ELEKTRICKÁ TRAKCE 8. ELEKTRICKÉ OVLÁDÁNÍ BRZD

4.11.2008 ETR800.DOC Elektrická trakce 8 - Elektrické ovládání brzd Obsah Doc. Ing. Jiří Danzer CSc. ELEKTRICKÁ TRAKCE 8. ELEKTRICKÉ OVLÁDÁNÍ BRZD Obsah 1 Úvod...2 1.1 Energie při brzdění... 2 1.2 Rozdělení brzd... 3 1.3 Energie pro brzdění... 3 2 Brzdy elektrodynamické...5 2.1 Brzdění trakčními motory... 5 2.2 Brzdění s využitím vířivých proudů... 8 3 Provozní mechanická brzda... 11 3.1 Pneumatická brzda železničních vozidel... 13 3.1.1 Přímočinná brzda... 15 3.1.2 Elektrické ovládání přímo působících brzd... 15 3.1.3 Samočinná brzda... 16 3.1.4 Požadavky na průběžnou brzdu... 18 3.1.5 Součinnost pneumatických brzd... 20 3.1.6 Elektrické ovládádní samočinné brzdy... 21 3.2 Mechanické brzdy tramvají... 26 4 Kolejnicové brzdy... 32 5 Zajišťovací a parkovací brzdy... 39 6 Preference a součinnost brzd... 41 6.1 Preference... 41 6.2 Součinnost brzd... 42 7 Literatura... 46-1 -

1. Úvod 1 ÚVOD Brzdění slouží k udržení rychlosti na spádu, ke snížení rychlosti nebo zastavení a udržení vozidla nebo soupravy trvale v klidu. V podstatě se jedná buď o umělé zvětšení jízdních odporů (brzdy třecí), nebo o změnu smyslu tažné síly (motory se využívají jako generátory, elektrodynamická brzda). Různými prostředky se vytváří brzdná síla jako opak síly tažné. Jí pak odpovídají dynamické děje při brzdění, které se popisují podobnými rovnicemi jako děje při rozjezdu a jízdě tahem. Výběh tak odpovídá minimálnímu stupni brzdění (jízdními odpory a stoupáním). Z provozního hlediska se však brzdění od rozjezdu liší podstatně, protože brzdění zajišťuje v převážné většině případů bezpečnost dopravy a proto se na všechny aspekty, které se brzdění týkají, vztahují přísné předpisy, které mají zajistit účinnost a spolehlivost brzdového zařízení. Ačkoliv hlavním tématem tohoto dílu je elektrické řízení brzd různých typů, je třeba se v nezbytné míře věnovat i mechanickým systémům brzd tak, aby byly zřejmé jejich vlastnosti a původní (neelektrický ) způsob řízení. Tento způsob totiž v mnoha případech zůstává zachován jako záložní stejně jako většinou zůstávají zachovány základní vlastnosti brzd (zejména dynamické) a jejich ovládání, řízení nebo regulace je proto musí respektovat. 1.1 ENERGIE PŘI BRZDĚNÍ Základní problém při brzdění představuje nutnost odebrat brzděné soupravě poměrně velké množství energie. Její velikost roste s hmotností a se čtvercem rychlosti a je řádově stejně veliká jako energie, odebraná ze zdroje při rozjezdu. Zatímco u tramvaje o 12 t a rychlosti 40 km/h činí přibližně 0,2 kwh, u expresu 800 t s rychlostí 200 km/h je to již 343 kwh. Nejefektivnější způsob brzdění je vrátit tuto energii do zdroje, to znamená použít rekuperace. Pro ni musí být vozidlo technicky vybaveno a zdroj (trolej nebo trakční baterie) musí být schopen rekuperovanou energii odebrat. Zvláštním případem je tzv. výšková rekuperace u podzemní dráhy, při které se stanice (pokud to okolnosti dovolují) budují blízko pod povrchem a vlastní trať pak v hloubce větší. Souprava se pak rozjíždí se spádu a brzdí do protisvahu. U vozidel se spalovacím motorem a elektrickým přenosem se pro podobné účely zkouší použít setrvačník sloužící pro akumulaci energie při brzdění s možností ji využít při následujícím rozjezdu. Příklad byl uveden v souvislosti s vozidly s více způsoby napájení. Druhou možností pak je změnit brzdovou energii v teplo. V případě elektrického odporového brzdění se energie maří v odpornících, které jsou pro tyto účely speciálně navržené co do materiálů, umístění a chlazení. Elektrická energie se tedy mění v teplo na místě a za okolností, které lze poměrně volně volit a brzdění nepředstavuje prakticky nárůst požadavků na údržbu. To jsou hlavní výhody elektrického brzdění, kdy motory pracují jako generátory. V ostatních případech se jedná o brzdy třecí, kdy se teplo vyvíjí bezprostředně v místě styku ploch, které se navzájem pohybují. Při brzdění litinovými brzdovými špalíky na obručích kol se teplo odvádí do obou částí, avšak vysoké teploty, které při to vznikají, mohou být v řadě ohledů nebezpečné (vznik trhlin na oběžné - 2 -

1. Úvod ploše, uvolnění obručí na hvězdici, nebezpečí požáru) a zároveň toto (klasické) uspořádání váže umístění brzdy přímo ke kolům. Při použití kotoučových brzd se sice řada nevýhod zdržových brzd odstraní, avšak teplo se odvádí pouze do brzdových kotoučů (brzdové obložení je velmi špatně tepelně vodivé). U brzd, které spolupracují s kolejnicemi (elektromagnetické kolejnicové a vířivé brzdy) dochází k ohřevu kolejnic a případně i k indukci rušivých napětí, což může také představovat provozní problém. 1.2 ROZDĚLENÍ BRZD Brzdové systémy lze dělit podle mnoha kritérií, z nichž s ohledem na hlavní cíl uvedeme jen některé možnosti. S ohledem na způsob přenosu brzdné síly z vozidla na kolej rozlišujeme brzdy adhezní, kdy se brzdná síla přenáší na kolejnice adhezí, a brzdy neadhezní. Je zřejmé, že u adhezních brzd je velikost skutečné brzdné síly závislá na velmi proměnlivém koeficientu adheze mezi kolem a kolejnicí (viz díl, pojednávající o adhezi, smyku a protismykových zařízeních). Přesto jsou u kolejových vozidel nejběžnější, ovšem bezpečně dosažitelné brzdné síly jsou menší a jim odpovídající zábrzdné dráhy jsou delší než například u vozidel silničních (na suché vozovce!). To je na závadu především u tramvají, které se pohybují v běžném pouličním provozu. Mezi brzdy adhezní patří prakticky všechny brzdy nekolejových vozidel, brzdy špalíkové, kotoučové, brzdění trakčními motory. Neadhezní brzdy působí přímo na kolejnice. Jedná se o různé varianty brzd kolejnicových a ovšem brzdy u vozidel ozubnicových, lanových drah atd. Také vozidla s lineárními motory přirozeně brzdí neadhezně. Neadhezními brzdami byly nejprve vybavovány tramvaje z důvodů výše zmíněných. Postupně se jejich použití rozšířilo i na motorové jednotky a vysokorychlostní soupravy pro dodržení zábrzdných drah, které jsou odvozeny od současných vzdáleností návěstidel. Rozdělení na brzdy třecí a elektrodynamické má rovněž zásadní význam. Elektrodynamické brzdy (včetně vířivých) nemají opotřebující se díly a vyžadují jen nepatrnou údržbu. Dají se také obyčejně snadno elektricky řídit a jejich účinek je dobře definován (například brzdovými charakteristikami) Na druhé straně nejsou obecně schopné udržet vozidlo v klidu. Z důvodů bezpečnosti jsou vozidla vybavena nejméně dvěma, často ale více brzdovými systémy a z hlediska provozu se liší různým způsobem použití a tedy i ovládání těchto brzdových systémů. Hovoří se pak obyčejně o brzdě provozní, nouzové, havarijní, záchranné ap. Zajištění správné součinnosti těchto, ve své podstatě často značně rozdílných brzdových systémů může představovat složitý úkol. V dalším se budeme podrobněji zabývat jednotlivými systémy brzd, jejich vlastnostmi a způsobem jejich ovládání. Zapojení do vyšších systémů regulace bude popsáno v souvislosti s řízením jízdy v samostatném díle. 1.3 ENERGIE PRO BRZDĚNÍ Z hlediska spolehlivosti a bezpečnosti je (kromě konstrukčního a výrobního provedení, údržby, obsluhy a dalších samozřejmých podmínek) důležitý zdroj síly resp. energie pro brzdění. Prakticky - 3 -

