Ref.2

MATEI GABRIEL Master I - FIVCR

Analiza sistemelor de franare complementare utilizate la vehiculele feroviare

1. Definirea sistemelor de franare complementare utilizate la vehiculele feroviare. Sistemele de frana complementare la vehiculele feroviare sunt definite in principal ca fiind sisteme independente de aderenta dintre roata si sina, cat si faptul ca nu pot asigura oprirea vehiculului la punc fix.Sistemele de frana de baza bazanduse pe acest principiu, a fost nevoie la un moment dat e un surplus de forta de franare a vehiculelor pentru a satisface cerintele de siguranta a calatorilor atat la nivel national cat si international.Sistemele de frana complementare aduc acel surplus de forta de franare si aspectul cel mai important este ca acestea nu se bazeaza pe aderenta dintre roata si sina.Totodata acestea aduc si la o masa suficient de mare care contribuie la coborarea centrului de masa a vehiculului. Printre sistemele de frana complementare putem enumera urmatoarele : -

Frana cu patina electromagnetica :la care forta de frecare se genereaza datorita frecarii dintre patina electromagnetica si sina; Frana cu curenti turbionari : la functionarea careia intre electromagneti si discul metalic sau sina trebuie mentinut un intrefier de 5...10mm; Frana electrica : la care disiparea energiei vehiculului, respectiv trenului se face prin utilizarea curentului debitat de motoarele electrice de tractiune care functioneaza in acest caz in regim de generator;

2. Sisteme de franare complementare. 2.1 Frana cu patina electromagnetica. Functionarea frani cu patina electromagnetica se bazeaza pe dezvoltarea unei forte de atractie electromagnetica intre patina si sina, care determina aparitia unei forte normale de apasare intre suprafetele de contact ale acestora, intre care exista evident miscare relativa.Aceasta conduce la aparitia unei forte de freca intre patine si sine, care se opune sensului de deplasare al patinei si care constituie forta de franare pentru vehicul.De regula, frana cu patina electromagnetica se utilizeaza ca sistem de franare complementar, asociat in general franei cu disc sau, mai rar, celei cu saboti. Frana cu patina electromagnetica se compune dintr-un cadru de franare cu doua patine, cate una pentru fiecare sina, amplasat intre osiile montate ale boghiului.Patina( vezi fig 2.1) consta dintr-o bobina formata dintr-un numar de piese polare in forma de potcoava, o carcasa si o talpa. La alimentarea bobinei cu curent continuu, se produce un camp electromagnetic ce genereaza un

MATEI GABRIEL Master I - FIVCR

flux magnetic care se inchide prin ciuperca sinei, conducand la aparitia intre aceasta si patina, a unei forte de atractie. Marimea fortei de franare obtinute cu ajutorul patinei electromagnetice depinde de proprietatile magnetice de material ale patinei si sinei, de forta magnetomotoare ca forta de atractie intre patina si sina, de coeficientul de frecare dintre acestea, de intrefier si , implicit de planeitatea sinelor.

Fig 2.1 Sectiune transversala prin piesa polara.

MATEI GABRIEL Master I - FIVCR

Principalele avantaje ale utilizariifranei cu patina electromagnetica sunt: -

-

-

Marimea fortei de franare este independenta de aderenta dintre roata si sina.De aceea se utilizeaza in principal aunci cand forta de franare realizabila cu frana de baza nu este sificienta pentru circulatia cu viteze mari in limitede siguranta; Prin frecarea dintre patina si sina se poate imbunatati uneori considerabil aderenta dintre roata si sina deoarece in timpul franarii patina realizeaza si o curatire energetica a suprafetei de rulare a sinelor. In astfel se pot obtine valori maxime mai ridicate ale fortelor de franare realizabile cu frana de baza, ceea de poate conduce la o reducere cu pana la 20...30% a drumului de franare; Puterea de excitatie necesara este relativ mica (cca. 1kW/patina); Este frana de tip automat Ansamblul franei cu patina electromagnetica constituie o masa suplimentara suficient de care ( cca. 700kg/boghiu) ceea ce aparent ar constitui un dezavantaj, dar prin modul de suspendare si dispunere al acesteia contribuie la coborarea centrului de masa al ansamblului boghiului, cu efecte benefice cu deosebire in cazul vehiculelor care circula cu viteze mari.

Principalele dezavantaje ale franei cu patina electromagnetica sunt: -

Este frana nemoderabila; Intra in actiune numai la comandarea franarilor de urgenta; In gfeneral nu poate fi utilizata metru viteze mai mici de 50km/h, deoarece ar conduce la realizarea unor deceleratii prea mari , inconfortabile pentru calatori; In domeniul vitezelor mari de circulatie, datorita frecarilor coulombiene, limita admisa pentru uzarea patinelor se atinge relativ rapid, dupa cca. 100...150 de franari fiind necesara inlocuirea talpilor patinelor.

