z kovového nebo nekovového třecího materiálu je přitlačovaná pomocí pákového převodového mechanizmu od brzdového válce na jízdní plochu železničního kola. Pohybová energie se třením přeměňuje na teplo, které je odváděno zdrží a kolem do okolí. Základní princip je na obrázku Obr. 6.3a. Kotoučové brzdný účinek se dosahuje silovým působením čelistí přes pákový mechanizmus od brzdového válce v axiálním směru na brzdový kotouč umístěný na dvojkolí. Ukázka brzdové jednotky kotoučové brzdy je na obrázku Obr. 6.3b. Čelisťové brzdný účinek se dosahuje silovým působením čelistí, které působí silou na plochu brzdového bubnu umístěného většinou na hřídeli motoru nebo převodovky. Princip je zobrazen na obrázku Obr. 6.3c.
Obr. 6.2: Principy mechanické brzdy kolejových vozidel [Pohl, 2005] a) zdržová brzda, b) kotoučová brzda, c) čelisťová brzda Obr. 6.4: rzdová jednotka kotoučové brzdy hnacího vozidla. 6.1 Vzduchové tlakové brzdy Na kolejových vozidlech jsou nejrozšířenější vzduchové tlakové brzdy. Ovládacím mediem je tlakový vzduch, rozváděný ve vozidle a mezi vozidly brzdovým potrubím. rzdná síla je vyvozovaná působením tlaku vzduchu na píst brzdových válců. Tlakové brzdy mohou být podle ovládání tlaku vzduchu, přiváděného do brzdových válců, rozděleny na brzdy: přímoúčinkující brzdy označovaná taky jako přídavná brzda na hnacích vozidlech, kdy brzdový účinek je ovládán přímou regulací tlaku v brzdovém válci pomocí ovladače, který se označuje jako brzdič přímočinné brzdy. Princip tohoto typu brzd je na obrázku Obr. 6.5. nepřímoúčinkující brzdy označovaná jako průběžná brzda, kdy brzdový účinek je ovládán nepřímo pomocí rozvaděče, který reaguje na změnu tlaku vzduchu v hlavním potrubí brzdy. Základní hodnota tlaku v tomto potrubí je 0,5 MPa. V závislosti na snížení tlaku v tomto potrubí, pomocí brzdiče
průběžné brzdy na hnacím vozidle, rozvaděče jednotlivých vozidel ve vlaku zvyšují tlak v brzdových válcích těchto vozidel. Princip této brzdy je na obrázcích Obr. 6.6 a Obr. 6.7. Základní funkční stavy samočinné brzdy jsou charakterizované v tabulce Tab. 6.1.a na obrázcích Obr. 6.6 a Obr. 6.7. Obr. 6.5: Princip přímočinné tlakové vzduchové brzdy. Obr. 6.6: Princip činnosti nepřímočinné tlakové brzdy odbrzděno
Obr. 6.7: Princip činnosti nepřímočinné tlakové brzdy zabrzděno. Tab. 6.1: Základní funkční stavy nepřímočinné tlakové brzdy. Funkční stav Tlak v hlavním potrubí (HP) [MPa] Tlak v brzovém válci (V) [MPa] odbrzděno 0,5 0 provozní brzdění a obdrzďování 0,5 0,35 0 0,38 úplné provozní zabrzdění 0,35 Maximum 0,38 rychločinné (nouzové) brzdění 0 Maximum 0,38 Pozn.: hodnoty tlaku jsou obvykle používány železničními správami v Evropě. Princip činnosti této nepřímočinné, samočinné brzdy se taktéž popisuje pomocí tlakového diagramu brzdy, který znázorňuje průběhy tlaků vzduchu v hlavním potrubí a brzdovém válci ve vzájemné vazbě a v závislosti na čase. Tlakový diagram je na obrázku Obr. 6.7. Při snížení tlaku v hlavním potrubí pod provozní hodnotu rozvaděč na tento stav reaguje prudkým nárůstem tlaku v brzdovém válci na minimální hodnotu. Toto se označuje jako náskok brzdy, který má za úkol vymezit vůle v brzdovém mechanizmu a přitlačením třecích segmentů zahájit brzdný proces. Dále se realizuje plnění brzdových válců stlačeným vzduchem. Válec se považuje za naplněný, jestliže tlak dosáhne hodnoty 0,95 pmax v V. Doba potřebná pro jeho naplnění se označuje jako doba plnění a na Obr. 6.7 je označena t1. Podle doby plnění rozlišujeme dva způsoby brzdění: rychle účinkující brzdy, u kterých se doba plnění pohybuje v rozmezí 3 až 5 s, tento způsob brzdění se používá u vlaků přepravujících osoby při rychlosti větší než 80 km.h 1.
