ترمز خلأ در قطار
مقدمه
ترمز خلاء برای سال‌ها به جای ترمز هوایی به عنوان ترمز استاندارد و ایمن قطار در راه‌آهن‌های بریتانیا و کشورهایی که سیستم‌های ریلی آنها بر اساس روش‌های بریتانیا بنا شده است، استفاده می‌شود. در اینجا توضیحی ساده‌شده از سیستم خلأ ارائه می‌شود.
اصول اولیه
یک قطار در حال حرکت انرژی‌ای دارد که به عنوان انرژی جنبشی شناخته می‌شود و برای متوقف کردن قطار، این انرژی باید از بین برود.
ساده‌ترین راه، تبدیل انرژی جنبشی به گرما است. این تبدیل معمولاً با اعمال فشار یک ماده تماسی به چرخ‌ها یا دیسک‌های متصل به محور‌ها انجام می‌شود. این ماده اصطکاک ایجاد کرده و انرژی جنبشی را به گرما تبدیل می‌کند.
سرعت چرخ ها کم شده و در نهایت قطار متوقف می‌شود. ماده‌ای که برای ترمز استفاده می‌شود معمولاً به شکل بلوک یا پد است.
بیشتر قطارهای جهان دارای سیستم‌های ترمز هستند که از هوای فشرده به عنوان نیرویی برای فشار دادن بلوک‌ها به چرخ‌ها یا پدها به دیسک‌ها استفاده می‌کنند. این سیستم‌ها به عنوان “ترمز هوایی” یا “ترمز پنوماتیک” شناخته می‌شوند. هوای فشرده از طریق یک “لوله ترمز” در طول قطار انتقال داده می‌شود. تغییر در سطح فشار هوا در این لوله باعث تغییر وضعیت ترمز در هر وسیله نقلیه می‌شود. این تغییر می‌تواند ترمز را اعمال کند، آن را آزاد کند یا پس از یک اعمال جزئی، ترمز را “روشن” نگه دارد. این سیستم در سراسر جهان به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد.
ترمز خلاء، که به عنوان جایگزینی برای ترمز هوایی معرفی شد، در اوایل دهه 1870 توسعه یافت و همان زمان با ترمز هوایی به کار گرفته شد.
مشابه ترمز هوایی، سیستم ترمز خلاء نیز از طریق یک لوله ترمز که شیر ترمز در کابین راننده را به تجهیزات ترمز روی هر وسیله نقلیه متصل می‌کند، کنترل می‌شود. عملکرد تجهیزات ترمز روی هر وسیله به وضعیت خلاء ایجاد شده در لوله ترمز بستگی دارد که توسط یک اجکتور یا تخلیه‌کننده ایجاد می‌شود.
اجکتور با استفاده از بخار در یک لوکوموتیو بخار یا تخلیه‌کننده با استفاده از نیروی برق در انواع دیگر قطارها، فشار هوا را از لوله ترمز خارج می‌کند تا جالت خلأ ایجاد کند. با خلاء کامل، ترمز آزاد می‌شود و با نبود خلاء، یعنی فشار هوا عادی در لوله ترمز، ترمز به طور کامل اعمال می‌شود.
فشار هوا به عنوان 1 بار یا حدود 14.5 پوند بر اینچ مربع تعریف می‌شود. کاهش فشار جو به ۰ پوند بر اینچ مربع، خلاء تقریبا کاملی ایجاد می‌کند که به عنوان 30 اینچ جیوه (Hg) نوشته می‌شود. بنابراین هر 2 اینچ خلأ حدود 1 پوند بر اینچ مربع از فشار هوا را نشان می‌دهد.
در بریتانیا، ترمزهای خلأ در 21Hg کار می‌کردند، به جز در راه‌آهن بزرگ غربی (Great Western Railway) که در 30Hg عمل می‌کرد.
حالت خلأ در لوله ترمز توسط یک تخلیه‌کننده که با موتور کار می‌کند، ایجاد و نگهداری می‌شود.
تخلیه‌کننده دارای دو سرعت، بالا و پایین است. سرعت بالا برای ایجاد خلأ و در نتیجه آزاد کردن ترمز به کار می‌رود. سرعت پایین برای حفظ خلأ در سطح مورد نیاز برای نگه داشتن ترمز در حالت آزاد استفاده می‌شود. این سرعت حالت خلأ را در برابر نشت‌های کوچک در لوله ترمز حفظ می‌کند.
