Freno ferroviario

Un freno ferroviario è un tipo di freno utilizzato sulle automobili dei treni ferroviari per consentire la decelerazione, il controllo dell'accelerazione (in discesa) o per mantenerli immobili quando parcheggiati. Mentre il principio di base è simile a quello sull'uso dei veicoli stradali, le caratteristiche operative sono più complesse a causa della necessità di controllare più carrelli collegati e di essere efficaci sui veicoli lasciati senza motore primo. I freni di chiusura sono un tipo di freni storicamente utilizzati sui treni.

All'inizio

Nei primi giorni delle ferrovie, la tecnologia di frenata era primitiva. I primi treni avevano i freni attivi sull'offerta locomotiva e sui veicoli del treno, dove "facchini" o, nei freni degli Stati Uniti, viaggiando allo scopo su quei veicoli azionavano i freni. Alcune ferrovie hanno montato uno speciale fischio frenante sulle locomotive per indicare ai facchini la necessità di applicare i freni. Tutti i freni in questa fase di sviluppo sono stati applicati azionando una vite e un collegamento ai blocchi dei freni applicati ai gradini delle ruote e questi freni potevano essere utilizzati quando i veicoli erano parcheggiati. Nei primi tempi, i facchini viaggiavano in rozzi rifugi fuori dai veicoli, ma "assistenti di guardia" che viaggiavano all'interno di veicoli passeggeri e che avevano accesso a una ruota del freno ai loro posti, li soppiantarono. Lo sforzo di frenata ottenibile era limitato ed era anche inaffidabile, poiché l'applicazione dei freni da parte delle protezioni dipendeva dal loro udito e dalla risposta rapida a un fischio per i freni.

Uno sviluppo iniziale fu l'applicazione di un freno a vapore alle locomotive, in cui la pressione della caldaia poteva essere applicata ai blocchi dei freni sulle ruote della locomotiva. Con l'aumentare della velocità del treno, è diventato essenziale fornire un sistema di frenatura più potente in grado di applicare e rilasciare istantaneamente l'operatore del treno, descritto come un freno continuo perché sarebbe efficace continuamente lungo la lunghezza del treno.

Nel Regno Unito, l'incidente ferroviario di Abbots Ripton nel gennaio 1876 fu aggravato dalle lunghe distanze di arresto dei treni espressi senza freni continui, che - divenne chiaro - in condizioni sfavorevoli poteva superare notevolmente quelle ipotizzate durante il posizionamento dei segnali. Ciò era emerso dalle prove sui freni ferroviari condotte a Newark nell'anno precedente, per assistere una Commissione reale che aveva poi preso in considerazione incidenti ferroviari. Nelle parole di un funzionario ferroviario contemporaneo, questi

ha dimostrato che in condizioni normali era necessaria una distanza compresa tra 800 e 1200 iarde per far riposare un treno quando si viaggia a 45½ a 48½ mph, molto inferiore alla normale velocità di viaggio dei treni espressi più veloci. I funzionari delle ferrovie non erano preparati per questo risultato e fu ammessa la necessità di molta più potenza frenante

Le prove condotte dopo l'abate Ripton riportarono quanto segue (per un treno espresso che corrispondeva all'incirca a uno di quelli coinvolti, come in una caduta su 1 200, ma diversamente dalla frenata in condizioni favorevoli)

Tuttavia, non esisteva una chiara soluzione tecnica al problema, a causa della necessità di raggiungere un tasso ragionevolmente uniforme di sforzo di frenata in un treno e della necessità di aggiungere e rimuovere veicoli dal treno in punti frequenti del viaggio. (A queste date, i treni di unità erano una rarità).

I principali tipi di soluzione erano:

• Un sistema a molla: James Newall, costruttore di carrozze per la Lancashire e la Yorkshire Rail, nel 1853 ottenne un brevetto per un sistema in base al quale un'asta rotante che passava per la lunghezza del treno veniva utilizzata per caricare le leve dei freni su ciascun carrello contro la forza del cono molle trasportate in cilindri. L'asta, montata sui tetti dei carrelli in riviste di gomma, era dotata di giunti universali e brevi sezioni scorrevoli per consentire la compressione dei respingenti. I freni erano controllati da un'estremità del treno. La guardia avvolse l'asta, comprimendo le molle, per rilasciare i freni; sono stati tenuti fuori da un singolo cricchetto sotto il suo controllo (anche se in caso di emergenza il guidatore potrebbe attingere a un cavo per rilasciare il cricchetto). Quando il cricchetto fu rilasciato, le molle azionarono i freni. Se il treno si divideva, i freni non venivano trattenuti dal cricchetto nel compartimento della guardia e le molle di ciascun carrello spingevano i freni sulla ruota. L'eccesso di gioco nei giunti limitava l'efficacia del dispositivo a circa cinque carrelli; protezioni aggiuntive e vani freno erano necessari se questo numero veniva superato. Questo apparato è stato venduto a poche società e il sistema ha ricevuto raccomandazioni dal Board of Trade. L&Y ha condotto una sperimentazione simultanea con un sistema simile progettato da un altro dipendente, Charles Fay, ma è stata riscontrata poca differenza nella loro efficacia. Nella versione di Fay, brevettata nel 1856, le aste passavano sotto i carrelli e l'applicazione a molla, che offriva l'importante funzione "automatica" di Newall ma poteva agire in modo troppo violento, fu sostituita da una vite senza fine e una cremagliera per ogni freno.
• Il freno della catena, in cui una catena era collegata continuamente lungo la parte inferiore del treno. Quando tirato stretto, attivava una frizione che utilizzava la rotazione delle ruote per serrare un sistema frenante in quel punto; questo sistema presenta gravi limiti di lunghezza del treno che può essere gestito (poiché la forza frenante era considerevolmente più debole dopo la terza vettura) e di ottenere una buona regolazione (dare al gioco i giunti a perno necessari, che una catena a lunghezza fissa non poteva tenere conto ). Negli Stati Uniti, il freno a catena fu sviluppato e brevettato in modo indipendente da Lucious Stebbins di Hartford, nel Connecticut nel 1848 e da William Loughridge di Weverton, nel Maryland nel 1855. La versione britannica era nota come Clark e Webb Brake, dopo John Clark, che lo sviluppò nel corso degli anni 1840 e Francis William Webb, che lo perfezionò nel 1875. Il freno a catena rimase in uso fino agli anni 1870 in America e 1890 nel Regno Unito.
  • Il freno Heberlein è una notevole variazione del freno a catena popolare in Germania, che utilizza un cavo aereo anziché una catena non collegata.
• Freni idraulici. Come per i freni (passeggeri) dell'auto; la pressione di azionamento per applicare i freni è stata trasmessa idraulicamente. Questi trovarono un certo favore nel Regno Unito (ad es. Con la Midland e la Great Eastern Railways), ma l'acqua fu usata come fluido idraulico e persino nel Regno Unito "Le possibilità di congelamento si rivelarono contro i freni idraulici, sebbene la Great Eastern Railway, che li usava per un po ', superato questo con l'uso di acqua salata "

• Il semplice sistema di aspirazione. Un espulsore sulla locomotiva creava un vuoto in un tubo continuo lungo il treno, consentendo alla pressione dell'aria esterna di azionare i cilindri dei freni su ogni veicolo. Questo sistema era molto economico ed efficace, ma presentava la maggiore debolezza che diventava inoperante se il treno si divideva o se il tubo del treno veniva rotto.
• Il freno a vuoto automatico. Questo sistema era simile al semplice sistema del vuoto, tranne per il fatto che la creazione del vuoto nel tubo del treno esauriva i serbatoi del vuoto su ogni veicolo e rilasciava i freni. Se il conducente applicava il freno, la valvola del freno del conducente ammetteva aria atmosferica al tubo del treno e questa pressione atmosferica applicava i freni al vuoto nei serbatoi del vuoto. Essendo un freno automatico, questo sistema applica uno sforzo di frenata se il treno si divide o se il tubo del treno si rompe. Lo svantaggio è che i grandi serbatoi del vuoto erano richiesti su ogni veicolo e che la loro massa e i meccanismi piuttosto complessi erano considerati discutibili.
• Il sistema di freno ad aria di Westinghouse. In questo sistema, vengono forniti serbatoi d'aria su ogni veicolo e la locomotiva carica il tubo del treno con una pressione dell'aria positiva, che rilascia i freni del veicolo e carica i serbatoi dell'aria sui veicoli. Se il conducente applica i freni, la sua valvola del freno rilascia aria dal tubo del treno e le valvole triple su ciascun veicolo rilevano la perdita di pressione e ammettono l'aria dai serbatoi dell'aria ai cilindri dei freni, applicando i freni. Il sistema Westinghouse utilizza serbatoi d'aria e cilindri dei freni più piccoli rispetto alle corrispondenti apparecchiature per il vuoto, poiché è possibile utilizzare una pressione dell'aria moderatamente alta. Tuttavia, è necessario un compressore d'aria per generare l'aria compressa e nei giorni precedenti delle ferrovie, ciò richiedeva un grande compressore d'aria a vapore alternativo, e questo era considerato da molti ingegneri altamente indesiderabile. Un ulteriore svantaggio era la necessità di rilasciare completamente il freno prima che potesse essere riattivato, inizialmente non era disponibile un "rilascio graduabile" e si sono verificati numerosi incidenti mentre la potenza del freno era temporaneamente non disponibile.

