بررسی کامل و جامع سیستم ترمزی قطار

کنترل P-Wire

فرم کوتاه “کنترل ترمز پهنای پالس” (Pulse Width Modulation). یک نوع کنترل ترمز الکترو-پنوماتیکی.

ترمز پارکینگ

ابزاری که با آن می‌توان یک وسیله نقلیه بدون سرنشین یا بدون نیروی محرکه را در برابر حرکت ناخواسته، ایمن کرد. معمولا شامل یک ترمز اصطکاکی با عمل دستی است که به روی سطح لاستیک چرخ یا دیسک اعمال می‌شود. برخی از توسعه‌های اخیر شامل ترمز پارکینگ فنری است که با فشار هوای ترمز رها می‌شود، و سیستم‌های پنوماتیکی.

ترمزهای قفل شده

اصطلاحی که در دوران حمل و نقل باری با استفاده از واگن‌های باری که برخی یا تمام آن‌ها ترمز پیوسته نداشتند و فقط ترمز دستی داشتند، استفاده می‌شد. ترمز دستی با یک اهرم در خارج از واگن عمل می‌کرد و در وضعیت اعمال، با یک پین در سوراخی، قفل می‌شد. قطارهای باری که قصد داشتند از یک شیب پایین بیایند، متوقف می‌شدند و نگهبان برخی از واگن‌ها را با “ترمزهای قفل شده” کنترل می‌کرد. در انتهای شیب، قطار دوباره متوقف می‌شد و ترمزها به صورت دستی رها می‌شدند.

نرخ انتشار

نرخ تغییرات فشار هوا که توسط عمل شیر ترمز راننده در لوله ترمز آغاز می‌شود و در طول لوله ترمز حرکت می‌کند. به دلیل اینکه زمان لازم است تا کاهش (یا افزایش) فشار در طول لوله ترمز حرکت کند، ترمز در زمان‌های مختلف در واگن‌های مختلف اعمال (یا رها) می‌شود. این امر بر کنترل قطار تأثیر می‌گذارد و می‌تواند باعث فشردگی یا کشش واگن‌ها شده و فشار اضافی به کوپلینگ‌ها، به ویژه در قطارهای طولانی و سنگین، وارد کند. راننده یک قطار باری سنگین باید مهارت لازم را داشته باشد تا اطمینان حاصل کند که عمل ترمز باعث جدا شدن یا حتی خروج از ریل قطار نمی‌شود.

ترمز بازیافتی

سیستم ترمز مورد استفاده در لوکوموتیو‌ها و قطارهای مجهز به موتورهای کششی الکتریکی که موتورها به ژنراتور تبدیل می‌شوند و جریان تولید شده به خطوط هوایی یا ریل سوم برای استفاده توسط قطارهای دیگر یا بازگشت به تأمین‌کننده، تغذیه می‌شود.

نگهدارنده (Retainer)

یک شیر دستی که روی بسیاری از واگن‌های باری در آمریکا نصب شده است تا فشار هوا در سیلندرهای ترمز را حتی بعد از آزاد شدن ترمز توسط راننده، در حد حداقل نگهداری کند. معمولاً وقتی ترمزها آزاد می‌شوند، تمام هوای موجود در سیلندرهای ترمز به طور کامل تخلیه می‌شود. با تنظیم شیر نگهدارنده، مقداری از فشار هوا حفظ می‌شود (از این رو نام نگهدارنده).

برای مثال، اگر این شیر روی 10 psi تنظیم شده باشد، فشار داخل سیلندرهای ترمز تا زمانی که نگهدارنده مجدد تنظیم شود یا هوا به آرامی نشت کند، کمتر از 10 psi نخواهد شد. معمولاً چند واگن در انتهای قطار توسط راهنما (کنترل کننده) دارای نگهدارنده های تنظیم شده هستند. کتابچه های قوانین تعداد نگهدارنده های قابل تنظیم قبل از شروع به حرکت نزولی را مشخص می‌کنند.