1. Úvod každé brzdění vyžaduje buď trvale, nebo alespoň na počátku nebo případně před zahájením brzdění přívod energie. Na možnosti spolehlivě a případně dlouhodobě zajistit tuto energii je tedy přímo závislá bezpečnost a následně i provozní využití příslušného brzdového systému. U elektrodynamických brzd se může jednat o energii pro buzení nebo nabuzení motoru a energii pro chlazení (motorů, měničů, odporníku). Mechanické brzdy využívají pro brzdění různé zdroje energie (síly). Brzdění může být ovládáno ručně. Ruční brzda působí obyčejně jen na některá dvojkolí vozidla (např. přilehlý podvozek) a slouží pro trvalé zajištění vozidla v klidu. Vzhledem k jednoduchosti obsluhy a nezávislosti na dalších podmínkách je ruční brzda v mnoha případech stále velmi dobrým a používaným zařízením. Problémem může být u moderních vozidel skutečnost, že ji nelze jiným způsobem (dálkově) ovládat a obyčejně ani signalizovat její stav. Dalším zdrojem brzdicí síly může být pružina (pružinové brzdy). K odbrzdění (tzn. stlačení pružiny) je ovšem třeba použít jiný, řízený zdroj síly, například stlačený vzduch, hydraulické zařízení nebo elektromotor. Podobné vlastnosti má také kolejnicová brzda s permanentími magnety. U vozidel železničního typu je nejčastějším zdrojem pro brzdy stlačený vzduch s tlakem 5..10 Bar. Tuto energii lze po omezenou dobu jednoduše uchovávat (v jímkách) a tak realizovat samočinnou brzdu (viz dále). U trolejbusů stejně jako u automobilů a často i u tramvají téměř výhradně se při brzdění využívá stlačená kapalina (olej) o tlaku zhruba 50...200 Bar. V porovnání s brzdami vzduchovými stačí proto pro vyvinutí stejné síly daleko menší průměr válce a celé zařízení je podstatně menší. Rozdíly mezi vlastnostmi obou systémů jsou ovšem hlubší. Protože kapalina je prakticky nestlačitelná, přenáší se síla na pracovní píst okamžitě a v odpovídající velikosti a například škrcením průtoku se dá řídit pouze rychlost pohybu pracovního pístu. Proto jsou tyto systémy používány často pro řízení polohy například u různých stavebních strojů. Na druhé straně vzduch je stlačitelný, takže škrcením se řídí vývin síly na pracovním pístu. Pro řízení brzdné síly je proto vzduch výhodný. Hydraulické systémy pracují s vysokou účinností, protože se vzhledem k nestlačitelnosti kapalina při stlačování neohřívá na rozdíl od poměrů při stlačování vzduchu. Kompresní teplo je nutno odvést a představuje ztráty. Dalším zdrojem energie je vozidlová baterie. Pro řízení obou právě jmenovaných brzdových systémů se používají elektropneumatické nebo elektrohydraulické ventily (a další elektrické, elektropneumatické a elektrohydraulické přístroje), také počáteční nabuzení dynamických brzd může být zajištěno z baterie. Bezprostředně pro brzdění se užívá energie z baterie pro elektromagnetické kolejnicové brzdy a pro brzdy vířivé. Podrobný a úplný přehled starších a dalších systémů brzd podává [ 1 ]. - 4 -

2. Brzdy elektrodynamické 2 BRZDY ELEKTRODYNAMICKÉ Při elektrodynamickém brzdění se využívá k vyvození brzdné síly silových účinků mezi magnetickým polem a vodičem protékaným proudem. Nejčastěji se pod pojmem elektrodynamické brzdění rozumí brzdění trakčními motory, které pracují jako generátory poháněné kinetickou energií brzděné soupravy. Na elektrodynamickém účinku pracují ale i brzdy vířivé zaváděné v poslední době zvláště pro vysokorychlostní vozidla. V obou případech jde o brzdu bezkontaktní a tedy bez opotřebení, v druhém případě se může jednat navíc o brzdy neadhezní. Všechny elektrodynamické brzdy se už z principu vyznačují jednoduchým přímým elektrickým řízením a rychlostí působení, která není prakticky omezena vlastním zařízením, nýbrž požadavky na dynamické účinky na vozidle (soupravě). 2.1 BRZDĚNÍ TRAKČNÍMI MOTORY Význam brzdění trakčními motory závisí v konkrétním případě na počtu poháněných náprav v soupravě a na pracovním cyklu (hustotě brzdění). Proto má z hlediska brzdění největší význam u vozidel jako jsou tramvaje, metro a elektrické motorové jednotky. Tam se také plně uplatňuje rychlost jejich působení a přímá návaznost na řízení tahu. U lokomotiv má brzdění motorem výhodu především v úspoře jejích špalků, pracnosti při jejich výměně a ztrát prostoji lokomotiv pro jejich výměnu. Pro řízení brzdy platí podobná omezení jako pří jízdě tahem, zejména omezení brzdné síly adhezí, omezení rychlosti nárůstu a poklesu brzdné síly a omezení, daná dimenzováním elektrické výzbroje. Vlastnosti elektrické brzdy vyjadřují brzdové charakteristiky. Způsoby brzdění a jim odpovídající brzdové charakteristiky byly podrobně popsány v předchozích dílech u jednotlivých typů vozidel. Nejběžnější tvar odpovídá Obr. 1. Obr. 1 Brzdová charakteristika (edb.dwg) V oblasti vyšších rychlostí (V 1...V max ) jsou tažné síly omezeny, u odporového brzdění výkonem brzdového odporníku, u rekuperačního brzdění proudem motorů nebo měničů (v obou případech obyčejně hyperbolou). Ve střední části (.V 2.. V 1 ) záleží na možnostech řízení buzení, brzdového odporu a především ohledy na adhezi (F bmax ). Pro brzdění se počítá s koeficientem adheze např. - 5 -

