Ref.1

MATEI GABRIEL Master I - FIVCR

Analiza sistemelor de franare de baza utilizate la vehiculele feroviare.

1. Definirea sistemelor de franare de baza utilizate la vehiculele feroviare. Scopul actiunii de franare este acela de reducere controlata a vitezei de circulatie a trenului fie pana la o anumita limita inferioara, fie pentru oprire.Acest lucru se realizeaza prin transformarea energie cinetice a trenului,eventual si a celei potentiale in cazul circulatiei pe pante, in lucru mecanic al fortelor de rezistenta si al fortelor de franare. In mod obisnuit, lucrul mecanic al fortelor de franare se transforma in caldura, care se disipeaza in mediul inconjurator. Tinand cont de particularitatile constructive, functionale si de exploatare ale materialului rulant de cale ferata, sistemele de franare utilizate trebuie sa corespunda unor exigente specifice, asigurand indeplinirea unor cerinte multiple dintre care cele mai importante sunt: 

    



 

realizarea unei franari sigure si eficiente care sa permita efectuarea reducerilor de viteza, a opririlor la punct fix si a mentinerii vehiculului, respectiv trenului, pe panta, in conditii de deplina siguranta. functionarea instalatiei de frana si performantele acesteia nu trebuie sa fie influentate de conditiile de mediu(temperatura,umiditate). comanda centralizta a actiunilorr de franare si slabire sa fie cat mai simpla,sigura si fiabila. codul de transmitere a comenzilor de franare in tot lungul trenului trebuie sa fe sigur, eficient si de o maxima fiabilitate. uzura elementelor de frictiune sa fie cat mai mica si actiunea acestora sa nu afecteze geometria profilului de rulare al rotilor sau al sinelor. sistemul de franare trebuie ca in cazuri de pericol, cum ar fi ruperea trenului, tragerea semnalului de alarama, sa intre in actiune independent de vointa sau comanda mecanicului si sa realizeze o oprire rapida a tuturor vehiculelor componente ale trenului; sa permita realizarea unui numar corespunzator de trepte de franare si de slabire, astfel incat mecanicul sa poata adopta cirect forta de franare a trenului in conditiile obiective instantanee de circulatie regimul termic dezvoltat in timpul franarii sa fie in limite acceptabile, astfel incat sa nu afecteze capacitatea de franare, dar nici alte elemente ale vehiculului sau caii; fenomenele tranzitorii dezvoltate in procesul franarii nu trebuie sa conduca la forte dinamice longitudinale mari in corpul trenului, care sa afecteze siguranta circulatie;

MATEI GABRIEL Master I - FIVCR

2. Conditii impuse instalatiei de frana pentru admiterea vehiculelor in traficul international Fisa U.I.C nr. 540 precizeaza conditiile tehnice si de exploatare pe care trebuie sa le indeplineasca franele cu aer comprimat pentru a fi admise in trafic international.Dintre acestea precizam urmatoarele: -