دو نوع شیر نگهدارنده وجود دارد: سه حالته و چهار حالته. حالت‌های عملیاتی این شیرها به شرح زیر است:

• EX-Exhaust: حالت عادی، هوا را حفظ نمی کند.
• HP-High Pressure: فشار بالا، 20psi هوا را حفظ می‌کند.
• SD-Slow Direct Exhaust: هوا را حفظ نمی کند، اما هوا را کندتر از حالت عادی تخلیه می‌کند.
• LP-Low Pressure: فشار پایین، 10psi هوا را حفظ می‌کند، فقط در شیر نگهدارنده چهار حالته موجود است.

اگر در یک شیب توقف می‌کنید و برای شارژ مجدد سیستم نیاز به آزاد کردن ترمزهای هوا دارید، قبل از آزاد کردن ترمزهای هوا باید تعداد کافی ترمز دستی را برای نگه داشتن قطار فعال کنید، به خصوص اگر از توانایی ترمز لوکوموتیو برای نگه داشتن قطار در شیب مطمئن نیستید. ممکن است در شرایط خاص، نیاز باشد که همه ترمزهای دستی قطار فعال شوند. بعد از تنظیم ترمزهای دستی، می‌توانید ترمزهای هوا را آزاد کرده و سیستم را شارژ کنید.

اگر سعی کنید فقط از ترمز لوکوموتیو برای نگه داشتن قطار در شیب استفاده کنید و به اندازه کافی قوی نباشند، ممکن است هوای کافی برای متوقف کردن قطار مجدد نداشته باشید.

ترمز رئوستاتیک (Rheostatic Braking)

این نوع ترمز در لوکوموتیوها و قطارهایی که با موتورهای کشش الکتریکی تجهیز شده‌اند، استفاده می‌شود. در این سیستم، موتورها به عنوان ژنراتور عمل می‌کنند و جریان الکتریکی تولید شده به شبکه‌های مقاومت داخلی منتقل می‌شود. این انرژی الکتریکی به گرما تبدیل شده و در شبکه‌های مقاومت تلف می‌شود. بعضی از این شبکه‌ها برای خنک شدن سریع، به تهویه اجباری نیاز دارند. ترمز رئوستاتیک برای لوکوموتیوهای دیزل-الکتریکی که قطارهای سنگین باری را در شیب‌های طولانی به پایین می‌کشند، بسیار مفید است.

شیر ترمز خود تنظیم (Self-Lapping Brake Valve)

نوعی شیر ترمز راننده که در آن موقعیت دستگیره عمل کننده شیر بین “ترمز خاموش” و “کاربرد کامل” میزان یا سطح فشار ترمز را تعیین می‌کند. این نوع شیر ترمز را می‌توان در برخی از قطارهای مجهز به ترمز هوا یا ترمز E-P مشاهده کرد.

تنظیم کننده بازی (Slack Adjuster)

اکثر وسایل نقلیه ریلی مدرن دارای سیلندرهای ترمز مجهز به تنظیم کننده بازی هستند. تنظیم کننده بازی به طور خودکار برای پوشیدگی لنت یا بلوک ترمز در حین ترمزگیری جبران می‌کند. این سیستم معمولاً با نوعی سیستم قرقره که به طور داخلی یا به عنوان بخشی از مجموعه سیلندر ترمز نصب می‌شود، کار می‌کند.

کنترل لغزش/سر خوردن (Slip/Slide Control)

یکی از مهمترین عوامل در عملکرد قطار، رابط بین چرخ و ریل است. این رابط به چسبندگی بین سطح فولادی آج چرخ و سطح فولادی سر ریل وابسته است. این رابطه به عنوان ضریب اصطکاک تعریف می‌شود. در یک روز خشک، این ضریب حدود 0.3 است، در یک روز مرطوب 0.2 با ریل‌های تمیز است.