2. Brzdy elektrodynamické 0,15..0,18, což je zhruba poloviční hodnota než při rozjezdu). Dalším omezením mohou být požadavky na součinnost (zastupitelnost) elektrodynamické brzdy brzdou vzduchovou. V oblasti nejnižších rychlostí (0...V 2 ) klesá brzdná síla k nule, pokud se ve zvláštních případech nepoužije brzdění protiproudem (srov. díl 4. o asynchronních motorech a jejich brzdění v oblasti nízkých rychlostí). Rychlost, při kterém začíná pokles brzdné síly závisí na vlastnostech trakčního obvodu a na vlastnostech spolupracující třecí brzdy. V žádném případě nelze elektrodynamickou brzdou zajistit vozidlo v klidu a pro plynulé zastavení je třeba sladit její řízení s vlastnostmi použité brzdy parkovací. Při zastavování, kdy je třeba přejít na brzdu parkovací (třecí), jsou rozhodující vlastnosti brzdy třecí. Z hlediska brzdění a jeho spolehlivosti u závislých vozidel lze rozdělit brzdění motory na brzdění závislé na napětí v troleji, to jsou případy brzdění rekuperačního a těch případů brzdění odporového, kdy je pro jeho realizaci zapotřebí napětí v troleji pro buzení, chlazení atd., brzdění nezávislé, které vyžaduje nejen nezávislý zdroj pro buzení motorů, ale také zajištění startu brzdění ve všech provozních stavech a zajištění všech dalších podmínek pro správnou činnost trakčních obvodů (chlazení měničů, motorů, odporníku aj.). Brzdění motory musí být vždy dostatečně rychle nahraditelné jinou provozní brzdou se stejným účinkem. Pokud jsou splněny další podmínky pro činnost brzdění motory ([ 2 ]), může být nezávislá elektrodynamická brzda započitatelná. Podmínkami jsou zejména omezení rizika smyku (přebrzdění), ovládání brzdičem samočinné brzdy a samočinný přechod na brzdu samočinnou při poruše. Pak se brzdové vlastnosti (zábrzdné dráhy při TBZ, viz dále) ověřují i s touto brzdou. Význam to má především u lokomotiv pro stanovení maximální dovolené rychlosti při strojové jízdě (v ostatních případech brzdí především vlak). Vlastní řízení brzdění v uvedených případech závisí na technickém provedení trakčních obvodů. Z hlediska obsluhy záleží na použitém systému řízení resp. stupni jeho automatizace (viz příslušný díl). Zpočátku bývala elektrická brzda ovládána samostatným ovladačem, ale teprve vhodné začlenění do systému řízení zajistilo její plné využívání v provozu. Při řízení tahu pákou s výchylkovým ovládáním je nejpřirozenějším způsobem řízení tahu směrem vpřed od neutrální polohy a řízení brzdy opačným směrem (k sobě). Tento způsob je vhodný především tam, kde elektrická brzda představuje hlavní provozní brzdu. Jinak je nutno zajistit vhodnou součinnost řízení elektrické brzdy s řízením ostatních provozních brzd. V případech, když elektrická brzda není hlavní provozní brzdou (její účinek není převažující, resp. dostatečný) je žádoucí ji užívat přednostně a tento požadavek mohou zajistit různé systémy přímého řízení tak, jak se historicky vyvinuly, nebo řízení (polo)automatické. Protože se však obyčejně i při automatizovaném řízení požaduje možnost přímého řízení brzdění, vznikají poměrně komplikované způsoby řízení. Některé jsou popsány dále, jiné v samostatném díle o řízení. O způsobech řízení bude pojednáno také v dalších kapitolách. Závěrem je dobré si uvědomit, že jde o brzdění adhezní a že o momentální schopnost přenést brzdnou sílu adhezí se obecně mohou dělit brzda elektrická a brzda mechanická (například pneumatická). O součinnosti viz kap.6.2. Podobně jako při jízdě může i při brzdění dojít při překročení - 6 -

2. Brzdy elektrodynamické meze adheze a dojde ke smyku. I když k trvalému zastavení kol při brzdění motory nemůže zřejmě dojít, protože při nulové rychlosti otáčení motoru brzdná síla klesne k nule, může dojít k situaci, kdy se kola mohou do krátkodobých smyků dostat a může dojít k poškození obručí. Protismyková ochrana je tedy i při brzdění motory potřebná zvláště tam, kde je její využívání významné. Jako speciální případ brzdění asynchronními motory uvedeme zapojení podle [ 3 ]. Na ozubnicových drahách lze přirozeně také použít asynchronních trakčních motorů napájených z měničů. Pro extrémní spády, které se tam vyskytují, se elektrodynamické brzdění s pomocí měniče nejevilo dostatečně spolehlivé. Proto byl navržen, analyzován a zkoušen na upravené starší lokomotivě způsob brzdění, v jiných případech celkem běžný, a to s buzením pomocí kondenzátorů se startem z remanentního magnetického toku motorů (vzdálená obdoba tramvajové brzdy). Dvěma variantám připojení zátěže odpovídají náhradní schémata podle Obr. 2. Obr. 2 Náhradní schéma při brzdění asynchronním motorem s kondenzátorovým buzením (zub_sch.bmp) Momentové charakteristiky obou zapojení se významně liší a jsou uvedeny v Obr. 3. Sériové zapojení sice vyžaduje poněkud větší kapacitu kondenzátorů, avšak náběh brzdného momentu je plynulejší a překmit rychlosti menší. Zapojení je v principu velmi jednoduché (využívá ovšem mnoha spínačů) a start je spolehlivý za všech okolností. Brzda byla úspěšně vyzkoušena i při spuštění s kopce bez jiného brzdění. Obr. 3 Momentové charakteristiky "samobuzené asynchronní brzdy (zub_cha.bmp) - 7 -

2.2 BRZDĚNÍ S VYUŽITÍM VÍŘIVÝCH PROUDŮ Elektrická trakce 8 - Elektrické ovládání brzd 2. Brzdy elektrodynamické Při tomto způsobu brzdění se proudy, které působí brzdění dynamickými účinky, indukují buď v kolejnicích, pak se jedná o vířivé brzdy neadhezní, nebo v kotoučích na nápravách a pak jde zřejmě o brzdy adhezní. Energie se mění v teplo v částech, ve kterých vířivé proudy vznikají. Výhoda přenosu energie na vhodné místo (do odporníku) zde tedy odpadá. Při jejím použití (zpravidla) nedochází ke kontaktu mezi materiály a nevzniká tedy zvýšené opotřebení. Tyto brzdy se uplatňují především u vozidel na vysoké rychlosti. Princip je znám již dlouho (přehled historie v [ 4 ]), avšak zásadní impuls pro jejich aplikace představovala stavba vysokorychlostních vlaků TGV na SNCF a ICE vlaků na DB. První provozní zkoušky vířivých brzd proběhly již v roce 1985, sériové nasazení se však dočkaly až na ICE 3 [ 5 ]. Nejčastěji se používají lineární vířivé brzdy zavěšené na podvozcích nad kolejnicemi. Uspořádání a základní funkce jsou zřejmé z Obr. 4. Při pohybu magnetů vznikají v kolejnicích vířivé proudy, jejichž magnetické pole brání tomuto pohybu a vyvozuje tak brzdnou sílu. Obr. 4 Princip činnosti vířivé brzdy podle[ 6 ] (vir_princ.bmp) Na rozdíl od magnetických kolejnicových brzd (viz dále) se nepředpokládá styk mezi pólovými nástavci a hlavou kolejnic, takže jde o brzdu neadhezní a bez opotřebení, což jsou vlastnosti pro brzdění při vysokých rychlostech velmi vítané. Příklad provedení je na Obr. 5 podle [ 6 ]. Hlavní výhody proti například kolejnicové brzdě jsou, že nedochází k opotřebení, účinek brzdy lze plynule řídit velikostí budicího proudu, účinek brzdy se v oblasti vysokých rychlostí mění relativně málo. Na druhé straně stojí nevýhody, zejména vznik velkých přitažlivých sil, které jsou na rychlosti závislé hyperbolicky; firma Knorr-Bremse uvádí pro své konstrukce údaje podle Obr. 6; přitažlivá síla je při 150 km/h přibližně rovna vyvozované brzdné síle; s poklesem rychlosti roste síla nepřímo úměrně a namáhá konstrukci natolik, že je nutno budicí proud od určité rychlosti snižovat, aby se průhybem konstrukce zavěšení neměnila výrazně vzduchová mezera, oteplování kolejnic v závislosti na velikosti odbrzděné energie a sledu vlaků, které brzdí na stejném místě; zkoušky ukazují že při intervalu 30 min pro ICE mohou být poměry na hranici přijatelnosti [ 7 ], - 8 -