خلاء در لوله ترمز از سطح تعیین‌شده خود (معمولاً 21Hg) تجاوز نکند، توسط یک شیر کاهش فشار جلوگیری می‌شود که در سطح مشخص باز شده و اجازه ورود هوا به لوله ترمز را می‌دهد تا از افزایش حالت خلأ بیشتر جلوگیری کند.
اجزاء اصلی ترمز خلأ
همنطور که درعکس بالا مشاهده کردید، این نوع سیستم از اجزاء مختلفی تشکیل شده است که به بررسی آنها می‌پردازیم.
شیر کنترل حالت ترمز
شیری که راهبر به وسیله آن ترمز را کنترل می‌کند.
شیر کنترل ترمز معمولاً دارای حداقل حالت‌های زیر است: “آزادسازی” (Release)، “در حال حرکت” (Running)، “قطع” (Lap) و “ترمز فعال” (Brake On). ممکن است حالتی به نام “خنثی” یا “خاموش” نیز وجود داشته باشد که دریچه را قفل کرده و از مدار خارج می‌کند.
حالت “آزادسازی” (Release) مکنده را به لوله ترمز متصل کرده و مکنده را به سرعت کامل فعال می‌کند. این کار باعث افزایش سریع خلأ در لوله ترمز می‌شود تا ترمز آزاد شود.
در حالت “در حال حرکت” (Running)، مکنده با سرعت کم کار می‌کند. این حالت تضمین می‌کند که خلأ حفظ شود و در برابر نشتی‌های کوچک یا از دست رفتن فشار در لوله ترمز، اتصالات و شیلنگ‌ها مقابله کند.
حالت “قطع” (Lap) برای بستن اتصال بین مکنده و لوله ترمز استفاده می‌شود و باعث می‌شود که پس از اعمال ترمز، اتصال به هوا بسته شود. این حالت می‌تواند برای آزادسازی جزئی یا اعمال جزئی ترمز نیز استفاده شود، چیزی که در ترمز هوایی اولیه امکان‌پذیر نیست.
حالت “ترمز فعال” (Brake On) اتصال به مکنده را می‌بندد و هوا وارد لوله های ترمز می شود. خلأ کاهش می‌یابد.
برخی از شیرهای ترمز به موقعیت “اضطراری” مجهز هستند و عملکرد آن مشابه موقعیت “ترمز روشن” دارند، با این تفاوت که مقدار هوای وارد شده به داخل لوله ها بیشتر است و ترمز سریع‌تر اعمال شود.
یک ماشین دوار دو سرعته به قطار متصل می‌شود تا فشار هوای بیرون را از لوله ترمز، مخازن و سیلندرهای ترمز تخلیه کند و ترمز را آزاد کند. این دستگاه توسط شیر کنترل ترمز کنترل می‌شود.
در سرعت کامل، مکنده برای آزادسازی ترمز فعال می‌شود، و در سرعت پایین‌تر برای حفظ خلا در سطح مناسب در حین حرکت قطار استفاده می‌شود. مکنده‌ها معمولاً با یک موتور الکتریکی کار می‌کنند، اما می‌توانند مستقیماً از موتور دیزلی نیز تغذیه شوند.
لوله ترمز
لوله‌ای که حالت خلأ را در خود نگه می‌دارد و تغییرات فشار مورد نیاز برای کنترل ترمز را منتقل می‌کند لوله ترمز نام دارد.
این لوله از طریق شلنگ‌های انعطاف‌پذیر به ناوگان مختلف متصل می‌شود، که می‌توان آنها را از یکدیگر نیز جدا کرد.
استفاده از سیستم خلا باعث می‌شود که ترمز “امنیت کامل””fail safe” داشته باشد، یعنی از دست دادن خلا در لوله ترمز باعث اعمال ترمز خواهد شد.
اتصالات فرضی(Dummy coupling)
در انتهای هر ناوگان، یک نقطه اتصال فرضی فراهم شده است تا انتهای شلنگ‌های لوله ترمز را در هنگام جدا شدن ناوگان از یکدیگر مهر و موم کند. این اتصالات فرضی مهر و موم شده از خالی شدن حالت خلا در لوله ترمز جلوگیری می‌کند.
شلنگ‌های متصل کننده دو واگن
لوله ترمز از طریق شلنگ‌های انعطاف‌پذیر بین ناوگان کناری به یکدیگر متصل می‌شوند. شلنگ‌ها می‌توانند در انتهای خارجی قطار با اتصال به اتصالات فرضی مهر و موم شوند.