برای ترمزگیری عادی، ضریب 0.1 مجاز است و 50% آن به عنوان حاشیه ایمنی برای جلوگیری از عبور از حد مجاز اضافه می‌شود. مقادیر کمتر از 0.05 در شرایطی رخ می‌دهد که سر ریل توسط برگ یا یخ آلوده شده است.

اعداد ضریب اصطکاک به شرایطی مربوط می‌شوند که هیچ لغزشی بین چرخ و ریل وجود ندارد. آزمایش‌ها نشان داده است که اگر چرخ‌ها در حین ترمزگیری بلغزند، فاصله ترمزگیری به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد. برای راننده هیچ چیز بدتر از این نیست که ترمز را فشار دهد و سپس ببیند که سرعت‌سنج به طور ناگهانی به صفر می‌رسد. او می‌داند که در جای درست متوقف نخواهد شد. همچنین به چرخ آسیب می‌رسد، که به آن صافی (flats) می‌گویند.

تشخیص

برای کاهش احتمال ترمز بیش از حد، بسیاری از لوکوموتیو ها و قطارهای متعدد به سیستم های کنترل لغزش/سر خوردن چرخ مجهز شده اند. متداول ترین این سیستم ها مانند سیستم ABS (سیستم ترمز اتوماتیک) در خودروها عمل می کند. سیستم های ریلی معمولاً چرخش هر محور را کنترل می کنند و سرعت چرخش را بین جفت محور ها مقایسه می کنند. اگر در حین ترمز، تفاوت بین دو محور مشاهده شود، ترمز روی آن محور ها آزاد می شود تا سرعت ها یکسان شوند و سپس ترمز دوباره اعمال می شود. تمام این مراحل به طور خودکار انجام می شود. سیستم های مدرن همچنین شتاب بیش از حد یک محور را تشخیص می دهند.

نوع دیگری از تشخیص لغزش/سر خوردن از تکنیک های رادار Doppler استفاده می کند. این سیستم سرعت زمینی لوکوموتیو را در مقابل چرخش هر مجموعه چرخ اندازه گیری می کند و از تشخیص تفاوت برای تنظیم سیستم های کنترل استفاده می کند.

عملکرد

هدف از سیستم محافظت از لغزش چرخ، کاهش آسیب به چرخ ها است. اگر کسی بگوید که این سیستم اجازه می دهد تا قطار در فاصله ترمز عادی برای یک درجه مشخص از کاربرد، به طور ایمن متوقف شود، اشتباه می کند. کنترل لغزش/سر خوردن می تواند ترمز را در حدود 10 تا 20 درصد از بهترین چسبندگی موجود تنظیم کند. با این حال، در عمل، تأثیر شرایط بد ریل فاصله ترمز واقعی را بیش از آنچه که به طور معمول با شرایط ریل خوب لازم است، طولانی تر می کند. برای راننده، این باعث می شود که فاصله ترمز او طولانی تر شود، زیرا او معمولاً بر اساس موقعیت ترمز می گیرد نه بر اساس سرعت.

یک بخش از خط که راننده از آن عبور می کند، اغلب به او اجازه می دهد که در طول زمان تعیین کند که بهترین نقطه برای شروع ترمز به منظور توقف در یک نقطه مانند ایستگاه در یک موقعیت خاص، با استفاده از یک نقطه عطف (مثل درخت، پست علامت، پل یا چیز مشابه) کجاست. این فرض می کند که سرعت قطار هر بار که از این نقطه عبور می کند، یکسان است.

مفهوم نظری برای کنترل لغزش/سر خوردن فقط در صورتی معتبر است که راننده از قبل بداند که چسبندگی ریل چرخ کاهش یافته و در پیش از نقطه شروع ترمز معمول، ترمز را به طور عادی اعمال کند. به دلیل چسبندگی کاهش یافته، اعمال عادی سیستم کنترل لغزش چرخ را فعال می کند و به جای توقف کوتاه تر از موقعیت صحیح (همانطور که در ریل خشک انجام می داد)، قطار تحت کنترل سیستم محافظت از لغزش چرخ در موقعیت صحیح توقف خواهد کرد.