2. Brzdy elektrodynamické rušení zabezpečovacího zařízení některých systémů, zejména pokud využívají magnetické účinky [ 7 ] (v našich poměrech například magnetické orientační body pro automatické vedení vlaku), vysoké nároky na spotřebu energie, které nejsou splnitelné běžnou vozovou baterií bez značného předimenzování; proto může být použita jen jako brzda nouzová (na příklad na vložených vozech ([ 7 ]). Obr. 5 Příklad provedení vířivé brzdy na podvozku ICE (vir_obr.bmp) Obr. 6 Parametry vířivé brzdy Knorr [ 9 ] (knor_vir.bmp) Spotřeba vířivé brzdy a jejího účinku v porovnání s kolejnicovou brzdou je na Obr. 7. - 9 -

2. Brzdy elektrodynamické Obr. 7 Porovnání energetické náročnosti a účinku vířivé a kolejnicové brzdy podle [ 8 ] (viriva_1.bmp) Na ICE 3 jsou vířivé brzdy napájeny ze stejnosměrného meziobvodu přes pulzní měniče a při dynamickém brzdění tedy z brzdové energie podle Obr. 8, u starších vozidel ze sběrnice vlakového topení. Obr. 8 Zapojení vířivé brzdy na ICE 3 (ice3.bmp) Místo v kolejnicích mohou být vířivé proudy indukovány také v kotoučích umístěných na nápravách podobně jako u kotoučové brzdy. U kolejnicového provedení musí být vzduchová mezera poměrně velká (obyčejně asi 7 mm s ohledem na tolerance, průhyb a další okolnosti při zavěšení na podvozku) a pro buzení je zapotřebí značný proud. Uspořádání brzdových kotoučů na nápravě umožňuje vzduchovou mezeru výrazně zmenšit. Pak lze použít pro buzení i permanentní magnety, které energii nepotřebují vůbec. Řízení brzdné síly je ovšem komplikovanější, např. mechanickým natáčením permanentních magnetů (podobný princip jako u kolejnicových brzd - viz dále). Kromě toho je brzdný výkon omezen oteplením kotoučů, které navíc zvýšením ohmického odporu snižují brzdnou sílu (pro 500 C asi na polovinu - [ 8 ]). - 10 -

3. Provozní mechanická brzda 3 PROVOZNÍ MECHANICKÁ BRZDA V této kapitole se budeme zabývat adhezními provozními brzdami, tj. brzdami určenými především pro ovládání rychlosti soupravy. Proto musí mít možnost plynulého řízení velikosti brzdné síly při brzdění i při odbrzďování. Mohou přirozeně také sloužit k brzdění nouzovému, ale jejich účinek nemusí vždy postačovat a pak musí být doplněny další brzdou (například kolejnicovou). Jedná se vesměs o brzdy třecí a proto je velikost brzdné síly a omezení adhezí dáno výrazy r. 1 F b f. P P µ N f [ kn, 1 kn] = µ. N, kde F b je brzdná síla, P přítlačná síla (na zdrže, kotouče), N nápravové zatížení, µ koeficient adheze a f koeficient tření. Koeficient tření závisí zejména na rychlosti relativního pohybu ploch, které se třou (na rychlosti závisí mj. i koeficient adheze, ale obecně jinak, viz Obr. 9 ), materiálu těchto ploch, měrném tlaku ve styku těchto ploch. Poslední dva vlivy jsou dány konstrukcí. Závislost na rychlosti je různá u různých materiálů. Konstrukční uspořádání uvažovaných brzd je především dvojí špalíkové brzdy, kdy špalíky ze speciální litiny nebo z kompozitních materiálů (obdobných materiálům pro brzdové obložení) dosedají na obruč kol, kotoučové brzdy, kdy jsou na nápravách nebo na jiných částech pro přenos momentu z motoru na nápravu (dutý hřídel, volný konec hřídele trakčního motoru) upevněny kotouče (užívají se také kotouče přímo na discích kol), na které doléhají čelisti s brzdovým obložením. Uvedený výčet odpovídá postupnému vývoji. Hlavní nevýhodou špalíkové brzdy s litinovými špalíky je, že vznikající teplo může způsobit poškození obručí a vyžaduje poměrně časté výměny zdrží a vyvolává s tím spojené náklady na práci, materiál a ztráty prostoji. Opotřebení zdrží z kompozitních materiálů je výrazně nižší, ovšem účinek na obruče může být ještě nepříznivější. Špalíky vedou teplo podstatně hůře (na rozdíl od litinových) a nemají čisticí účinek na povrch kola. Na moderních vozidlech (hnacích i vložených, rychlých vlacích i tramvajích, s výjimkou nákladních vozů) se používají prakticky výhradně brzdy kotoučové (čelisťové), protože umožňují oddělit a tím i optimalizovat brzdové funkce od kol a přinášejí větší konstrukční volnost v řešení brzdového systému, snížení jeho hmotnosti a možnost jeho umístění na odpružených částech podvozku. Z hlediska zdroje síly (nejčastěji brzdový válec a stlačený vzduch) není mezi uvedenými systémy zásadní rozdíl, podobně jako mezi jejich ovládáním. Pro řízení je ale důležitý rozdíl mezi závislostí koeficientu tření a koeficientu adheze na rychlosti. Například pro nejběžnější případ litinových špalíků a špalíků z kompozitních materiálů je závislost na rychlosti uvedena na Obr. 9, kde je uveden také průběh koeficientu adheze. Pokud tedy nemá při žádné rychlosti dojít ke smyku, musí podle r. 1 platit přibližně - 11 -

r. 2 P 0, 7 N Elektrická trakce 8 - Elektrické ovládání brzd 3. Provozní mechanická brzda Na druhé straně je vidět, že pro dosažení maximálního brzdného účinku v průběhu brzdění je třeba s ohledem na adhezi v závislosti na rychlosti měnit přítlačnou sílu (špalíků nebo čelistí) tak, že při vyšších rychlostech se použije přítlak vyšší. V v oblasti velmi nízkých rychlostí musí být přítlak odpovídajícím způsobem snižován, aby nedošlo ke smyku. Tomu odpovídá běžný způsob ručního řízení brzdy a musí tomu odpovídat i řízení automatické. Zvlášť významné to může být v případě současného ovládání vozidel s různým provedením brzd (např. kotoučové na vozech a špalíkové na lokomotivách). Obr. 9 Závislost koeficientu tření a adhezního součinitele na rychlosti (treni1.bmp). - 12 -