سیلندر ترمز
هر ناوگان حداقل دارای یک سیلندر ترمز است و گاهی دو یا چند سیلندر نیز نصب می‌شود. حرکت پیستون درون سیلندر از طریق اهرم‌بندی‌هایی به ترمزها اعمال می‌شود. این اهرم‌بندی‌ها، بلوک‌ها را به چرخ‌ها فشار می‌دهد.
در سیستم‌های ترمز خلأ، استفاده از ترمزهای دیسکی مشاهده نمی‌شود. پیستون درون سیلندر ترمز بر اساس تغییرات فشار خلا در لوله ترمز حرکت می‌کند. از دست دادن خلا باعث اعمال ترمز می‌شود و بازگرداندن خلا ترمزها را آزاد می‌کند.
مخزن خلا
عملکرد ترمز خلا به تفاوت فشار بین یک طرف پیستون سیلندر ترمز و طرف دیگر آن وابسته است. برای اطمینان از اینکه همیشه منبعی از خلا برای عمل کردن ترمز در دسترس باشد، مخزن خلا روی پیستون قرار داده شده است. در ساده‌ترین نسخه از این ترمز، سیلندر ترمز به طور یکپارچه با مخزن خلأ ترکیب می‌شود.
بلوک ترمز
این قطعه ماده‌ای اصطکاکی است که توسط حرکت رو به بالای پیستون سیلندر ترمز به سطح چرخ‌ها فشار داده می‌شود. بلوک‌های ترمز معمولاً از چدن یا مواد ترکیبی ساخته شدهاند و به عنوان اصلی‌ترین قسمت فرسایش‌پذیر در سیستم ترمز نیاز به بازرسی منظم دارند تا در صورت لزوم تعویض شوند.
اهرم‌بندی ترمزی
مجموعه اهرم‌بندی، حرکت پیستون سیلندر ترمز را به بلوک ترمز در هر چرخ منتقل می‌کند. اهرم‌بندی ترمزی پیچیده هستند، به‌ویژه در ناوگان مسافری که هر چرخ دارای دو بلوک ترمز است و در مجموع شانزده بلوک وجود دارد. تنظیم دقیق این اهرم‌بندی‌ها ضروری است تا همه بلوک‌ها که توسط یک سیلندر کار می‌کنند، به طور یکنواخت به هر چرخ فشار بیاورند. در صورت تعویض یک بلوک باید همه بلوک‌ها روی آن محور بررسی و تنظیم شوند.
شیر توپی
شیر توپی برای اطمینان از حفظ خلأ در مخزن خلأ در سطح مورد نیاز طراحی شده است، شیر ارتباط با لوله ترمز را در زمان اعمال ترمز قطع می‌کند تا اختلاف فشار بین دو طرف پیستون سیلندر ترمز ایجاد شود.
نحوه عملکرد این سیستم
آزادسازی ترمز
شکل زیر وضعیت سیلندر ترمز، شیر توپی و مخزن خلأ را در حالت آزادسازی نشان می‌دهد. پیستون در پایین سیلندر ترمز قرار دارد. دقت کنید که قسمت بالای سیلندر ترمز باز است، به طوری که به مخزن خلأ مستقیم متصل است.
در سیستم ترمز خلأ، لوله ترمز، مخزن خلأ و بخش زیر پیستون در سیلندر ترمز در وضعیت خلأ قرار دارند. با حذف فشار هوا از سیستم، شیر توپی باز می‌شود و اتصال بین مخزن خلأ و لوله ترمز برقرار می‌شود. وقتی پیستون به پایین‌ترین نقطه در سیلندر ترمز می‌رسد، بلوک‌های ترمز از چرخ‌ها جدا شده و ترمز آزاد می‌شود.
اعمال ترمز
شکل زیر، وضعیت سیلندر ترمز، شیر توپی و مخزن خلأ را در حالت اعمال ترمز نشان می‌دهد. با ورود فشار هوا به لوله ترمز، خلأ کاهش یافته. این باعث می‌شود که پیستون به سمت بالا حرکت کند.
با اتصال به اهرم‌بندی(اتصالات) ترمز، حرکت رو به بالای پیستون موجب شده است که فشار بلوک‌های ترمز به چرخ‌ها اعمال شوند.