Nota: esistono diverse varianti e sviluppi di tutti questi sistemi.

Le prove di Newark mostrarono che le prestazioni di frenata dei freni ad aria di Westinghouse erano nettamente superiori: ma per altri motivi era il sistema di vuoto che veniva generalmente adottato sulle ferrovie del Regno Unito.

Più tardi pratica britannica

Nella pratica britannica, solo i treni passeggeri erano dotati di freni continui fino al 1930 circa; treni merci e minerali correvano a una velocità inferiore e facevano affidamento sulla forza frenante della locomotiva, del tender e del furgone, un veicolo pesante fornito sul retro del treno e occupato da una guardia.

I veicoli merci e minerali avevano freni a mano che venivano azionati da una leva manuale azionata dal personale a terra. Questi freni a mano venivano usati ove necessario quando i veicoli erano parcheggiati, ma anche quando i treni scendevano in forte pendenza. Il treno si fermò in cima alla pendenza e la guardia avanzò per "fissare" le maniglie dei freni, quindi i freni furono parzialmente applicati durante la discesa. I primi veicoli merci avevano le maniglie dei freni solo su un lato ma, a partire dal 1930 circa, erano necessarie le maniglie dei freni su entrambi i lati dei veicoli buoni. I treni contenenti veicoli frenati a mano furono descritti come "non montati": erano in uso in Gran Bretagna fino al 1985 circa. A partire dal 1930 circa furono introdotti treni semi-montati, in cui i veicoli merci dotati di freni continui venivano schierati accanto alla locomotiva, dando potenza di frenata sufficiente per funzionare a velocità più elevate rispetto ai treni non montati. Una prova nel gennaio del 1952 vide un treno a carbone da 52 vagoni, 850 tonnellate, che percorreva 127 miglia (204 km) ad una media di 38 miglia orarie (61 km / h), rispetto alla normale velocità massima sulla linea principale Midland di 25 miglia orarie (40 km / h) per treni merci non montati. Nel 1952, il 14% dei vagoni aperti, il 55% dei vagoni coperti e l'80% dei camion di bestiame avevano freni a vuoto.

Agli albori delle locomotive diesel, alla locomotiva era attaccato un apposito freno appositamente progettato per aumentare lo sforzo di frenata durante il trasporto di treni non montati. Il tender del freno era basso, in modo che il guidatore potesse ancora vedere la linea e segnalare in anticipo se il tender del freno era spinto (spinto) davanti alla locomotiva, come spesso accadeva.

Nel 1878 c'erano oltre 105 brevetti in vari paesi per i sistemi di frenatura, la maggior parte dei quali non erano ampiamente adottati.

Freni continui

Con l'aumentare dei carichi, pendenze e velocità del treno, la frenata è diventata un problema. Alla fine del XIX secolo, iniziarono ad apparire freni continui significativamente migliori. Il primo tipo di freno continuo era il freno a catena che utilizzava una catena, che percorreva la lunghezza del treno, per azionare i freni su tutti i veicoli contemporaneamente.

Il freno della catena fu presto sostituito da freni ad aria o ad aspirazione. Questi freni utilizzavano tubi che collegavano tutti i vagoni di un treno, in modo che l'operatore potesse azionare o rilasciare i freni con una sola valvola nella locomotiva.

Questi freni continui possono essere semplici o automatici, la differenza essenziale è ciò che accade in caso di rottura del treno in due. Con semplici freni, è necessaria la pressione per applicare i freni e tutta la potenza di frenata viene persa se il tubo continuo viene rotto per qualsiasi motivo. I semplici freni non automatici sono quindi inutili quando le cose vanno davvero male, come mostrato dal disastro ferroviario di Armagh.