3. Provozní mechanická brzda Obr. 10 Součinitelé tření (treni2.bmp) Podobné pro závislosti koeficientů tření na rychlosti za různých okolností uvádí [ 10 ], Obr. 10. V Obr. 10 jednotlivé křivky pro 1a - součinitel tření litinových špalíků při měrném tlaku 0,4 MPa, 1b dtto pro 1,0 MPa, 1c dtto pro 2 MPa, 2 součinitel tření brzdového obložení (kotoučové brzdy), 3 součinitel smykového tření kol po kolejnicích. Také odtud je zřejmá značná rozdílnost průběhů a nelinearita působení brzd závislosti na rychlosti. Nejprve se soustředíme na pneumatickou brzdu, typickou pro vozidla železničního typu, a poté se zmíníme o systémech častěji užívaných u tramvají. V obou případech nejde o vyčerpávající přehled, nýbrž jen zjednodušený popis typických aplikací. 3.1 PNEUMATICKÁ BRZDA ŽELEZNIČNÍCH VOZIDEL Brzdy využívající pro vyvození přítlačné síly stlačeného vzduchu jsou u vozidel železničního typu (například také u metra) základní a jejich historie je velmi dlouhá. Obsáhlý přehled je v [ 1 ]. Pro výklad budeme používat zjednodušená vzduchová schémata, aby z nich byla zřejmá jejich základní funkce a propojení s případným elektrickým ovládáním a kontrolou. Všechny jiné pneumatické přístroje stejně jako řada dalších pomocných zařízení, která mají mj. za úkol zajistit, aby stlačený vzduch neobsahoval mechanické nečistoty, vlhkost a olej nebudou uváděny, ačkoliv jsou pro spolehlivou funkci nezbytné. Pro skutečné provedení je třeba se obrátit na schémata vzduchových obvodů konkrétního vozidla. V nich jsou zahrnuty i další funkce, zajišťované stlačeným vzduchem (ovládání elektrických přístrojů, zajišťovacích a kolejnicových brzd, vzduchové vypružení, pískování aj.). Brzdovou výstroj vyrábí řada velkých firem, například Knorr Bremse (SRN), SAB-Wabco (Švédsko), Westinghouse (USA), u nás pak Dako Třemošnice a ovšem řada dalších. Jednotné označen přístrojů ve schématech vhodné pro naše účely však není ustálené a proto pro následující zjednodušená principiální zapojení budeme používat označení podle Tab. 1. Tab. 1 Vybraná zařízení, použité znčky a jejich význam ve vzduchových schématech. Značka Název Funkce Brzdový válec (BV) Dvojitá zpětná záklopka Základní součást brzdové výstroje nebo brzdové jednotky, zdroj brzdné síly Zařízení, které propojuje na výstup to ze dvou vstupních potrubí, které má větší tlak; vzduch při tom může proudit oběma směry - 13 -

Značka Název Funkce Elektrická trakce 8 - Elektrické ovládání brzd 3. Provozní mechanická brzda Elektropneumatický ventil Elektropneumatický ventil s odvětráním Elektricky ovládaný ventil, v provedení normálním při nabuzení otevírá průchod vzduchu, při inverzním provedení ho za stejných okolností zavírá Jako v předešlém případě, po uzavření ventilu se prostor za ventilem spojí s atmosférou HP Hlavní potrubí Potrubí, procházející celou soupravou, které slouží pro zásobování vzduchem a současně k ovládání samočinné brzdy v jednotlivých vozidlech soupravy Kohout (ruční) Kompresor Uzavírá nabo otevírá průchod vzduchu Pístový a rotační kompresor - zdroj tlakového vzduchu NP Napájecí potrubí Potrubí, připojené k hlavním jímkám, které slouží pro napájení vzduchových zařízení na vozidle; může být propojeno s dalšími vozidly Převodník tlaku Rozvaděč Ruční ovladač brzdy (brzdič) Tlakový spinač Upravovač tlaku ZZ Převádí tlak v připojeném potrubí na (zpravidla) stejnosměrné analogové napětí pro účely signalizace, kontroly či regulace Zařízení, které na základě tlaku v průběžném potrubí řídí brzdění na příslušném vozidle (PV je pomocný a RV rozvodový vzduchojem) Převodník mechanické výchylky ruční páky na změnu tlaku v potrubí za ovladačem Spínač ovládaný tlakem v připojeném potrubí; velikost tlaku, hystereze mohou být případně i nastavitelné, uspořádání kontaktů různé, Zařízení, které omezuje tlak v potrubí za ním na nastavenou hodnotu Zpětná záklopka s naznačeným směrem průchodu vzduchu Zdrojem stlačeného vzduchu jsou kompresory, pístové nebo rotační, poháněné elektromotorem a řízené tak, aby byl tlak v hlavních jímkách udržován v požadovaném rozmezí (obyčejně 8..10 Bar=0,8..1,0 MPa). O kompresorech viz ETR II, díl 6. Vlastní spotřeba a chlazení. - 14 -

3.1.1 PŘÍMOČINNÁ BRZDA Elektrická trakce 8 - Elektrické ovládání brzd 3. Provozní mechanická brzda Přímočinná brzda je nejstarší a také nejednodušší variantou pneumatické brzdy (od roku 1856). Základní zapojení je na Obr. 11 se dvěma variantami ovládání vzduchem: výchylkové ovládání pomocí ručně ovládaného upravovače tlaku vzduchu pro brzdění, Obr. 11 a, přírůstkové ovládání ručním ovládáním napouštěcího a vypouštěcího ventilu, kterým se řídí tlak v BV, Obr. 11b. Obr. 11 Přímočinná brzda (vzd_brz.dwg) Tlak v brzdovém válci může dosáhnou hodnoty tlaku v napájecím potrubí (pokud není omezen). Pokud se ovšem přeruší (otevře, přetrhne) potrubí za brzdičem, všechny připojené brzdy přestanou brzdit. Proto je tato brzda používána především pro brzdění trakčních vozidel (ev. nedělitelné soupravy trakčních vozidel), kde v takovém případě lze použít některou jinou, dostatečně účinnou brzdu (vždy musí existovat). Na lokomotivách bývá přímočinná brzda označována také jako lokomotivní nebo přídavná a slouží především pro brzdění při jízdě samotné lokomotivy, při posunu, manipulaci a pro zajištění vlaku v klidu (po zabrzdění např. samočinnou brzdou), protože se vyznačuje relativně rychlou reakcí při brzdění i odbrzďování. Její ovládání bývá zcela odděleno a při ručním ovládání prakticky nezávislé na ostatních brzdových systémech. 3.1.2 ELEKTRICKÉ OVLÁDÁNÍ PŘÍMO PŮSOBÍCÍCH BRZD Elektrické ovládání nejčastěji kopíruje přímé ovládání vzduchem. Analogií k uspořádání na Obr. 11b je zapojení na Obr. 12. Obr. 12 Ovládání přímočinné brzdy EPV (vzd_br.dwg) Napájení EPV může řídit ruční ovladač nebo jiné elektrické zařízení. Výhodou je, že na stanoviště (resp. na obě stanoviště) není třeba přivádět potrubí a elektrický ovladač lze snáze konstrukčně začlenit do řídicího pultu. Aby byla zajištěna bezpečnost, musí být pro brzdění použit inverzní ventil, který při ztrátě napětí způsobí zabrzdění. - 15 -