-

-

-

-

-

-

-

frana sa fie automata si pentru actionarea ei sa fie suficienta utilizarea aerului comprimat, printr-o singura conducta, numita conducta generala avand un diametru interior de 25mm (pentru vagoane de calatori) sau de 32mm (pentru vagoane de marfa); fresiunea normala de regim sa fie de 5bar, dar scaderea sau marire a acesteia cu maxim 1bar nu trebuie sa afecteze functionarea franelor; frana trebuie sa fie slabita si gata de functionare la atingerea presiunii de regim in conducta generala de aer, iar slabirea franei prin cresterea acesteia pana la nivelul presiunii de regim; frana trebuie sa permita atat efectuarea franarilor rapide, comandate printr-o scadere rapida si importanta a presiunii din conducta generala, cat si franarii in trepte pana la franare totala.De asemenea trebuie ca frana sa fie moderabila la slabire; franarea totala trebuie sa se comande printr-o scadere cu 1.5bar+- 0.1bar a presiunii din conducta generala, pornind de la valoarea presiunii de regim.Corespunzator trebuie sa se obtina presiunea maxima in cilindrul de frana, anume 3.8bar +-0.1bar, fara a fi dependenta de marimea cursei pistonului cilindrului de frana; franele trebuie sa fie caracterizate printr-o anumita insensibilitate, in sensul ca la o scadere lenta a presiunii din conducta generala, de 0.3bar intr-un minut, frana sa nu intre in actiune; franele sa fie caracterizate si printr-o anumita sensibilitate, in sensul ca pentru o viteza de scadere a presiunii din conducta generala de 0.6bar in 6s, pornind de la presiunea de regim, frana sa intre in actiune in mai putin de 1,2s; franale trebuie sa permita coborarea in conditii de siguranta si cu variatii cat mai mici ale vitezei de ciculatie stabilita, a tuturor principalelor linii de cale ferata; franele trebuie sa fie inepuizabile; fresiunea din cilindrii de frana trebuie sa fie intotdeauna dependenta de variatiile de presiune in conducta generala.Dupa intrarea in actiune a franei, o variatie de 0,1bar in conducta generala trebuie sa conduc la modificarea corespunzatoare a presiunii din cilindrul de frana; fana trebuie sa compenseze automat pierderile de aer din cilindrul de frana sau din circuitul pneumatic al acestuia; frana trebuie astfel conceputa incat sa poata functiona ca frana tip ‘’Marfa’’, ca frana tip ‘’Persona’’ sau ca frana tip ‘’Marfa- Personane’’; viteza de propagare a undei de franare, la o franare rapida efectuata de la presiunea de regim, trebuie sa fie de minim 250m/s;

MATEI GABRIEL Master I - FIVCR

-

-

pentru un vehicul izolat, avand conducta generala alimentata la presiunea de regim, la comandarea nei actiuni de franare, printr-o franare rapida sau de serviciu, presiunea din cilindru de frana trebuie: o In regim ‘’Marfa’’, sa creasca initial rapid pana la o valoarea care sa permita aplicarea sabotilor pe roti, realizand astfel cca. 10% din forta maxima de franare.Apoi cresterea de presiune pana la valoarea maxima trebuie sa se produca continuu, iar timpul de umplere a cilindrului de frana trebuie sa fie cuprins intre 18-30 s; o In regim de ‘’Persoane’’, sa creasca continuu pana la atingerea valorii maxime.La franarea rapida, timpul de umplere a cilindrului de frana trebuie sa fie intre 3...5 s, cu exceptia cazului franelor progresive cu sarcina pentru care se admit 3...6 s; pentru un vehicul izolat la care se comanda o slabire completa si continua dupa o franare totala, presiunea din cilindrii de frana trebuie sa scada progresiv.Timpul de golire a cilindrului de frana sa fie de : o in regim de ‘’Marfa’’ – 45...60s; o in regim de ‘’Persoane; - 15....20s.

Fig.2.1 Conditii impuse in trafic international franelor indirecte. 3. Frane pneumatice.

MATEI GABRIEL Master I - FIVCR

3.1 Frana directa cu aer comprimat. Frana directa cu aer comprimat face parte din categoria franelor continue si este cea mai simpla, atat din punct devedere constructiv cat si functional.Instalatia franei directe cu aer comprimat se compune din : -

-

compresorul C ca sursa de aer sub presiune; rezervorul principal de aer RP ca recipient de inmagazinare si rezerva de aer comprimat a intregii instalatii de frana; conducta generala de aer a trenului CG , formata din conductele generale de aer ale fiecarui vehicul, unite intre ele prin semiacuplarile flexibile de aer SF, fiecare din acestea avand cate un robinet frontal RF care indeplineste functia de ribonet de izolare; robinetul mecanicului RM , care este elementul de comanda centralizata al franarilor si slabirilor.

