Tågbroms
Från Rilpedia
Texten från svenska Wikipedia
Tågbroms är en anordning för att sänka hastigheten hos ett tåg eller förhindra att ett tåg kommer i rullning.
Innehåll |
Bakgrund
Ett järnvägståg har egenskaper som ställer särskilda krav på dess bromssystem.
- Rörelseenergin hos ett tåg är hög. Bromsning av ett tåg är en omvandling av rörelseenergi till värmeenergi eller elenergi. Rörelseenergin ökar linjärt med vikten (m) och med kvadraten på hastigheten (v) (
). Se kinetisk energi. Man kan då observera:
- Ett tåg är tungt. Ett godståg med 30 vagnar kan väga 2400 ton. Även tomma vagnar är tunga därför att de måste dimensioneras för att klara dels de stora drag / tryckkrafterna mellan vagnarna och dels skydda passagerare och farligt gods när efterföljande vagnar trycks in i urspårade vagnar vid olyckor. En modern passagerarvagn väger 500 - 1000 kg/sittplats.
- Ett tåg kan gå fort och har därför mycket stor rörelseenergi. Ett tåg i 200km/t har 16 gånger högre energi än ett i 50 km/t.
- Friktionen mellan hjulen och rälsen är låg. Den möjliga bromskraften är adhesionsvikten gånger friktionskoefficienten som är ca 0,1. En vanlig vikt är 10 ton vid STAX 20 vilket ger endast ett tons bromskraft för ett hjul. Det är därför helt nödvändigt att nästan alla hjul i tåget kan bromsas. Friktionskoefficienten 0,1 ger maximal bromskraft 0,1 g, dvs knappt 1 m/s² (3,5 km/h/s) om alla hjul bromsas.
- Självsvängningar i kopplen mellan vagnarna kan uppstå i långa tåg om inbromsningen ej sker samtidigt för alla vagnar. Om vagnarna i slutet börjar bromsa senare kan extrema stötar och ryck uppstå när buffertfjädrarna slår i botten.
- Viktskillnaden mellan en tom och en full godsvagn är stor. Det gör att hjulen kan låsa sig på lätta vagnar. Det har även hänt att lätta vagnar i början av ett tåg har lyfts av spåret när efterföljande tunga vagnar tryckt på.
- Tillförlitligheten hos bromssystemet måste vara hög eftersom konsekvenserna vid en olycka är så stora. Vid fel bör tåget bromsas automatiskt. Om t.ex. ett koppel brister måste de tappade vagnarna automatiskt bromsas. I Sverige måste även problem med isbildning på bromsutrustningen bemästras.
Tryckluftsystem för tågbromsning
Amerikanen George Westinghouse fick redan 1872 patent på ett bromssystem som skulle komma att utgöra grund för alla tågbromsar. Hans idé löste de flesta problemen man dittills haft med att bromsa tåg. Uppfinningen byggde på tryckluft för att reglera bromsningen av alla vagnar i ett tåg. Nyckeln i systemet var en styrventil med ett referensutrymme och en kompressortank eller förrådslutbehållare som monteras i varje vagn. Systemet fungerar enligt följande:
- Genom hela tåget går en huvudledning. Lok och alla vagnar har ett genomgående rör med en ventil (rödmålad) och en slang i varje ända. Slangarna kopplas ihop (två nävar) och alla ventiler öppnas utom längst bak och längst fram i tåget.
- På loket finns en kompressor som ständigt håller en huvudbehållare (kompressortank i figuren) full med luft med trycket 800-1000 kPa (8-10 bar).
- Från huvudbehållaren går ett rör till förarens tågbromsventil (bromsregulator i figuren). När bromsen ej är tillsatt så leder tågbromsventilen tryckreducerad luft vidare ut i tågets huvudledning och styrventilens referensutrymme som får trycket 500 kPa.
- På varje vagn finns en styrventil (reglerventil i figuren) ansluten till huvudledningen. Styrventilen har ett membran som vid tryckskillnader kan förskjuta en ventilkolv.