pomalu účinkující brzdy, u kterých doba plnění brzdových válců dosahuje hodnot 20 až 28 s. Používá se u nákladních vlaků do rychlosti menší než 80 km.h 1. MPa p 0,5 0,35 0,04 Náskok brzdy Obr. 6.8 Tlakový diagram brzdy..v. brzdový válec, H.P. hlavní potrubí Z hlediska bezpečnosti provozu a eliminace podélných rázů v soupravě vozidel je předepsaná minimální rychlost šíření tlakového impulsu v hlavním potrubí. Tato rychlost se označuje jako průrazná rychlost, její minimální hodnota je stanovena na hodnotu V pr = 250 m.s 1. Při odbrzďování musí tlak v hlavním potrubí vzrůst nad hodnotu minimálního provozního tlaku (0,35 MPa). Dochází k vypouštění vzduchu z brzdových válců. rzdový válec se považuje za vyprázdněný, když tlak v něm poklesne pod hodnotu 0,04 MPa. Doba, za kterou dojde k poklesu tlaku v P pod tuto hodnotu, se označuje jako doba vyprazdňování a v tlakovém diagramu se označuje jako t 2. U osobních vlaků doba vyprazdňování nesmí být delší než 25 s a u nákladních vlaků pak delší než 70 s. 6.3 Výpočty brzdy 6.3.1 rzdná síla Základní stanovení dráhy potřebné pro brzdění kolejového vozidla vychází z předpokladu, že pohybovou energii brzděného vozidla E p přeměníme na energii jinou (teplo, elektrickou energii). Při brzdění měníme rychlost z hodnoty v 1 na hodnotu v 2, kde předpokládáme, že v 1 >v 2. Pak pro změnu kinetické energie použijeme vztah: E p 1 = m V 1 ρ 1 2 [J] (6.3.1) 2 2 2 ( + ) ( v v )
m Vl [kg] hmotnost vozidla ρ [1] součinitel rotujících hmot V případě adhezních brzd musí pro brzdnou sílu F platit omezení dané vlivem součinitele adheze μ. Pro maximální brzdnou sílu na mezi adheze platí: F = μ [N] a G ba b (6.3.2) G ba [N] adhezní tíha pro brzdění tíha vozidla připadající na brzděné dvojkolí μ b [1] součinitel adheze při brzdění Pro maximální brzdnou sílu všech vozidel ve vlaku platí: a F max [N] (6.3.3) = Fav F av [N] max. brzdná síla v tého vozidla ve vlaku Přeměnu kinetické energie při brzdění na energii mechanickou můžeme vyjádřit: E = F l [J] (6.3.4) l [m] brzdná dráha Minimální hodnota brzdné dráhy odpovídá maximální hodnotě brzdné síly zvýšené o odpory proti pohybu vozidel a stanoví se ze vztahu: 1 2 m Vl 2 2 ( 1+ ) ( v1 v2 ) = ( F max + OVl + OT + OZ ) l min ρ (6.3.5) Z tohoto vztahu vyjádříme minimální brzdnou dráhu: l min m = 2 Vl 2 2 ( 1+ ρ ) ( v v ) ( F + O + O + O ) max Vl 1 T 2 Z (6.3.6)
Pro stanovení brzdné síly třecích adhezních brzd vycházíme z obrázku Obr. 6.9. M S R Z K R Z Obr. 6.9: Silové poměry na oboustranně brzděném kole [Pohl, 2005]. Z obrázku Obr. 6.9 je zřejmé, že pro třecí sílu mezi brzdovou zdrží a kolem dvojkolí platí: RZ = N f R Z [N] třecí síla na brzdové zdrži N [N] přítlačná síla jedné zdrže f [1] součinitel tření zdrže Pak pro brzdnou sílu dvojkolí (při oboustranném obrzdění kola) platí z rovnováhy sil a momentů: DV = 4 R Z M r S DV DV M S = 4 RZ + [N] r DV (6.4) DV [N] brzdná síla dvojkolí
R Z [N] třecí síla na brzdové zdrži M S [Nm] moment setrvačnosti dvojkolí f [1] součinitel tření zdrže r DV [m] poloměr kola dvojkolí 6.3.2 rzdící hmotnost rzdící hmotnost je číselně rovna hmotnosti vozidla v t, kterou je brzda daného vozidla schopna ubrzdit na předepsané zábrzdné vzdálenosti při takové počáteční rychlosti a na takovém spádu, pro které je v tabulkách brzdících procent předepsáno pro tuto zábrzdnou vzdálenost a příslušný způsob brzdění plných 100 % [Antonický, 1984]. Vlak má dostatečnou brzdovou kapacitu, kryje li jeho skutečná brzdná hmotnost potřebnou brzdící hmotnost, tzn., že ve vlaku musí být zapojeno nejméně tolik obrzděných vozidel do průběžného brzdění, abychom dosáhli celkové skutečné brzdné hmotnosti předepsané tabulkami brzdících procent. rzdovou kapacitu stanovujeme pomocí brzdového procenta β vypočteného podle vztahu: M β = 100 M VL M [t] brzdná hmotnost M VL [t] dopravní hmotnost vlaku rzdící hmotnost vozidel zjišťujeme z nápisů na vozové skříni pro příslušný způsob brzdění. Obr. 6.10: Umístění informace o brzdící hmotnosti na skříni vozidla. Pro každý vlak na traťovém úseku musí být stanovena potřebná výměra brzdících procent. Její hodnota je závislá na dovolené rychlosti vlaku, způsobu brzdění a na rozhodném spádu daného traťového úseku. V případě, že skutečná výměra brzdících procent konkrétního vlaku nedosahuje předepsané hodnoty je nutno pro daný vlak pomocí tabulky brzdících procent patřičně snížit dovolenou rychlost. Ukázky záznamů o stavu brzdových zařízení na konkrétním vlaku včetně výpočtu skutečné hodnoty brzdících procent je na obrázku Obr. 6.11.
Obr. 6.11: Ukázka záznamů o stavu brzdových zařízení na konkrétním vlaku. a) starší provedení, b) provedení u ČD z roku 2010. Ukázka tabulky brzdících procent je na obrázku Obr. 6.12. Její hodnoty vycházejí z legislativních podkladů (Zákon o drahách a prováděcích vyhlášek) a jsou pro provozovatele kolejové dopravy závazné. Obr. 6.12: Ukázka tabulky brzdících procent.