3. Provozní mechanická brzda V souvislosti s různými automatizačními zařízeními se používají i další způsoby ovládání brzdy přímočinného typu, dva příklady jsou na Obr. 13. Zapojení na Obr. 13a představuje parkovací brzdu, která umožňuje například regulátoru rychlosti udržovat nulovou požadovanou rychlost. Neslouží k brzdění za pohybu, pouze pro zajištění soupravy v klidu. Je řízena ve dvou stavech: zabrzdit (nastaveným tlakem při nabuzení EPV) a odbrzdit při odbuzení EPV (EPV je normální s odvětráním potrubí za EPV při jeho uzavření). Obr. 13 Parkovací a doplňková brzda (vzd_br.dwg) Na Obr. 13b je naznačeno zapojení pro řízení přímočinné brzdy ve funkci doplňkové brzdy. Nakreslené uspořádání je standardním třístavovým regulátorem tlaku v BV na požadovanou hodnotu tlaku reprezentovanou elektrickým signálem s převodníkem tlaku jako čidlem skutečné hodnoty. Slouží na trakčních vozidlech s elektrodynamickým brzděním trakčními motory pro doplnění velikosti brzdné síly trakčního vozidla na stálou hodnotu jednak v oblasti vysokých rychlostí, kde brzdná síla od motorů je podle charakteristiky (Obr. 1) omezena (výkonem odporníků, měničů ap. resp. možnostmi buzení motorů), jednak při nízkých rychlostech. Doplňková brzda je pak řízena společně s řízením elektrodynamické brzdy a stává se vlastně její součástí při brzdění trakčního vozidla. V případech výpadku elektrodynamické brzdy může případně převzít celou brzdovou práci na trakčním vozidle. Pak ovšem musí její účinek odpovídat plnému účinku elektrodynamické brzdy (v oblasti středních rychlostí) resp. dynamická brzda musí být odpovídajícím způsobem trvale omezena. U trakčních vozidel s kotoučovými brzdami se někdy používá tzv. čisticí brzda. Provedením se podobá obyčejné špalíkové brzdě, špalíky jsou ovšem daleko menší stejně jako přítlačná síla. Účelem tohoto zařízení není totiž skutečně brzdit, nýbrž očistit povrch nákolků pro zlepšení adhezních poměrů před brzděním. Proto se čisticí brzda automaticky krátkodobě aktivuje například na začátku každého brzdění (schéma řízení může odpovídat Obr. 13a). 3.1.3 SAMOČINNÁ BRZDA Samočinná brzda je charakteristická pro železniční vozidla a podobné případy, kdy je nutno počítat s možností samovolného rozdělení (přetržení) soupravy a je nutno zajistit brzdění i takovém případě. Zřejmou podmínkou je, aby každé vozidlo mělo vždy k dispozici energii pro brzdění a zabrzdilo i v případě, že není propojeno s trakčním vozidlem (zabrzdit musí samočinně i utržená část vlaku). Samočinná brzda se někdy označuje také jako průběžná nebo vlaková. - 16 -

3. Provozní mechanická brzda Obr. 14 Schéma samočinné brzdy (vzd_br.dwg) Maximálně zjednodušené schéma samočinné brzdy je na Obr. 14. Celou soupravou prochází hlavní potrubí HP a v každém brzděném vozidle je na něj připojen rozvaděč, řídící brzdu na vozidle. Do soupravy mohou být zapojena i vozidla, která mají pouze hlavní potrubí, nebo, což je z hlediska funkce totéž, mají přívod vzduchu k rozvaděči uzavřený. Rozvaděč je poměrně složité zařízení, jehož funkci lze bez nároků na přesnost a úplnost popsat následovně: na počátku zajišťuje naplnění pomocného vzduchojemu PV, rozvodového vzduchojemu RV a prostor vlastního rozvaděče R na tlak v HP; po naplnění na jmenovitý tlak 5 Bar je odbrzděno, v brzdovém válci BV není tlak, při následujícím snížení tlaku v HP je původní tlak zapamatován (uchován) v rozvodovém vzduchojemu RV a v závislosti na rozdílu tlaku v RV proti tlaku v HV se zvyšuje tlak v BV přepouštěním vzduchu z PV; PV představuje onu zásobu energie pro brzdění daného vozidla, naopak zvyšováním tlaku v HP se vzduch z BV vypouští a brzdný účinek klesá případně až do úplného odbrzdění (tlak v HP se téměř vyrovná s tlakem v RV); zároveň se doplňuje vzduch do PV tak, aby byl k dispozici pro další brzdění. Je vidět, že při úniku vzduchu z HP ať v důsledky poruchy, nehody nebo záměrně činností strojvedoucího (rychlobrzda, nouzová brzda), zásahem zabezpečovacího zařízení (šoupátko LVZ) nebo i cestujícími v případě akutního nebezpečí (záchranná brzda) bude brzda uveden v činnost. Samočinná brzda je tedy ovládána tlakem v HP a jeho velikost je ovládána brzdičem na vedoucím trakčním vozidle (na soupravě je v činnosti vždy pouze jeden brzdič). Brzdičem se řídí tlak v HP napouštěním vzduchu z hlavních jímek a napájecího potrubí nebo vypouštěním vzduchu do atmosféry. Existuje řada konstrukcí brzdičů v závislosti na výrobci a požadovaných vlastnostech. Základní polohy, který jsou nutné vždy a zajišťují uvedené funkce, jsou plnicí poloha pro rychlé plnění prázdné soupravy vzduchem zvýšeným tlakem (např. po sestavení), která zároveň umožňuje rychlé odbrzdění plnicím švihem (viz dále), jízdní poloha, tlak v HP je udržován na 5 Bar doplňováním ztrát netěsnostmi a při odbrzďování, ev.. při plnění PV v soupravě, poloha provozní brzdění, která umožňuje postupné snižování nebo zvyšování tlaku v HP a tím nastavení požadovaného brzdného účinku, rychlobrzda, kdy je rychle a úplně vypuštěn vzduch z HP. Další funkce, které souvisí s ovládání samočinné brzdy jsou zejména - 17 -

3. Provozní mechanická brzda závěr, poloha v níž je spojení mezi brzdičem a HP uzavřeno, nízkotlaké přebití, kdy je zvýšen tlak v HP na 5,5 Bar a poté pomalu snižován na jmenovitou hodnotu 5,0 Bar aniž se vyvolá brzdění. Závěr slouží k odpojení všech dalších brzdičů, které mohou být na soupravě, k zamezení doplňování vzduchu z hlavních jímek při rychlobrzdě a při zkoušce těsnosti brzdových prostorů. Nízkotlaké přebití je určeno k rychlému odbrzdění nákladních vlaků a odstranění přebití soupravy. Tento (velice zjednodušený) výklad základních funkcí je uveden proto, že elektrické ovládání musí přirozeně umožnit také všechny nebo alespoň všechny v daném případě potřebné způsoby ovládání. Je třeba zdůraznit, že při elektrickém ovládání se nahrazuje elektricky především brzdič, a to z důvodů, které byly uvedeny kapitole 3.1.2 pro brzdu přímočinnou. 3.1.4 POŽADAVKY NA PRŮBĚŽNOU BRZDU Průběžná brzda je hlavní provozní brzdou na železnici a závisí na ní v rozhodující míře bezpečnost dopravy. Proto je její provedení, funkce a zkoušení určeno mnoha předpisy, ať je její ovládání provedeno jakkoliv. Samočinná brzda s popsanými vlastnostmi byla poprvé postavena firmou Westinghouse v roce 1875 a od té doby je nepřetržitě zdokonalována i řadou dalších firem. Protože se mezinárodní provoz vozů osobní i nákladní dopravy stal brzy skutečností, bylo nutno zajistit kompatibilitu brzd vozidel různých výrobců a zároveň její bezpečnou funkci. Proto byla a je brzdová výstroj předmětem mezinárodních předpisů UIC. Uvádí se 20 + 5 podmínek, jimž musí tyto brzdy vyhovovat (viz citaci příslušných předpisů v [ 11 ], dnes zřejmě poněkud změněných). Zkrácený obsah hlavních ustanovení uvádíme jednak proto, že charakterizuje základy činnosti brzdy, jednak proto, že podle prvního a klíčového ustanovení musí jakékoliv, tedy i elektrické řízení zachovat tyto základní funkce. Jedná se zejména o následující požadavky: Brzda musí být samočinná, k jejímu ovládání musí stačit stlačený vzduch a jediné potrubí. Nové tlakové brzdy musí bez závad účinkovat s brzdami již schválenými. Normální tlak je 5 Bar, brzda však musí pracovat v rozmezí 4...6 Bar. Brzda musí být v pohotovostním stavu a v odbrzděné poloze, jeli v hlavním potrubí normální tlak (tj. 5 Bar). Zabrzdění se dosáhne snížením tlaku v hlavním potrubí a odbrzdění jeho opětovným zvýšením. Když tlak v hlavním potrubí dosáhne hodnoty 4,85 Bar, musí tlak v BV klesnout pod 0,3 Bar. Brzda musí umožnit jednak rychlé zabrzdění náhlým a vydatným vypuštěním vzduchu z hlavního potrubí (rychlobrzda), jednak úplné zabrzdění postupným snižováním tlaku v hlavním potrubí. Brzdí-li se z normálního tlaku, musí se největšího tlaku v brzdovém válci dosáhnout snížením tlaku v hlavním potrubí o 1,3...1,6 Bar. Nejvyšší tlak v BV musí být v mezích 3,7...3,9 Bar. Naměřená průrazná rychlost při rychlém brzdění (podíl délky vlaku a času od povelu z brzdiče do okamžiku, kdy začne do BV posledního vozu vnikat vzduch) musí být nejméně 250 m/s. Brzda musí naskočit dříve než za 6 s, jestliže se tlak v potrubí plynule snižuje o 0,6 Bar/6 s (citlivost brzdy). - 18 -