I freni automatici invece utilizzano la pressione dell'aria o del vuoto per trattenere i freni contro un serbatoio trasportato su ciascun veicolo, che applica i freni se si perde pressione / vuoto nel tubo del treno. I freni automatici sono quindi in gran parte "fail-safe", sebbene una chiusura errata dei rubinetti dei tubi flessibili possa causare incidenti come l'incidente della Gare de Lyon.

Il freno ad aria standard di Westinghouse ha l'ulteriore potenziamento di una tripla valvola e serbatoi locali su ciascun vagone che consentono di applicare completamente i freni con solo una leggera riduzione della pressione dell'aria, riducendo il tempo necessario per rilasciare i freni poiché non tutti la pressione viene annullata nell'atmosfera.

I freni non automatici hanno ancora un ruolo sui motori e sui primi carri, poiché possono essere utilizzati per controllare l'intero treno senza dover applicare i freni automatici.

tipi

Freni aria contro vuoto

Nella prima parte del 20 ° secolo, molte ferrovie britanniche impiegavano freni a vuoto anziché i freni ad aria ferroviari utilizzati in gran parte del resto del mondo. Il vantaggio principale del vuoto era che il vuoto può essere creato da un espulsore di vapore senza parti mobili (e che potrebbe essere alimentato dal vapore di una locomotiva a vapore), mentre un sistema di frenatura ad aria richiede un compressore rumoroso e complicato.

Tuttavia, i freni ad aria possono essere resi molto più efficaci dei freni a vuoto per una determinata dimensione del cilindro del freno. Un compressore per freni ad aria è in genere in grado di generare una pressione di 90 psi (620 kPa; 6,2 bar) contro solo 15 psi (100 kPa; 1,0 bar) per il vuoto. Con un sistema a vuoto, il massimo differenziale di pressione è la pressione atmosferica (14,7 psi o 101 kPa o 1,01 bar a livello del mare, meno in quota). Pertanto, un sistema di frenatura ad aria può utilizzare un cilindro del freno molto più piccolo di un sistema di aspirazione per generare la stessa forza frenante. Questo vantaggio dei freni ad aria aumenta ad alta quota, ad esempio Perù e Svizzera, dove oggi i freni a vuoto sono utilizzati dalle ferrovie secondarie. L'efficacia molto più elevata dei freni ad aria e il declino della locomotiva a vapore hanno visto il freno ad aria diventare onnipresente; tuttavia, la frenata a vuoto è ancora in uso in India, Argentina e Sudafrica, ma questo diminuirà nel prossimo futuro. Vedi Jane's World Railways .

Miglioramenti del freno ad aria

Un potenziamento del freno ad aria automatico è di avere un secondo tubo dell'aria (il serbatoio principale o la linea principale) lungo il treno per ricaricare i serbatoi dell'aria su ciascun vagone. Questa pressione dell'aria può anche essere utilizzata per azionare porte di carico e scarico su carri di grano e carri di carbone e zavorra. Sugli autobus passeggeri, il tubo principale del serbatoio viene utilizzato anche per fornire aria per azionare porte e sospensioni pneumatiche.

Freni elettropneumatici

Il freno EP dalle prestazioni più elevate utilizza un "tubo del serbatoio principale" che alimenta l'aria a tutti i serbatoi del treno, con le valvole dei freni controllate elettricamente con un circuito di controllo a tre fili. Ciò fornisce tra quattro e sette livelli di frenata, a seconda della classe di treno. Inoltre, consente una frenata più rapida, poiché il segnale di controllo elettrico viene propagato in modo efficace istantaneamente a tutti i veicoli del treno, mentre il cambiamento della pressione dell'aria che attiva i freni in un sistema convenzionale può richiedere diversi secondi o decine di secondi per propagarsi completamente a la parte posteriore del treno. Questo sistema non è tuttavia utilizzato sui treni merci a causa dei costi.

Il sistema adottato sulle ferrovie britanniche dal 1950 in poi è descritto al sistema di frenatura elettropneumatico sui treni ferroviari britannici

Freni pneumatici a controllo elettronico

I freni pneumatici a controllo elettronico (ECP) sono uno sviluppo della fine del XX secolo per gestire treni merci molto lunghi e pesanti e sono uno sviluppo del freno EP con un livello di controllo ancora più elevato. Inoltre, le informazioni sul funzionamento dei freni su ciascun vagone vengono restituite al pannello di controllo del conducente.