In functie de distanta dintre suprafata de rulare a sinei si suprafata de frecare a patinei atunci cand frana este slabita , exista doua solutii constructive (vezi fig 2.2/ 2.3) si anume : -

Suspendarea inalta – caz in care patinele electromagnetice, in pozitia slabita a franei, se gasesc la o inaltime de 60 .. 150 mm fata de suprafata derulare a sinei, sistem utilizat la vehiculele care circula cu viteze de peste 100 km/h.Sistemul este specific vehiculelor feroviare de viteza, prin acest mod de suspendare fiind eliminata posibilitatea de lovire accidentala a patinelor de sine in timpul circulatiei cu frana slabita.Datorita inaltimii mari de suspendare, pentru a evita dimensiuni de gabarit prea mari a patinelor, precum si necesitatea utilizarii unor puteri prea mari de excitatie, la comanda de franare , coborarea patinelor se face pneumatc, prin utilizarea a cate doi cilindri pneumatici de actionare, alimentati cu aer comprimat din conducta principala de aer a trenului.Sustinerea patinelor la inaltimea necesara cand frana este slabita se realizeaza prin arcuri elicoidale montate in interiorul cilindrilor de actionare.

MATEI GABRIEL Master I - FIVCR

Fig. 2.2 Frana cu patina electromagnetica.Suspendare inalta.

-

Suspendarea joasa – caz in care distanta dintre patinele electromagnetice si suprafata de rulare a sinei, cu frana slabita, este de 6...12 mm, sistem utilizat la vehiculele care circula cu viteze mai mici de 100 km/h, specifice cu deosebire traficului urban.Frana cu patina electromagnetica cu suspendare joasa este comuna tuturor tipurilor de boghiuri moderne pentru tramvaie si constituie frana de urgenta a acestora.

Fig. 2.3 Frana cu patina electromagnetica.Suspendare joasa.

MATEI GABRIEL Master I - FIVCR

Principalele parti componente ale unui asemenea tip de frana sunt (vezi fig. 2.3) :patina propriu-zisa, avand un electromagnet realizat dintr-o bobina si un miez feromagnetic masiv si talpa patinei, care constituie suprafata de frecare cu sina, cadrul pentru sustinerea si suspendarea patinei deasupra sinei.Cand frana este slabita, ea este mentinuta la inaltimea corespunzatoare fata de suprafata de rulare a sinei prin intermediul unor arcuri peretensionate, montate concentric cu suruburile de sustinere ale patinelor.Suruburile sunt fixate de patina prin intermediul unor piese neferoase, iar pretensionarea arcurilor se realizeaza cu ajutorul piulitelor, forta elastica determinand distanta fata de sina atunci cand frana nu este actionata.

2.2 Frana cu curenti turbionari Frana cu curenti turbionari (Foucault) este utilizata ca frana complementara si se bazeaza pe inducerea intr-o masa metalica a curentilor turbionari care, prin incalzirea acesteia, determina disiparea in mediul ambiant a energiei cinetice a vehiculului, fara frecare directa. Aceast ultim aspect recomanda utilizarea acestui tip de frana in domeniul marilor viteze de circulatie. Electromagnetii sunt astfel alimentati incat sa asigure succesiv pol N,pol S catre masa metalica. In repaus, liniile de camp arata ca in fig.2.4.a.Atunci cand exista miscare relativa intr electromagneti si masa metalica, liniile de camp isi modifica dispunerea ( fig 2.4.b) determinand si aparitia unei forte care se opune deplasarii, determinand astfel reducerea vitezei.

Fig 2.4 Formarea fortei de franare.

MATEI GABRIEL Master I - FIVCR

In general exista doua tipuri constructive care se utilizeaza la vehiculele feroviare : -

Frana liniara (fig 2.5) de cale cu curenti turbionari – care utilizeaza ca masa metalica sinele.Deasupra acestora intre osiile montate ale boghiului, sunt montate patine formate din electromagneti plasati succesiv, care prezinta alternativ catre sina pol N,pol S. Pentru franare, patinele avand electromagnetii excitati, sunt mentinute la o distanta mica (7...10 mm) si cat mai cosntanta fata de sina. Ca aspect exterior general, seamana cu frana cu patina electromagnetica.

Fig 2.5 Schema franei liniare cu curenti turbionari

-

Frana rotativa cu curenti turbionari – care realizeaza ca masa metalica discuri montate pe osie sau chiar rotile insele, aflate in miscare de rotatie fata de polii electromagnetilor, fixati intr-o carcasa.(vezi fig 2.6). Aceasta poate fi fixata direct de cadrul de boghiu, sau poate fi sprijinita pe osia montata, situatie in care trebuie asigurata contra rotirii.