- På varje vagn finns även en förrådsluftbehållare (trycktank i figuren) som står i förbindelse med styrventilen och som kan ackumulera bromskraft i vagnen. Styrventilens membran har på ena sidan huvudledningens tryck och på den andra sidan referensutrymmets tryck.
- Om referensutrymmet har lägre tryck än huvudledningen drar membranet ventilkolven så att den öppnar en förbindelse mellan huvudledningen och förrådsluftbehållaren. Denna börjar då fyllas från huvudledningen.
- När trycktanken är full blir trycket lika på membranets bägge sidor. Ventilkolven återgår då till mittläget och stänger förbindelsen mellan huvudledningen och förrådsluftbehållaren, som då har 500 kPa.
- När föraren bromsar öppnar tågbromsventilen lite mot den omgivande luften samtidigt som förbindelsen mot huvudbehållaren stängs. Trycket i huvudledningen sjunker då. Sänkningen sker gradvis ända ner till 350 kPa, vilket motsvarar full bromsning.
- På varje vagn kommer då trycket i huvudledningen att bli lägre än i referensutrymmet. Därvid rör sig membranet åt andra hållet och ventilkolven öppnar en förbindelse mellan förrådsluftbehållarna och en bromscylinder som fylls med luft. Bromscylinderns kolv pressas därvid mot en länkarm, som i sin tur, via drag- och tryckstänger, sätter an bromsblocken mot alla hjul på vagnen med en kraft som motsvaras av det sänkta trycket i huvudledningen.
- När föraren släpper bromsen på sin tågbromsventil, så kommer trycket att åter ökas i huvudledningen. Membranet går då åt andra hållet. Luften släpps ur bromscylindern och trycktanken börjar åter att fyllas till 500 kPa.
Systemet gör att bromsning sker när trycket sänks i huvudledningen. Föraren har framför sid en manometer och kan enkelt reglera bromskraften mellan 500 och 350 kPa och alla hjul bromsas på tåget. Om ett koppel brister så faller trycket på de tappade vagnarna och dessa kommer att bromsas automatiskt.
Westinghouse förbättrade sedan systemet:
- Ytterligare en trycktank reserverad för nödbromsning placerades på varje vagn och fylldes på samma sätt till 500 kPa.
- När trycket i huvudledningen snabbt går under 350 kPa så öppnas en förbindelse mellan nödbromstanken och bromscylindern. När föraren behöver nödbromsa så öppnas tågbromsventilen helt så att trycket i huvudledningen faller ännu snabbare. En kraftig nödbromsning till stopp sker.
- I passagerarvagnar monterades nödbromsventiler, så att även en passagerare kunde nödbromsa tåget.
En annan praktisk funktion blev en avstängningsventil, som gör att man vid rangering av godsvagnar kan förhindra att vagnarna bromsas när bromsslangarnas nävar inte är hopkopplade.
Systemet hade dock tre nackdelar:
- Efter en bromsning tar det en viss tid för förrådsluftsbehållarna att fyllas i alla vagnar. det gör att det kan ta lång tid innan bromsen släpper (trycket = 500 kPa). Om föraren dessförinnan behöver bromsa igen så kan det hända att trycken i behållarna är för låga och ger låg bromskraft.
- Vid bromsning tar det en viss tid för trycksänkningen att fortplanta sig genom hela tåget. Fortplantningshastigheten är knappt 1 sekund per vagn. Det gör att sista vagnen i ett längre tåg bromsas ½ minut senare än den första vagnen. Effekten blir att buffertarna trycks ihop så att en stöt och ett ryck uppstår genom tågets kopplingar. Vissa förare drar på under bromsningen för att motverka detta med följd att bromssträckan fördröjs.
- Det är svårt att reglera släppningen av bromsen.
Detta har lett till ytterligare förbättringar senare.