3. Provozní mechanická brzda Brzda nesmí naskočit, jestliže tlak v potrubí klesá rychlostí 0,3 Bar/min (necitlivost např. na netěsnosti). Při odbrzdění plnicím švihem 6 Bar nesmí dojít k přebití rozvaděče do 10 s v poloze osobní a do 25 s v poloze nákladní (zvýšením tlaku se urychlí odbrzdění zvláště u dlouhých vlaků). Pro odstranění přebití lze postupně snižovat tlak z 6 Bar na 5 bar za 10 min. aniž dojde k zabrzdění (pro vlak, definovaný v předpisech). Brzdění v poloze osobní (O) je určeno pro osobní vlaky a rychlíky resp. krátké a těsně spřažené vlaky, kde lze připustit rychlý nárůst brzdné síly bez nebezpečných podélných rázů v soupravě. Brzdění v poloze nákladní (N) je určeno pro dlouhé vlaky nákladní, s uvolněnými spřáhly, kde je nutno značně omezit rychlost změn brzdných (a ovšem i tažných) sil proti technickým možnostem samočinné brzdy. Časové průběhy tlaků pro oba základní způsoby brzdění a pro rychlé a provozní brzdění a odbrzdění (provozní s maximálním švihem) jsou orientačně uvedeny v Obr. 15 podle [ 11 ] a jsou velmi významné při návrhu automatických způsobů řízení (existují i další, neuvedené způsoby brzdění). Obr. 15 Časové průběhy tlaků samočinné brzdy (cha_vzd.dwg) Tyto průběhy jsou dány požadavky železničního provozu. Například pro samočinnou pneumatickou brzdu na pražském metru je doba pro dosažení plného brzdného účinku při provozním brzdění 3..5 s a pro rychločinné brzdění 1,0..1,5 s. Brzdí se tak ovšem těsně spřažená souprava o pěti vozech ([ 12 ]). Z hlediska zkoušení samočinné brzdy u vlaků uvedeme pouze tyto základní případy (nově navrhované systémy řízení brzd - viz EBAS - předpokládají opakované z těchto činností automatizovat!) - 19 -

3. Provozní mechanická brzda technicko-bezpečnostní zkouška (TBZ) se provádí na novém vozidle a na vozidle po opravách nebo úpravách, které se dotýkají brzdové výstroje před uvedením do provozu; zjišťuje se především brzdná dráha na vodorovné přímé trati z maximální rychlosti vozidla při rychlobrzdě (a řada dalších vlastností), úplná brzdová zkouška se provádí po sestavení vlaku a zjišťuje se, zda brzdí i odbrzďují všechny vozy v soupravě se zapojenou brzdou; zároveň je zjištěna hmotnost soupravy, údaj, důležitý také při automatizaci vedení vlaku, a hmotnost i brzdová hmotnost soupravy pro výpočet brzdového procenta (viz dále), voze. zkrácená brzdová zkouška, kdy se kontroluje správná činnost brzdy pouze na posledním Účinek brzd je charakterizován brzdicím procentem, které je definováno pro soupravu takto brzdicích hmotností Bv r. 3 B% =. 100 =. 100% hmotností vozidel G a obdobně pro jednotlivé vozidlo. Brzdicí hmotnost (dříve brzdová váha, označení Bv je ponecháno) je srovnávací údaj, charakterizující brzdný účinek vozidla a zjišťuje se ze zábrzdných drah a/nebo výpočtem podle stanovených postupů. Brzdicí hmotnost je uváděna na každém vozidle. V zásadě souvisí s velikostí přítlaku na špalíky nebo čelisti brzdy. Typicky pro špalíkovou brzdu pro normální vůz platí, že brzdová hmotnost se rovná skutečné hmotnosti tj. Bv=G, když celkový přítlak zdrží P se rovná (srov. s výkladem u r. 1) r. 4 P ( 0, 7... 0, 8) g G = ( 0, 7... 0, 8) g. Bv středního zpomalení soupravy pro úplné provozní brzdění (pro které bylo brzdicí procento stanoveno). Podle [ 13 ] platí s použitím r. 4 postupně kde r. 5 a b Fb P. f = = = ξ G ξ G r r ( 0, 7... 0, 8) g. Bv. f ( 0, 7... 0, 8) ξ G r = ξ r g. f B% B% = k. 100 100 ξ r je redukovaný koeficient rotačních hmot, f střední koeficient tření mezi zdrží a obručí a k koeficient, který závisí na rychlosti a měrném tlaku ve styku špalíků a obruče (s rychlostí klesá, s tlakem mírně roste). Pro hrubý odhad lze počítat s hodnotou k 1 (platí pro rychlost okolo 60 km/h, podrobnější údaje jsou v [ 13 ]). Pak brzdicímu procentu 100% odpovídá zpomalení zhruba 1 m/s 2. 3.1.5 SOUČINNOST PNEUMATICKÝCH BRZD Na trakčním vozidle se (kromě jiných) používá především brzda přímočinná a brzda samočinná. Obě ovšem realizují brzdný účinek prostřednictvím stejných brzdových válců. Kromě toho brzdiče přímočinné brzdy na vozidlech se dvěma stanovišti bývají v činnosti oba (na rozdíl od brzdičů brzdy samočinné). - 20 -