Fig 2.6 Frana rotativa cu curenti turbionari

MATEI GABRIEL Master I - FIVCR

Prima solutie constructiva este mai simpla dar, datorita jocurilor transversale, precum si a deformatiilor elastice ale suspensiei boghiului, trebuie asigurat un intrefier destul de mare, ceea ce presupune si o putere de excitatie mai mare.Cea de-a doua solutie permite un intrefier mai mic, dar constructia este mai complicata si mai costisitoare, conducand totodata la cresterea masei nesuspendate a vehiculului, cu atat mai nedorita in domeniul marilor viteze de circulatie. Forta de franare asigurata de frana cu curenti turbionari depinde in principal de : -

-

-

-

Puterea de excitatie a bobinelor care trebuie sa fie suficient de mare;realizarea unei forte de franare echivalente cu a franei cu patina electromagnetica necesita o putere de excitatie de 10...30 de ori mai mare; Marimea intrefierului si mai ales de mentinerea cat mai constanta a acestuia pe durata franarii, ceea ce impune adoptarea unui sistem adecvat de suspendare a patinelor, respectiv a carcasei cu bobine, in cazul franei rotative; Viteza instantanee de circulatie, a carei scadere sub 50...60 km/h conduce la scaderea pronuntata a eficacitatii de franare, neputand fi utilizata pentru oprirea la punct fix; Capacitatea conductorului metalic de a disipa caldura; Faptul ca realizarea fortei de franare a vehiculului nu se bazeaza pe frecari coulombiene, evitandu-se astfel uzurile mecanice, ceea ce o face extrem de utila la circulatia cu viteze mari; Se preteaza foarte bine la comanda prin intermediul calculatorului.

Frana liniara cu curenti turbionari are in plus avantajul ca este independenta de aderenta dintre roata si sina. Totodata, ca si in cazul franei cu patina electromagnetica de cale, coborarea centrului de masa al boghiului este benefica in domeniul circulatiei cu viteze mari, pentru care este de altfel recomandat acest sistem de franare. Dintre dezavantajele utilizarii franei cu curenti turbionari putem mentiona: -

Necesita o putere de excitatie mare a bobinelor; Forta de franare la viteze mici scade considerabil; Nu poate fi utilizata decat ca frana complementara, deoarece nu asigura oprirea la punct fix; Electromagnetii franei cu curenti turbionari pot influenta circuitele de cale; Constituie o masa suplimentara, cu inconvenientele corespunzatoare; Efectul termic dezvoltat in masa metalica utilizata este semnificativ.

2.3 Franarea electica.

MATEI GABRIEL Master I - FIVCR

Franarea electrica se bazeaza pe proprietatea motorului electrci de a deveni generator cand este antrenat, fie de energia potentiala a trenului care coboara o panta, fie de energia cinetica a convoiului care trebuie oprit.La coborare viteza unghiulara a motorului se mentine aproape constanta, in timp ce la oprire trebuie sa se reduca pana la zero. Daca energie electrica dezvoltata de generator este disipata in rezistoare, franarea se numeste reostatica. Daca se trimite la retea, franarea este recuperativa. Utilizand franarea electrica -

reducem cheltuielile pentru inlocuirea sabotilor, bandajelor si pentru intretinerea instalatiei de franare pneumatica; marim siguranta franarii prin caracteristicile de franare constante; evitam patinarea deoarece generatorul inceteaza sa franeze cu osia blocata; eliminand patinarea evitam ovalizarea, eventual slabirea bandajelor; la franarea recuperativa, castigam energie electrica.

In schimb, motorul este solicitat electric, mecanic si mai ales termic si in timpul franarii. Putem utiliza atat franarea recuperativa cat si franarea reostatica pentru mentinerea vitezei la coborarea unei pante, numita ‘’franare de mentinere’’, sau pentru oprirea trenului, numita franare de oprire. Franarea recuperativa este rentabila in principiu numai pe sectii lungi si pantele de aproximativ 12..15 %, sau in cazul vehiculelor cu frecventa mare de opriri. Franarea recuperativa cee masuri speciale si aparataj suplimentar. Franarea reostatica se aplica usor la orice vehicul cu motoare electrice de tractiune. La franarea reostatica, deconectam motorul de la retea si il conectam la reostatul de franare Rf.

Fig 2.7 Schema : franare reostatica.

La franarea recuperativa scoatem excitatia motorului (serie), , reconectam circuitul rotoric la reta iar excitatia o facem separat (fig.2.8).