Bromstyper
- Bromsblock är den enklaste tekniken för att bromsa tåg. En gjutjärnsklots trycks mot hjulets slitbana. Friktionen är nästan lika låg som mellan hjul och räls. Trycket måste därför vara lika stort som hjulets tryck mot rälsen för att låsa hjulet. Trycket skapas av ett sinnrikt system av länkarmar, dragstänger och tryckstänger, som fortplantar bromskolvens rörelse till alla bromsblock. Genom att göra hävarmarna på länkarna av rätt längder kan bromskraften ytterligare förstärkas. Tekniken möjliggör dessutom en enkel installation av en handbroms som mekaniskt påverkar länksystemet och låser stillastående vagnar. Bromsblockstekniken har nackdelen att dels gnissla (självsvängningar) och dels nöta på hjulens slitbana. På moderna tåg med passiv och aktiv axelstyrning (se Gångegenskaper) kan inte bromsblock användas, eftersom axlarna är rörliga i horisontalplanet.
- Skivbromsar är den effektivaste tekniken att med friktion bromsa en rotation. Dels kan bromsbelägg med högre friktion (ca 0,4) och hög värmetålighet användas. Dels kan värmen förhållandevis lätt ledas bort genom att skivorna dubbleras med ventilerande skovlar emellan. Skivorna är antingen placerade på hjulen som hos Rc-loken eller på axeln mellan hjulen som på många pendeltåg.
- Magnetskenbromsar utgöres av en avlång magnet placerad mellan hjulen i en boggi och som trycks mot rälsen som en bromsklots. Före bromsning sänks skenan ned mot rälsen. Bromsen kopplas ur vid hastigheter < 50 km/t. Magneten matas med likström. Används på snabbtåg, tex Regina X50 och de första tyska ICE-1-tågen, men även på spårvagnar. Se mer i fördjupad artikel magnetskenbroms.
- Virvelsrömsbroms utgöres av en avlång magnetspole placerad endast 1 mm ovanför rälsen. Spolen matas med växelström och inducerar ett kraftigt magnetfält i rälsen. Effekten, som kallas hysteres, omvandlar rörelseenergin till värme i rälsen. Virvelströmmarna och rörelsemotståndet minskar när hastigheten minskar. Virvelströmsbromsen är därför endast ett komplement, eftersom den ej verkar vid låg fart. Fördelar är att bromskraften är mycket jämn och helt oberoende av friktion. Bromsen kräver mycket högre effekt än magnetskenbromsen. Det nyare tyska snabbtåget ICE-3 har virvelströmsbroms. Se även artikeln magnetskenbroms.
- Elregenerering, återmatande broms. Traktionsmotorerna hos moderna tåg kan fungera som generatorer och generera en trefas växelström med en hastighetsberoende frekvens. De växelriktare, som dessa tåg har, kan med en dator fås att generera en enfas 16 2/3 perioders växelström som återmatas till nätet. Se elektrifierad järnväg. Moderna tåg (2008) kan återmata 12 - 17% av energin. Med bättre infrastruktur i näten beräknas andelen öka 15 - 40% (se ref. nedan). Elregenerering är vanlig hos moderna pendeltåg som ofta ska stanna. Den energi som skapas vid bromsningen kan användas av andra tåg. En annan intressant effekt uppstår från malmtågen mellan Kiruna och Narvik. Mellan Kiruna och Riksgränsen tillförs tågen lägesenergi i den långa uppförsbacken. När sedan tågen sänks ned mot Narvik kan de moderna IORE-loken återmata motsvarande energi till nätet, och med råge eftersom Narvik ligger lägre än Kiruna. Även elregenerering är bara ett komplement till en vanlig broms. Det bör även nämnas, rent allmänt, att fordon utrustade med återmatande broms har lägre slitage och underhåll av den mekaniska bromsen. Elregenerering förekom tidigare även vid traktionsmotorer för likström, men energin omvandlades då till värme över motstånd. Tidiga spårvagnar uppvärmdes på detta sätt.