Fig 3.1 Frana directa cu aer comprimat Principiul de functionare este urmatorul : la comanda franarii, prin robinetul mecanicului RM se pune in legatura rezervorul principal de aer RP cu conducta generala CG , care se

MATEI GABRIEL Master I - FIVCR

alimenteaza, presiunea crescand implicit si in cilindrii de frana CF. Tija pistonului cilindrului de frana actioneaza asupra timoneriei de frana TF, determinand apasarea sabotilor pe roti. Cand se considera ca forta de franare a trenului este suficienta, se trece robinetul mecanicului RM in pozitia de izolare, intrerupand orice legatura pneumatica a conductei generala de aer a trenului CG. Se pot obtine astfel o infinitate de trepte de franare. Pentru comanda defranarii trenului, prin robinetul mecanicului RM se stabileste legatura pneumatica intre conducta generala CG si atmosfera, aerul sub presiune iesind inclusiv din cilindrii de frana CF. Prin utilizarea pozitiei de izolare a robinetului mecnicului RM se pot deasemenea obtine o infinitate de trepte de slabire a franelor trenului. Acest tip de comanda a franarii a fost insa rapid abandonat, principalul motiv fiind acela ca o defectiune la nivelul conductei generale sau tragerea semnalului de alarma conduc la scoaterea din functiune a franei fara ca mecaniul sa fie atentionat intr-un fel si fara posibilitatea repunerii in actiune a franelor, aspect deosebit de periculos din punc de vedere al sigurantei circulatie. In plus, utilizarea franei directe mai comporta o serie de dezavantaje: -

-

durata mare necesara propagarii undei de franare si de slabire in lugul trenului si diferentele mari de presiune intre cilindrii de frana in fazele tranzitorii; dezvoltarea unor reactii longitudinale mari, care pot afecta siguranta circulatiei precum si confortul calatorilor, mai ales in cazul trenurilor lungi, datorita propagarii lente a undei de franare; este necesara o mare cantitate de aer sub presiune in momentul comandarii actiunii de franare, care sa fie suficienta pentru alimentarea intregii conducte generale si a tuturor cilindrilor de frana la presiunea comandata de mecanic, ceea ce implica utilizarea unor rezervoare principale ale caror dimensiuni trebuie sa fie foarte mari in cazul trenurilor lungi;

Din aceste motive, frana directa cu aer comprimat este in prezent utilizata la vehiculele de cale ferata doar ca frana complementara pe locomotive, pe unele automotoare si pe vehicule speciale. Principalul avantaj al franei directe este acela ca este foarte maniabila, permitand obtinerea unui numar teoretic infinit de trepte de franare si de slabire.

3.2 Frana indirecta cu aer comprimat.

MATEI GABRIEL Master I - FIVCR

Pentru a se elimina principalul dezavantaj al franei directe, in cazul acestui sistem de franele vehiculelor din corpul trenului sunt slabite atat timp cat in conducta generala exista aer la presiunea de regim.Generalizat pe plan mondial, presiunea de regim din conducta generala de aer s-a stabilit la 5bar.Exista insa si exceptii, de exemplu fostele tari sovietice utilizeaza o presiune de regim de 5.5bar, iar in SUA, 4,8bar , 6,2bar , si 7,6bar. Frana indirecta cu aer comprimat este tot o frana continua, motiv pentru care instalatia se compune in general (vezi fig3.2) din compresorul C, rezervorul principal RP, robinetul mecanicului RM, conducta generala de aer a trenului CG si timoneriile de frana TF, ale fiecarui vehicul, toate aceste subansambluri avnd acelasi rol ca si in cazul franei directe. In plus fiecare vehicul este dotat cu: -

un rezervor auxiliar de aer RA, care constituie rezerva de aer comprimat a instalatiei vehiculului pentru alimentarea cilindrilor de frana; un distribuitor de aer D care, in functie de presiunea din conducta generala de aer a trenului, comanda la nivelul vehiculului actiunile de franare sau de slabire.Distribuitorul poate realiza legaturi pneumatice intre conducta generala si a rezervorului auxiliar, rezervorul auxiliar si cilindrul de frana, respectiv intre cilindrul de frana si atmosfera.

Fig 3.2 Frana indirecta cu aer comprimat.