حرکت پیستون در سیلندر ترمز بر اساس تفاوت فشار بین قسمت زیرین و بالای پیستون انجام می‌شود. در زمان اعمال ترمز، خلأ در لوله ترمز با ورود هوا از محیط به داخل سیستم کاهش می‌یابد.
زمانی که هوا به زیر شیر توپی زده شود، توپک قرمز رنگ (در تصویر بالا) به سمت بالا حرکت کرده و اتصال به مخزن خلأ را می‌بندد. این کار باعث می‌شود که خلاء در مخزن حفظ شده و کاهش نیابد. هم‌زمان، هوای وارد شده به قسمت زیرین سیلندر ترمز باعث ایجاد اختلاف فشار نسبت به فشار بالای پیستون می‌شود. این اختلاف فشار پیستون را به سمت بالا حرکت می‌دهد و ترمزها فعال می‌شوند.
ویژگی‌های ترمز خلاء
شتاب‌دهنده‌ها
ترمز خلأ یک مزیت بزرگ نسبت به سیستم ترمز هوایی دارد: این سیستم قادر به آزادسازی ترمز به صورت جزئی است، در حالی که اولین نوع ترمز هوایی چنین قابلیتی ندارد.
با این حال، در قطارهایی با تعداد واگن زیاد ترمز خلأ کندتر از ترمز هوایی عمل می‌کند. به همین دلیل، استفاده از شیرهای شتاب‌دهنده برای افزایش سرعت عملکرد در هر ناوگان مرسوم شده است. شیر شتاب‌دهنده روی هر ناوگان بین لوله ترمز و سیلندر ترمز نصب می‌شود. این شیر، افت خلأ را هنگامی که فشار در لوله ترمز افزایش می‌یابد تشخیص داده و لوله را به هوای بیرون باز می‌کند. این کار باعث می‌شود، حالت خلأ سریع‌تر کاهش یابد و در نتیجه سرعت کاهش حالت خلأ در طول لوله ترمز افزایش یابد.
در نسخه‌های پیشرفته‌تر روی قطارهای برقی، شیرهای شتاب‌دهنده به صورت الکتریکی و توسط حرکت شیر کنترل ترمز به حالت “ترمز فعال” کنترل می‌شوند.
سیستم‌های دو لوله‌ای
شکل زیر نسخه‌ای دیگر از ترمز خلاء با استفاده از سیستم دو لوله‌ی ترمز را نشان می‌دهد.
لوله ترمز معمولی به روش سنتی عمل می‌کند، اما لوله دوم به منظور فراهم کردن یک منبع اضافی برای تسریع آزادسازی ترمز به کار گرفته شده است. لوله دوم به عنوان لوله مخزن شناخته می‌شود و در اینجا با رنگ خاکستری نشان داده شده است.
این سیستم دو لوله‌ای برای ناوگان دیزلی معرفی شدهاند، جایی که مکنده به طور مستقیم از موتور دیزلی تغذیه می‌شود.
وقتی قطار در حالت توقف است، موتور در حالت درجا (idle) کار می‌کند، مکنده نیز فقط با سرعت کم کار می‌کند. این به معنای کند بودن بازیابی خلأ در لوله ترمز و سیلندرها است. بنابراین، برای تسریع آزادسازی ترمز هنگام شروع حرکت قطار، یک مخزن خلأ بالا هر واگن نصب می‌شود. این مخزن‌ها از طریق لوله‌ای به نام لوله مخزن تغذیه می‌شوند. خلأ این مخزن‌ها 28 اینچ جیوه (Hg) است، در حالی که خلأ لوله ترمز و سیلندرهای ترمز 21Hg است.
در حین حرکت قطار، وقتی شیر کنترل ترمز در حالت “در حال حرکت” قرار دارد، مکنده به لوله مخزن و از طریق شیر کنترل ترمز به لوله ترمز متصل است. یک شیر تغذیه خودکار بین لوله مخزن و شیر کنترا ترمز نصب شده است که خلأ حداکثر 21Hg را به شیر ترمز راننده محدود می‌کند. این به معنای محدود شدن خلأ در لوله ترمز و سیلندرها به 21Hg است. با این حال، خلأ ایجاد شده توسط مکنده در مخزن و مخازن خلأ بالا به 28Hg می‌رسد، همان‌طور که در شکل با رنگ خاکستری نشان داده شده است.