- Energilagring. Den energi som genereras vid bromsningen leds inte åter till nätet, utan lagras upp på tåget i kondensatorer. När tåget senare ska accelerera återanvändes den upplagrade energin. 2009 presenterade Bombardier sitt Primove-system som använder denna princip: [1]
Förbättringar
- Lastavkännande broms. På godsvagnar finns ofta en ventil som automatiskt eller manuellt kan ställa om mellan tom och full last. Ventilen anpassar bromstrycket så att hjullåsning av en tom vagn undviks. Se bild ovan. Avsaknad av denna finess orsakade en allvarlig olycka i Kungsbacka 2005, då ett klortanktåg kolliderade med en stoppbock och hamnade utanför banvallen[1].
- Omställbar ansättningstid. Godsvagnar som går långt fram i ett tåg kan ställas om för senare ansättning för att undvika de problem som finns med trycksänkningens fortplantning genom tåget.
- En extra tryckledning på 1000 kPa införs. Den har följande funktioner:
- Den håller en extra trycktank i varje vagn fylld till 1000 kPa.
- Efter en bromsning används den för att fylla upp den normala förrådsluftbehållaren till 500 kPa för att snabbare lossa bromsarna (det tar åtskilliga sekunder annars).
- Den extra tanken används dessutom för att driva annan utrustning i personvagnar, t.ex. dörröppnare.
- De extra tryckledningen känns igen på att dess ventil är gul och sitter bredvid den vanliga huvudledningen med röd ventil.
- Den extra tryckledningen finns normalt på alla nyare passagerarvagnar.
- Elektromagnetisk broms. Bromskraften erhålles genom att en elektrisk magnetventil öppnar till förrådsluftbehållaren när föraren bromsar. Fördelen är att alla bromsar ansätts samtidigt samt att regleringen blir exaktare. Vanligen är dessa dubblerade med tryckluftsystemet som då kan bromsa om strömkretsen skulle brytas.
- Elektronisk broms. Är en variant av elektromagnetiska bromsen men där en dator kan ge en bättre styrning. Med ett tandhjul på axeln kan slirning kännas av och göra bromsen låsningsfri och samtidigt lastavkännande. Effekterna på tryckluftsystemen av höga höjder (kraftigare inbromsning) kan elimineras. Elektroniska bromsar används på många nyare tåg.
- För vissa godståg har man utnyttjat lufttrycket för att t.ex. pneumatiskt tippa vagnskorgar vid avlastning.
- Dödmansgrepp. Redan på de tidiga elloken infördes ett död mans grepp, eller säkerhetsgrepp, som automatiskt bromsade tåget om föraren släppte greppet även sedan en varningssignal getts.
- Vid Automatic Train Control (ATC) eller European Rail Management System (ERTMS) ingår en automatisk inbromsning om en förare ej reagerar på en hastighetssänkning från säkerhetssystemet.
- Detektorer utmed järnvägsspåren som känner av tjuvbromsningar och hjulplattor.
- På 2000-talet började man tala om intelligenta godståg där elektroniskt styrda luftbromsar ofta är en förutsättning. Se nedan.
Elektroniskt styrda luftbromsar för godståg
I USA, där godstrafik dominerar helt och tågen är mycket långa (>2000m) har man planerat länge för ECP-bromsar (electronically controlled pneumatic brakes). Man har ombyggnadssatser som kan installeras på varje godsvagn. Kommunikationen med loket sker med en kabel och ett styrprotokoll för signalerna (Echelon). Man kan lägga till funktioner för varmgångsdetektering, trippmätare för underhållsstyrning, ljudanalys för upptäckt av urspårning och hjulplattor och låsningsfri bromsning. Det senare tveksamt eftersom en bromscylinder vanligen verkar på alla 4 axlarna.
Fördelarna är högre hastighet eftersom bromssträckorna blir kortare samt större säkerhet. Se engelsk artikel: [2]
Sista-vagnen-enhet (End-of-Train-Device "ETD")
Utgöres av en 10-20 kilo tung enhet som hängs fast på sista vagnens bakstam. Enheten har vanligen följande komponenter:
- En trycksensor som känner av bromstrycket i den tillkopplade bromsslangen.
- En hastighetssensor som mäter vagnens hastighet.
- En ventil som kan minska bromstrycket i sista vagnens huvudledning.