MATEI GABRIEL Master I - FIVCR

Pentru a functiona corect, distribuitorul de aer trebuie sa asigure realizarea urmatoarelor conexiuni pneumatice,in ordinea precizata: a. La cresterea presiunii in conducta generala de aer a trenului: o Intreruperea legaturii dintre rezervorul auxiliar RA si cilindrul de frana CF; o Punerea cilindrului de frana CF in legatura cu atmosfera; o Punerea in legatura a conductei generale de aer CG cu rezervorul auxiliar RA; b. La scaderea presiunii in conducta generala de aer a trenului: o Intreruperea legaturii dintre rezervorul auxiliar RA si conducta generala CG; o Intreruperea legaturii dintre cilinrul de frana CF si atmosfera; o Punerea in legatura a rezervorului auxiliar RA cu cilindrul de frana CF. La functionarea franei indirecte cu aer comprmat se evidentiaza trei etape importante: -

-

-

alimentarea – prin robinetul mecanicului se permite alimentarea cu aer comprimat pana la presiunea de regim a conductei generale, distribuitoarele stabilind legatura pneumatica a acesteia cu rezervoarele auxiliare, cu scopul de a asigura rezerva de aer pentru instalatia de frana a fiecarui vehicul.Aceasta operatie este obligatoriu sa se efectueze inainte de plecarea trenului, ea corezpunzand unei armari a franei; franarea (strangerea) – se obtine prin scaderea mai mult sau mai putin pronuntata a presiunii din conducta generala de aer fata de presiunea de regim, in functie de intensitatea efectului de franare care se doreste a fi obtinut.Sub efectul acestei depresiuni, distribuitorul intra in actiune, ceea ce are ca efect, pe de o parte, intreruperea legaturii pneumatice dintre conducta generala si rezervorul auxiliar si pe de alta parte, stabilirea legaturii pneumatice intre aceasta din urma si cilindrul de frana. slabirea (defranarea) - dupa o actiune de franare cand presiunea din conducta generala a atins o valoare inferioara celei de 4.8bar, slabirea se comanda prin cresterea presiunii din conducta generala.Aceasta se realizeaza prin stabilirea legaturii pneumatice dintr rezervorul principal si conducta generala, prin intermediul robinetului mecanicului.

Avantaje si dezavantaje ale franei indirecte cu aer comprimat. Principalul avantaj al franei indirecte cu aer comprimat decurge din faptul ca prezinta o mare siguranta in exploatare, datorata in primul rand: -

principiului insusi de comanda indirecta; utilizarii unei comenzi pneumatice, recunoscuta ca fiind foarte fiabila; simplitatile sale constructive, in sensul ca functiile de comanda si de executie sunt asigurate printr-o singura conducta de aer.

MATEI GABRIEL Master I - FIVCR

Un alt avantaj esential este referitor la asigurarea sigurantei circulatiei prin faptul ca frana indirecta cu aer comprimat este o frana automata, in sensul ca orice scadere accidentala a presiunii din conducta generala de aer conduce la comanda franarii de functionare a intregului tren, independent de comanda mecanicului.Totodata prin modul de functionare, a putut fi pus la indemana calatorului un dispozitiv simplu si siur de comanda a franarii trenului prin stabilirea unei legaturi directe a conductei generale cu atmosfera printr-un semnla de alarma. Comparativ cu frana directa cu aer comprimat, cea indirecta mai prezinta o serie de avantaje: -

-

-

din momentul sesizarii de catre fiecare distrbuitor a variatiilor de presiune din conducta generala de aer a trenului, alimentarea sau gilirea cilindrului de frana se realizeaza practic in acelasi interval de timp, deoarece la nivelul fiecarui vehicul distanta dintre sursa de aer comprimat si cilindrul de frana, respectiv dintre aceasta si orificiul de emisie spre atmosfera sunt aproximativ aceleasi; o crestere importanta a vitezei de propagare a undei de franare si totodata o scadere a nivelului fortelor dinamice din lungul trenului in primele faze ale franarii, respectiv slabirii; in momentul comandarii actiunii de franare, instalatia nu mai necesita aport suplimentar de aer comprimat, capacitatea rezervorului principal putand cel mult afecta timpul necesar franelor trenului;