Con ECP, una linea di alimentazione e controllo è installata da vagone a vagone dalla parte anteriore del treno alla parte posteriore. I segnali di controllo elettrico vengono propagati in modo efficace istantaneamente, al contrario dei cambiamenti nella pressione dell'aria che si propagano a una velocità piuttosto lenta limitata nella pratica dalla resistenza al flusso d'aria delle tubazioni, in modo che i freni su tutti i vagoni possano essere applicati contemporaneamente, o anche da dalla parte posteriore alla parte anteriore piuttosto che dalla parte anteriore a quella posteriore. In questo modo si evitano i carri posteriori che "spingono" i carri anteriori e si riducono la distanza di arresto e si riduce l'usura dell'attrezzatura.

Esistono due marchi di freni ECP disponibili in Nord America, uno di New York Air Brake e l'altro di Wabtec. Questi due tipi sono intercambiabili.

Identificazione

I freni ad aria funzionano ad alta pressione e i tubi dell'aria alle estremità del materiale rotabile hanno un diametro ridotto. D'altro canto, i freni a vuoto funzionano a bassa pressione e i tubi flessibili alle estremità del materiale rotabile hanno un diametro maggiore.

I freni ad aria sui veicoli più esterni di un treno vengono disattivati ​​con un rubinetto. I freni a vuoto nei veicoli più esterni di un treno sono sigillati da tappi che vengono aspirati in posizione.

Reversibilità

Le connessioni dei freni tra i carri possono essere semplificate se i carri puntano sempre allo stesso modo. Si farebbe un'eccezione per le locomotive che vengono spesso girate su giradischi o triangoli.

Sulla nuova ferrovia Fortescue inaugurata nel 2008, i carri sono gestiti in serie, sebbene la loro direzione cambi in corrispondenza del circuito dei palloncini del porto. Le connessioni ECP sono solo su un lato e sono unidirezionali.

Incidenti con freni

Freni difettosi o applicati in modo improprio possono portare a un treno in fuga; in alcuni casi ciò ha causato disastri ferroviari:

• Deragliamento Lac-Mégantic, Quebec (2013), i freni a mano sono stati inseriti in modo improprio su un treno di petrolio greggio parcheggiato incustodito, vagoni cisterna in fuga rotolavano giù da un pendio e deragliavano a causa dell'eccessiva velocità su una curva nel centro della città, versando cinque milioni di litri di petrolio e causando incendi che hanno ucciso 47 persone.
• Repubblica Democratica del Congo a ovest di Kananga (2007) - 100 morti.
• Disastro ferroviario Igandu, Tanzania (2002) - fuggitivo all'indietro - 281 morti.
• Disastro ferroviario di Tenga, Mozambico (2002) - fuggitivo all'indietro - 192 morti.
• Disastro ferroviario di San Bernardino, California (1989) - i freni fallirono nel treno merci che si schiantò contro le case
• Incidente ferroviario della Gare de Lyon, Francia (1988) - valvola chiusa per errore che porta alla fuga.
• Incidente ferroviario generale di Chester, Regno Unito (1972) - i freni sono falliti sul treno del carburante che ha colpito una DMU parcheggiata
• Chapel-en-le-Frith, Gran Bretagna (1957) - il tubo del vapore rotto rese impossibile per l'equipaggio applicare i freni.
• Naufragio del treno Federal Express, Union Station, Washington, DC, (1953) - valvola chiusa da una piastra tampone mal progettata.
• Catastrofe ferroviaria di Torre del Bierzo, Spagna (1944) - i freni fallirono nel sovraccarico di un treno passeggeri che si scontrò con un altro in un tunnel; un terzo treno non era a conoscenza e vi si schiantò contro.
• Deragliamento di Saint-Michel-de-Maurienne, Francia 1917 - treno in fuga con pendenza del 3,3 percento, con freni ad aria compressa su solo 3 delle 19 auto e su locomotiva incapace di mantenere il treno al di sotto della velocità autorizzata - 700 morti.
• Disastro ferroviario di Armagh, Irlanda del Nord (1889) - La fuga all'indietro ha portato a un cambiamento di legge.
• Incidente ferroviario di Shipton-on-Cherwell, Oxford (1874) - causato dalla frattura di una ruota di carrozza.

Galleria

• Loco dall'Uganda con un piccolo tubo del freno pneumatico sopra il raccordo e il rubinetto.
• Grecia NG Air Brake
  Tubo sottile sopra e toccare