ATO

کنترل لغزش چرخ در هنگام استفاده در سیستم عملکرد قطار اتوماتیک (ATO) محدودیت های بیشتری دارد. در خطوط حومه شهری، متروها و زیرزمینی ها، که بسیاری از آنها از سیستم های ATO استفاده می کنند، ترمز سریع برای کاهش فاصله زمان لازم برای عبور قطارها (headway) ضروری است و سیستم کنترل قطار به گونه ای طراحی شده است که این کار را انجام دهد. برای اینکه لغزش چرخ به طور خودکار کنترل شود و فاصله ترمز ایمن رعایت شود، نیاز به سیستم های تشخیص بسیار پیچیده برای هشدار به ATO در مورد چسبندگی ضعیف است. چند سال پیش، یک حادثه در سیستم مترو واشنگتن به دلیل سر خوردن قطار روی ریل های یخی در حین ترمز به سمت یک ایستگاه، عدم توقف در فاصله صحیح و برخورد به یک قطار پارک شده در انتهای ایستگاه، اتفاق افتاد. اکثر سیستم های ATO که در خطوط باز استفاده می شوند، حاشیه های اضافی را در کنترل ترمز برای جبران چسبندگی ضعیف در نظر می گیرند.

در بسیاری از موارد، کنترل لغزش چرخ با کنترل سر خوردن چرخ ترکیب می شود. سر خوردن چرخ در هنگام شتاب رخ می دهد و بنابراین بخشی از سیستم ترمز نیست. با این حال، با کنترل خزش به طور قابل توجهی پیشرفت کرده است و شروع به کار با حداقل آسیب به تجهیزات ممکن است.

ترمز پارکینگ با فنر اعمال شده

سیستمی برای اعمال اتوماتیک ترمز پارکینگ به یک وسیله نقلیه زمانی که فشار ترمز هوا اتوماتیک در دسترس نیست. ترمز پارکینگ به صورت دستی ممکن است توسط خدمه فراموش شود. فراموش کردن اعمال (یا به اندازه کافی اعمال نکردن) آنها هنگام توقف یک قطار یا فراموش کردن آزادسازی آنها قبل از حرکت یک قطار. دومی یک مشکل رایج است که باعث کشیده شدن چرخ ها و آسیب دیدن آنها توسط فرسودگی می شود. ترمز پارکینگ با فنر اعمال شده تلاش می کند تا این مشکلات را برطرف کند.

اصل عملکرد: این ترمز توسط فشار هوا نگه داشته می شود و با افت فشار، توسط فنر فعال می شود. این عملکرد در خلاف جهت ترمز هوا عمل می کند. همچنین سیستم های ترمز دستی با فنر قابل فعال شدن از راه دور وجود دارند که می توانند توسط یک دکمه در کابین راننده فعال شوند. دلیل نیاز به این پیچیدگی برای من مشخص نیست، اما برخی از ادارات راه آهن به آن اصرار دارند.

ترمز هوا مستقیم

 یک ترمز ساده با هوای فشرده که تنها برای استفاده در لوکوموتیو طراحی شده است. این سیستم از یک منبع هوای فشرده (کمپرسور)، یک شیر ترمز راننده و اتصالات به سیلندرهای ترمز تشکیل شده است. برخلاف ترمزهای اتوماتیک قطار، هیچ ویژگی ایمنی خودکار در این سیستم وجود ندارد. شیر ترمز هوا مستقیم راننده معمولاً جدا از شیر ترمز قطار نصب شده و مستقل از آن عمل می کند. با این حال، استفاده از ترمز قطار باعث فعال شدن ترمزهای لوکوموتیو می شود، مگر اینکه راننده از یک ویژگی جداکننده خاص استفاده کند.