Principalele dezavantaje ale franei indirecte cu aer comprimat decurg din faptul ca, datorita compresibilitatii aerului, a lungimii relativ mari a conductei generale de aer a trenului si a comenzii unice asigurate prin robinetul mecanicului care, inevitabil, se gaseste intr-o extremitate a trenului, variatiile de presiune comandate nu se propaga instantaneu ci cu o viteza finita.Acest aspect creeaza conditii ca in fazele tranzitorii, imediat urmatoare comenzii de variatie a presiunii in conducta generala data prin robinetul mecanicului, sase dezvolte forte longitudinale importante in tren, care pot afecta confortul calatorilor, dar uneori si siguranta circulatiei.. Pentru atenuarea acestor fenomene a fost necesara realizarea unei intarzieri a umplerii respectiv golirii cilindrilor de frana.Astfel au aparut franele cu actiune rapida si cele cu actiune inceata. Frana cu actiune rapida este utilizata la trenurile relativ scurte, de calatori sau de marfa care circula cu o viteza de peste 80km/h. Este caracterizata prin timpul de umplere a cilindrului de frana de 3...5 s si prin cel de golire de 15...20 s. Prin definitie, pe plan international timpul de umplere a cilindrului de frana se masoara din momentul comandarii actiunii de franare rapida, pana cand in cilindrul de frana se atinge 95% din presiunea maxima realizata in aceasta, iar timpul de golire se masoara din momentul cand incepe sa scada presiunea din cilindrul de frana, pana cand aceasta ajunge la vloarea de 0.4 bar.

MATEI GABRIEL Master I - FIVCR

Frana cu actiune inceata se utilizeaza la trenurile lungi (peste 80 osii,fara locomotiva) si care cicula cu viteze relativ reduse, in general la trenuri de marfa.Este caracterizata printrun timp de umplere a cilindrului de frana de 18...30 s , cel de golire fiind de 45...60 s.

Fig 3.3 Fazele franarii trenurilor.

3.3 Frana cu vid.

MATEI GABRIEL Master I - FIVCR

Instalatia franei cu vid este simpla constructiv si seamana cu cea a franei directe cu aer comprimat (vezi fig.3.4), avand in loc de compresor si de rezervor principal o pompa de vid PV.

Fig. 3.4 Schema de principiu a franei cu vid. Frana este slabita atata timp cat in conducta generala de aer a trenului si implicit in cilindrii de frana este asigurat vidul.Comanda centralizata de franare a trenului se realizeaza cu ajutorul robinetului mecanicului RM prin stabilirea legaturii pneumatice a conductei generale cu atmosfera.Aerul la presiunea atmosferica ajunge astfel la cilindrii de frana, actioneaza asupra pistoanelor acestora si determina aparitia unei forte la tija pistoanelor care prin intermediul timoneriei de frana TF se va transmite,amplificata, la sabotii de frana. Principalul avantaj al acetui tip de frana este, pe langa simplitate, faptul ca are actiune automata, in cazul desfacerii accidentale a conductei generale sau al tragerii semnalului de alarma, alimentarea cu aer la presiunea atmosferica a cilindrilor de frana determinand intrarea in actiune a tuturor franelor trenului, independent de vointa mecanicului.

Dezavantajele cele mai importante ale acesteia sunt:

MATEI GABRIEL Master I - FIVCR

-

necesitatea utlizarii unor cilindrii de frana de diametru dublu pentru asigurarea aceleiasi forte de franare, comparativ cu frana cu aer comprimat; in exploatare este mult mai dificila depistarea neetansietatilor conductei generale de aer vidate, decat celei alimentate cu aer comprimat.

4. Posibilitati de optimizare ale franei indirecte cu aer comprimat (frana electropneumatica) Dezavantajele generate de comanda pneumatica pot fi in cea mai mare parte eliminate prin inlocuirea acesteia cu o comanda electrica.Aceasta permite realizarea unei simultaneitati a momentelor de intrare in actiune a franelor in lungul trenului. In aceste conditii, dispar principalele cauze generatoare ale reactiilor longitudinale din corpul trenului in fazele tranzitorii ale umplerii, respectiv golirii cilindilor de frana si se imbunatateste totodata performantele de franare.A aparaut astfel ideea unui sistem la care realizarea efectiva a fortei de franare sa se face pe cale pneumatica, prin cresterea presiunii aerului in cilindrii de frana,iar comanda sa se efectueze pe cale electrica. Schema de principiu a unei frane electropneumatice este prezentata in fig 4.1

Fig 4.1 Schema de principiu a franei electropneumatice.