3. Provozní mechanická brzda Obr. 16 Součinnost vzduchových brzd (souc_vzd.dwg) Zásadou pro součinnost pak je, že se má uplatnit největší z požadovaných tlaků od všech možných zdrojů. K tomu účelu se používají dvojité zpětné záklopky. Zjednodušený příklad pro lokomotivu se dvěma stanovišti je na Obr. 16. Elektrické ovládání řeší tyto úkoly pouze v některých případech. BP a BS označují brzdič přímočinné a brzdič samočinné brzdy, HV je hlavní vzduchojem. Schéma zachycuje pouze základní funkce, aby zůstalo přehledné. 3.1.6 ELEKTRICKÉ OVLÁDÁDNÍ SAMOČINNÉ BRZDY Při elektrickém ovládání samočinné brzdy je obecně nutno zajistit všechny funkce původního brzdiče při řízení tlaku v HP. Používají se k tomu elektropneumatické ventily a další doplňující zařízení ve vzduchovém obvodu. Z nich nejdůležitější, která nejsou ve schématech nakreslena, jsou tlaková relé (s funkcí spojitého zesilovače ve vzduchovém obvodu) a šoupátka (odpovídají elektrickému relé nebo stykači, působí dvouhodnotově). Jsou řízena pomocným vzduchem s malým průtokem (např. z EPV) a ovládají průtok výkonového vzduchu např. do BV nebo do atmosféry (například šoupátko při rychlobrzdě). Základním přístrojem pro ovládání samočinné brzdy je elektrický brzdič a příslušný ovladač (u ČD označení BSE a OBE, použito ve schématech). Ovladač je nejčastěji vhodně uspořádaný vícepolohový vačkový přepínač, umístěný na pultu strojvedoucího místo původního brzdiče. - 21 -

3. Provozní mechanická brzda Obr. 17 Elektrický brzdič a další orgány pro řízení samočinné brzdy (souc_vzd.dwg) Zjednodušené schéma elektrického ovládání samočinné brzdy je na Obr. 17. Vlastní brzdič je vyznačen čárkovaným ohraničením a zahrnuje EPV pro odbrzdění, nízkotlaké přebití (s ústrojím lineárního odvětrání pro pomalé vyrovnání tlaku), plnicí švih a provozní brzdění (inverzní EPV). Další funkce závěru a rychlobrzdy jsou realizovány šoupátky s inverzními EPV. Obr. 18 Elektrické ovládání samočinné brzdy (souc_vzd.dwg) Použití elektrického brzdiče zjednodušuje výrazně tlakovzdušné potrubí, protože rozhodující část vzduchotechnických přístrojů může být soustředěna na jednom místě u brzdiče (pneumatická deska). Elektrický brzdič zjednodušuje také provedení pultu a umožňuje přirozené zapojení ovládání samočinné brzdy do ovládání vozidla a je podmínkou pro použití automatizačních postupů pro brzdění (regulace rychlosti a cílové brzdění). Na Obr. 18 je blokově naznačen princip elektrického ovládání samočinné brzdy dvěma ovladači a regulátorem rychlosti (RR). - 22 -

3. Provozní mechanická brzda Obr. 19 Součinnost vzduchových brzd při elektrickém ovládání (souc_vzd.dwg) Na Obr. 19 je zjednodušené schéma naznačující vzájemné vztahy mezi různými možnostmi řízení pneumatické brzdy na lokomotivě se dvěma stanovišti, regulátorem rychlosti (RR) a tahu (RT - ovládá především trakční motory v tahu i v brzdě - EDB). Potřebné závislosti jsou realizovány dvojitými zpětnými záklopkami. Uvedené způsoby elektrického řízení vzduchových brzd se týkaly pouze zařízení trakčního vozidla a v podstatě realizují jinými prostředky původní způsob řízení. Vlastnosti samočinné brzdy se nemění, energie pro brzdění i řízení je (ve smyslu předpisů UIC) zajišťováno pouze prostřednictvím HP. Při růstu rychlostí vlaků a jejich hmotnosti (a tím i délky) při stávajících vzdálenostech návěstidel (a tedy potřebných zábrzdných dráhách) však popsaný způsob brzdění představuje omezení. V článku [ 14 ] se udávají perspektivní požadavky na zátěže pro rychlíky max. 300 km/h délka 400 m, hmotnost 1000 t, pro nákladní vlaky max. 120..160 km/h, délka 700 m, hmotnost 5400 t při nápravovém zatížení 22,5 t nápravu. Pro jejich splnění při stávajícím umístění návěstidel lze využít zabezpečovacího zařízení, které umožňuje vidět přes dva oddíly (přenos návěstních znaků na trakční vozidlo, např. LVZ ČD) a tak prodloužit dráhu, potřebnou k zabrzdění zhruba dvakrát. To může dovolit zvýšit maximální rychlost ze 120 na 140, případně na 160 km/h. V ostatních případech je nutno upravit působení brzdy na soupravě. Největší překážkou je přitom nutnost úpravy velkého množství vozidel, a to nejlépe současně, a ovšem problémy mezinárodního uznání určitého provedení. Z organizačních a ekonomických hledisek se proto pro nové provedení preferují ucelené jednotky (soupravy), u nichž se nepředpokládá běžné spojování s jinými vozidly, a to jak pro osobní, tak i pro nákladní dopravu (ucelené kontejnerové vlaky). Takové jednotky pak lze vybavit systémem brzdění (a dalšími zařízeními), které vyhovují předpisům především v tom smyslu, že zajišťují stejnou nebo vyšší - 23 -

3. Provozní mechanická brzda bezpečnost. Jejich součinnost s dosavadními systémy může být omezena (například pouze na ovládání rychlobrzdy). Při zdokonalování se sledují jednak vlastnosti vozidel a jejich spřahování, jednak technická omezení vlastního brzdového systému. Volné spřažení především u nákladních vlaků (na rozdíl od centrálního spřáhla - např. v Rusku a USA) nedovoluje rychlé a nesoučasné změny brzdné síly, neboť by vznikaly značné podélné rázy a nebezpečí přetržení vlaku nebo vykolejení. Přechází se sice na brzdění v poloze O, ale při délce vlaku asi 700 m jsou podle [ 14 ] výsledné účinky prakticky stejné. Kritériem pro účinnost brzdy je zábrzdná dráha. Ta závisí na velikosti brzdné síly a rychlosti působení. Rychlost působení je omezena velikostí průrazné rychlosti, která je příčinou nesoučasného začátku působení brzdy (teoreticky je omezena rychlostí zvuku), tím, že všechen vzduch pro celou soupravu při brzdění i při odbrzďování musí procházet brzdičem na trakčním vozidle (ať klasickým nebo elektricky ovládaným) a danými průtočnými průřezy potrubí a přístrojů na celé soupravě je omezena rychlost působení. Velikost brzdné síly je omezena adhezí. Proto lze v závislosti na velikosti nákladu nebo obsazení vozidla a na rychlosti (srov. Obr. 9) a řídit její velikost. V závislosti na těchto okolnostech je možno použít větší tlak v BV. Zároveň je obyčejně třeba použít protismykové zařízení. Technicky poměrně jednoduché řešené představuje elektropneumatická brzda, která podporuje a urychluje činnost klasické samočinné brzdy a která představuje nástavbu nad standardní samočinnou brzdou, která zůstává ve funkci (v případě poruchy). Základní uspořádání představuje Obr. 20 podle [ 10 ]. Obr. 20 Schéma elektropneumatické brzdy (elpneubrzd.bmp) Vozidla vystrojená touto brzdou mají po celé soupravě propojeno hlavním potrubím HP, které slouží pro řízení brzdy buď v součinnosti s EPV nebo při poruše standardním způsobem, napájecím potrubím NP s tlakem asi 8 Bar; pomocný vzduchojem PV je plněn jak z HP, tak i (přes zpětnou záklopku ZZ) z NP vyšším tlakem (obdoba plnicího švihu), třížilovým elektrickým vedením, které je spojováno buď současně s brzdovými hadicemi, nebo zvláštním kabelem. - 24 -