برای اعمال ترمز، راننده حالت “ترمز فعال” را انتخاب کرده است و لوله ترمز را در شیر ترمز به هوای بیرون باز می‌کند. مکنده همچنان خلأ 28Hg را در مخزن حفظ می‌کند. وقتی شیر ترمز در حالت “ترمز فعال” است، اتصال به شیر تغذیه بسته می‌شود. با حرکت دسته به حالت “Lap” قطع می‌توان اعمال جزئی ترمز را انجام داد.
برای آزادسازی ترمز، شیر به حالت “در حال حرکت” منتقل می‌شود. هیچ حالت “آزادسازی” مستقلی وجود ندارد. به محض انتخاب حالت “درحال حرکت”، اتصال به هوای بیرون بسته شده و اتصال به شیر تغذیه و مکنده باز می‌شود تا خلأ بازیابی شود. با وجود ذخیره خلأ بالا در لوله مخزن و مخازن، این فرآیند سرعت گرفته و آزادسازی ترمز به سرعت انجام می‌شود.
هر مخزن دارای یک شیر ایزوله خودکار بین خود و لوله ترمز دارد. این شیر روی 19Hg تنظیم می‌شود و در صورتی که خلأ در مخزن به زیر این سطح برسد، بسته می‌شود. این کار از خالی شدن مخزن جلوگیری می‌کند. حجم مخزن به گونه‌ای است که می‌تواند برای چندین بار اعمال و آزادسازی ترمز، حالت خلأ را حفظ کند تا زمانی که به زیر 19Hg برسد.
مخزن تعدیل‌کننده (Equalising Reservoir)
یکی از مشکلات سیستم‌های ترمز هوایی و خلأ این است که شیر کنترل ترمز در انتها یک لوله‌ای بلند قرار دارد. اگر اعمال جزئی ترمز در قطاری طولانی نیاز باشد، مهارت زیادی لازم است تا بتوان میزان دقیق هوای ورودی (یا خروجی در قطارهای با ترمز هوایی) را تنظیم کرد و ترمز دلخواه را اعمال کرد.
برای کمک به تنظیم دقیق سطح ترمز، برخی از سیستم‌های ترمز خلأ به یک مخزن تعدیل‌کننده مجهز می‌شوند. این مخزن بین شیر کنترل ترمز و لوله ترمز نصب شده و در ارتباط با یک شیر رله یا “شیر ورود هوا” عمل می‌کند.
هنگامی که راننده شیر ترمز را در حالت “ترمز فعال” قرار می‌دهد، هوا به مخزن تعدیل‌کننده وارد می‌شود (مستقیماً به لوله ترمز وارد نمی‌شود). راننده با استفاده از گیج موجود در کابین، کاهش خلأ را پایش می‌کند. کاهش خلأ باعث می‌شود که شیر ورود هوای لوله ترمز را به هوای بیرون باز کند.
هنگامی که سطح خلاء در لوله ترمز به سطح تنظیم شده در مخزن تعدیل‌کننده برسد، شیر ورود هوا بسته می‌شود تا خلاء لوله ترمز را در همان سطح نگه دارد.
مزیت اصلی سیستم تعدیل‌کننده
با استفاده از حجم کوچک مخزن تعدیل‌کننده این امکان به راهبر داده می‌شود تا سطح ترمز را به سرعت انتخاب کند.
تجهیزات دیگر با کارکرد خلأ
در قطارهای با ترمز هوایی(پنوماتیکی)، هوای فشرده علاوه بر ترمز، برای انجام برخی وظایف دیگر مانند باز و بسته کردن درها، بوق‌ها، تجهیزات کششی، بالابر پنجره‌ها و شن‌پاش‌ها نیز استفاده می‌شود. در قطارهایی که به سیستم ترمز خلأ مجهز هستند، برخی از این دستگاه‌ها با استفاده از خلأ عمل می‌کنند. برخی از قطارهای برقی با ترمز خلأ به دستگاه‌هایی مانند بالابرهای پنجره با خلأ، بوق‌های هشداردهنده و شن‌پاش‌های ریلی مجهز شدهاند.
نتیجه‌گیری
در این مقاله درمورد ترمز خلأ و نحوه کارکرد و سیستم و اجزاء آن مورد بررسی قرار گرفت.
ابن سیستم مزیت های مناسبی نسبت به سیستم پنوماتیکی معمول در ایران دارد که می‌توان آن را در ایران نیز به کار برد.