MATEI GABRIEL Master I - FIVCR

Simultaneitatea intrarii in actiune a franelor in lungul trenului se obtine prin modificarea pe fiecare vehicul a functiilor pneumatice de umplere si golire ale conductei generale de aer asigurate prin robinetul mecanicului. In acest scop pe fiecare vehicul, in afara de echipamentele clasice ale franei indirecte cu aer comprimat mai trebuie sa existe: -

-

-

o a doua conducta de aer , numita conducta principala de aer a trenului - CP – conectata direct cu rezervorul principal echipata la capetele fiecarui vehicul cu semiacuplari flexibile de aer SF si robineti frontali RF ca si conducta generala; un bloc electropneumatic - BE – format din doua electroventile, unul care sa puna in legatura conducta generala CG cu atmosfera, celalalt care sa permita realimentarea conductei generale cu aer a trenului.Electroventilele de slabire CES, a caror punere sub tensiune este controlata prin robinetul mecanicului RM; clapeta de retinere CR situata intre rezervorul auxiliar RA si conducta principala CP, care are rolul unei supape de retinere si care permite alimentarea si pe cale directa din conducta principala, a rezervorului auxiliar pana la presiunea de regim.

Modul de functionare a franei electropneumatice indirecte este urmatorul : la comandarea unei actiuni de franare, robinetul mecanicului RM pune pneumatic in legatura conducta generala CG cu atmosfera si simultan, prin intermediul unui ansamblu de contacte AC fixate pe partea mobila a regulatorului de presiune al robinetului mecanicului, inchide circuitul electric de franare CEF.Aceasta are ca efect punerea conductei generale CG in legatura cu atmosfera inclusiv la nivelul fiecarui vehicul, prin intermediul electroventilului de franare.Atunci cand in cnducta generala CG se atinge nivelul de presiune comandat echipamentul mobil al regulatorului robinetului mecanicului revine in pozitia initiala, oprind emisia de aer din conducta generala atat la nivelul robinetului mecanicului cat si la electroventilele de franare.Pentru slabirea franei, functionarea este similara, comanda electrica fiind transmisa prin circuitul electric de slabire CES. Cu un asemenea tip de frana , robinetul mecanicului si distrbuitoarele de aer functioneaza corect si in acelasi tmod, cu sau fara comanda electrica.Aceasta permite ca, in caz de defectare sau de absenta a echipamentului de comanda electric, in mod automat frana sa functioneze ca frana indirecta cu aer comprimat.Totodata, functionarea franelor in caz de tragere a semnalului de alarma sau la ruperea trenului este automata.Intr-un asemenea caz , fie ca frana functioneaza ca electropneumatica sau ca frana indirecta cu aer comprimat, secomanda intrarea in actiune si strangerea franei la toate vehiculule din corpul trenului.

MATEI GABRIEL Master I - FIVCR

5. Concluzii Prin toate aspectele teoretice si graficele prezentate mai sus sa pus in evidenta importanta si rolul sistemelor de frana de baza de pe un vehicul feroviar.Dezvoltarea si imbunatatirea acestor sisteme a fost necesara pentru a asigura in primul rand siguranta circulatiei si siguranta calatorilor cat si incadrarea in anumite norme internationale stabilite. Imbunatarirea sistemelor de franare este sesizabila intre sistemul de frana directa cu aer comprimat si cel de frana indirecta cu aer comprimat.In aspectele comparative dintre cele doua sisteme de frana s-au subliniat aspectele imbunatatite si importanta lor.Desi sistemul de frana indirecta cu aer comprimat este un sistem de franare foarte bun a fost loc de si mai bine.Astfel a aparut sistemul de frana electropneumatic, care este la baza o frana indirecta, dar comandarea franarii se face electric, efect care a dus la diminuarea fortelor longitudinale din lungul trenului. Toate aspectele legate de franarea trenurilor si imbunatatirea acestora a fost dintotdeauna un aspect foarte important si care este permanent studiat si analizat pentru optimizarea acestuia.

6. Bibliografie.

Cruceanu, C., Frâne pentru vehicule feroviare, Ed. MatrixRom, București 2009, ISBN 973755-061-7