- En radio (GSM-R) som kommunicerar med en enhet i loket med följande funktioner:
- Om föraren bromsar så sänder en motsvarande radioenhet på loket ett meddelande om det sänkta bromstrycket. Sista-vagnen-enheten kan då släppa ut luft på sista vagnen och därmed radikalt minska tillsättningstiden för ett långt godståg.
- Om hastighetssensorn visar lägre hastighet än vad loket har så larmas föraren om att en vagn kan ha tappats.
- När föraren gör bromsprov får föraren direkt en återrapportering av effekten på den sista vagnen.
- En signallykta som kan blinka bakåt och eventuellt styras av en fotocell.
Sista-vagnen-enheter har funnits länge i USA. I Europa har det nya säkerhetssystemet ERTMS anpassats till sådana enheter. Det möjliggör att man ej behöver använda de dyra och känsliga spårledningarna men ändå vara säker på att ingen tappad vagn utgör hinder på ett spår.
Bromsreglemente
I Banverkets Trafiksäkerhetsinstruktion finns regler för lokföraren. Bl.a. skiljer man på bromsgrupper:
- G För långsamma bromsanordningar på godståg. Ovanliga numera.
- P För persontåg.
- R För snabba (Rapid) tåg.
Lokföraren måste även göra bromsprov:
- När omkoppling skett, tex när loket flyttas till andra ändan i en säckstation, så görs ett stillastående prov:
- Luftläckage testas. Trycket får ej falla mer än 50 kPa under en minut.
- Man kollar att trycket finns ända borta på sista vagnen. Sista ventilen öppnas och det ska pysa.
- Man kollar om bromsarna sätts an och sedan lossas. Ibland kan man höra detta när man sitter i vagnen och väntar på avgång.
- Provbromsning på plant spår strax efter avgång. Föraren ska då känna en retardation vid 60 kPa sänkning.
- Retardationsprov med ATC. Föraren bromsar och på ATC-panelen visas då hur stor retardationen blev. Föraren kan då mata in nya värden på bromsförmågan till ATC-systemet. Läs mer ur haverirapporten i referensen nedan.
- Vid snörök och risk för isbildning ska föraren regelbundet motionera bromssystemet så att det inte kommer ur funktion.
Moderna passagerartåg, som normalt har skivbromsar, har synliga bromsindikatorer vid sidan av varje boggi. Dessa är röda när en broms är tillsatt och gröna när den är lossad.
Historik
På tidiga tåg hade man bromshytter på vissa vagnar. När lokföraren blåste en viss signal vevade bromsare på en ratt som satte an eller lossade vagnens broms. Man hade även lösningar med en kätting som löpte genom hela tåget och mekaniskt bromsade vagnarna. Det fanns även bromsar som drevs av vakuum i ett bromsrör genom tåget. Fördelen var att man lätt kunde skapa vakuum med en ångejektor på ångloken. Nackdelen var att bromsen ej fungerade om vakuumledningen läckte.
Rangerbromsar
Detta är en slags bromsar som inte sitter på vagnarna utan på spåret. De används vid vallrangering där vagnarna knuffas över ett krön och sedan får rulla in på olika spår för att bilda nya tåg. Rangerbromsarna tar då ned vagnarnas hastighet innan de stöter samman. Beskrives i artikeln rangerbroms.
Se även
- Tåg
- Traktionsmotor
- Säkerhetssystem
- Magnetskenbroms
- Koppel (tåg)
- Buffert (tåg)
- Rangerbroms
- Dödmansgrepp
- Detektor (järnväg)
- Intelligenta godståg
Referenser
Externa länkar
- Transportforum, Lukaszewicz. Tågs energiförbrukning
- Engelska Wikipedia om tågbroms
- Tyska Wikipedia om tågbroms
- Skivbromsar på en boggi från Bombardier
- Haverikommissionsrapport från bromsincident i Gårdsjö 2005
- Bombardiers Primovesystem
- Engelsk artikel om elektroniskt styrda luftbromsar
- Tidningen Train Magazine, End-of-train devices
- Engelska Wikipedia Flashing rear-end device