ترمز قطار

در اوایل قرن نوزدهم، تلاش های مختلفی برای دور شدن از ترمزهای دستی برای هر واگن و ایجاد یک سیستم ترمز برای کل قطار با یک نقطه کنترل انجام شد. یک طرح در سال ۱۸۴۰ از زنجیری استفاده می کرد که در طول قطار تا محل نگهبان در انتهای قطار امتداد داشت و به دور یک طبل پیچیده می شد. برای فعال شدن ترمز، طبل تا زمانی که به یک محور برخورد می کرد پایین می آمد و باعث چرخش آن و سفت شدن زنجیر می شد. اهرم هایی که به زنجیر متصل بودند، ترمزها را فعال می کردند. اما تغییرات این ایده همه از مشکل شکستگی و اثرات زنجیر ترمز ناشی از فشرده شدن کوپلینگ ها بین واگن ها رنج می بردند.

علاوه بر این، با توسعه راه آهن در اواسط قرن نوزدهم، چندین تصادف به دلیل جدا شدن قطار (جدا شدن واگن ها) یا عدم توقف کامل قطار رخ داد. گاهی اوقات، قطارهای جدا شده از شيب سرازیری به سمت پایین حرکت می کردند و با قطار بعدی برخورد می کردند یا قطارها از هم جدا می شدند و نیمه دوم پس از توقف نیمه اول توسط خدمه به دلیل متوجه شدن جدا شدن، به نیمه اول برخورد می کردند.

به نوعی حفاظت در برابر این مشکلات نیاز بود و ایده های مختلفی برای ایجاد ترمز در هر واگن (به اصطلاح ترمزهای پیوسته) و کنترل آنها از لوکوموتیو ارائه شد. روش های مختلفی از جمله طناب، زنجیر و لوله هایی که در طول قطار امتداد داشتند، امتحان شدند تا اینکه در سال ۱۸۷۵ در نیوآرک، لينکولنشاير در بریتانیا، مسابقه ای برای یافتن بهترین راه حل عملی برگزار شد.

خط قطار

 در انگلیسی بریتانیایی، به هر کابل یا خطی گفته می شود که در طول یک قطار برای اهداف کنترل یا تامین برق امتداد دارد. اصطلاح خط قطار گاهی در ایالات متحده و در متروی لندن برای نشان دادن لوله ترمز به کار می رود.

ترمز لبه چرخ: نوع سنتی ترمز چرخ که از یک بلوک مواد اصطکاکی (که می تواند از چدن، چوب یا در حال حاضر مواد ترکیبی باشد) که از یک اهرم آویزان شده و توسط فشار هوا (در ترمز هوا) یا فشار اتمسفر در مورد ترمز خلاء، به لبه چرخ فشار داده می شود. اکنون سیستم ترجیحی ترمز دیسکی است که با جایگزینی ترمز لبه چرخ، یکی از دلایل سایش لبه چرخ ها را از بین می برد، اگرچه عمل سایش آن را نیز حذف می کند که به طور کلی خطر لغزش چرخ ها را کاهش می داد.

شیر سه قلو

شیر کنترل اصلی که روی هر واگن مجهز به ترمز هوا نصب می شود. به این نام خوانده می شود زیرا سه عملکرد دارد: فعال کردن ترمز، حفظ سطح ثابت ترمز و رها کردن و شارژ مجدد سیستم ترمز. همچنین سه اتصال نیز دارد: به لوله ترمز، به سیلندر ترمز و به مخزن کمکی.

نسخه های بعدی شیر سه راه اصلی، “عملکرد سریع” را در هنگام ترمز اضطراری یا تخلیه سریع هوا از لوله ترمز به کار می گرفتند. توسعه های اخیر منجر به جایگزینی شیرهای فلزی اصلی با دیافراگم های انعطاف پذیر و اضافه شدن ویژگی های اضافی مانند “رها کردن سریع”، “رها کردن تدریجی” و اتصال به مخازن اضطراری شده است.

عملکرد شیر سه قلو

شیر سه قلو با تشخیص تفاوت فشار هوا بین لوله ترمز، سیلندر ترمز و مخزن کمکی عمل می‌کند.