MATEI GABRIEL Master I - FIVCR

Fig.2.8 Schema : franare recuperativa

3. Analiza comparativa a sistemelor de franare complementare. Facand o analiza comparativa intre cele trei sisteme de franare complementare o sa gasim o serie de asemanari cat si deosebiri intre ele. In general aspectul general care le definesc pe acestea este faptul ca sunt independente de aderenta dintre roata si sina. Alt aspect asemanator acestora este faptul ca acestea sunt folosite preponderent la viteze mari de circulatie, unde sistemul de baza de frana nu mai poate sa aduca vehiculul la punct fix de oprire in conditii de siguranta. Frana electromagnetica si frana cu curenti turbionari au o serie de lucruri in comun care le definesc cat si unele diferente. Primul aspect ar fi acela ca ambele sunt utilizate la viteze mari de circulatie, cu mentiunea ca frana cu patina electromagnetica iese automat din functiune la viteza de 50km/h, viteza la care produce deceleratii foarte mari ale vehiculului care duc la disconfortul calatorilor.Pe de alta parte frana cu curenti turbionari este aproape ineficienta la viteze de 50..60 km/h.Ambele sisteme de franare nu pot fi utilizate pentru oprirea la punct fix. Cele doua deasemenea aduc un surplus de masa care conduc la coborarea centrului de masa al ansamblului boghiului , cu efecte benefice in cazul vehiculelor care circula cu viteze mari. O deosebire majora intre sistemul de frana electromagnetic si cel cu curenti turbionari este faptul, ca la frana electromagnetica avem frecari mari intre patina si sina.Este necesara schimbarea talpii patine la un interval de 100...150 de franari, pe cand realizarea fortei de franare a vehiculului cu curenti turbionari nu se bazeaza pe frecari si astfel se evita uzurile mecanice mari.O alta diferenta intre cele doua este ca una este nemoderabila (patina electromagnetica) iar cealalta este moderabila (frana cu curenti turbionari) Frana cu patina electromagnetica are nevoie de o putere de excitatie relativ mica, pe cand cea cu curenti turbionari necesita o putere de excitatie mare a bobinelor. 4. Necesitatea si utilitatea sistemelor de franare complementare.

MATEI GABRIEL Master I - FIVCR

Odata cu cresterea vitezelor de circulatie si impunerea unor norme de siguranta a circulatie frana de baza a vehiculelor bazata pe aderenta dintre roata si sina sa constata ca a inceput sa nu fie suficienta pentru a opri trenul la punct fix in anumite limite de siguranta ( 1200m).Acest lucru este efectul vitezelor mari( peste 180 km/h), unde se stie ca odata cu cresterea vitezei, scade aderenta dintre roata si sina, deci scade si forta de franare. Frana de baza poate sa opreasca trenul la punct fix, dar nu intr-un drum de franare si intr-un timp care sa sustina normele internationale de siguranta a circulatie.De aici a aparut si nevoia sistemelor complementare de franare, sisteme care sa nu se bazeze pe aderenta dintre roata si sina.Dintre aceste sisteme enumeram frana cu patina electromagnetica, frana cu curenti turbionari si frana electrica. Aceste sisteme complementare au fost capabile sa aduca surplusul de forta de franare necesar opririi trenului in conditii de siguranta.Totodata acestea au putut sa sustina nevoie omenirii de a circula din ce in ce mai repede pe caile ferate.O viteza de 200km/h este o viteza ‘’normala’’ pentru tarile europene.Odata cu necesitatea acestora si instalarea lor pe vehiculele feroviare,ele aduc si o anumita utilitate trenurilor.De exmplu coborarea centrului masei de greutate a boghiului care este foarte important la viteze mari.Deasemenea frana cu patina electromagnetica prin frecare dintre patina si sina in timpul franarii duce la o curatire energetica a suprafetei de rulare, in acest fel se pot obtine valori maxime ale fortelor de franare a sistemului de baza mai ridicate si o reducere a drumului de franare cu pana la 20...30% . 5. Concluzii Sistemele de franare complementare joaca un rol important in domeniul marilor viteze ale vehiculelor feroviare.Acestea vin cu avantaje cat si cu dezavantaje, dar nevoia utilizarii lor nu a fost niciodata pusa la indoiala. Desi aceste sisteme de franare vin sub diferite forme,ele au impins cresterea vitezelor cat mai mari de circulatie in conditii de siguranta,o caracteristica foarte importanta a acestor sisteme de franare . 6. Bibliografie. Cruceanu, C., Frâne pentru vehicule feroviare, Ed. MatrixRom, București 2009, ISBN 973-755061-7 Popa, G., Tractiune feroviara cu motoare asincrone trifazate, Ed. MatrixRom, București 2005 ISBN 973-685-958-1