Hamulec zespolony

Hamulec zespolony (hamulec pociągowy, hamulec główny, PN^[2][3])^[4] – hamulec w pociągu, który działa jednocześnie we wszystkich pojazdach pociągu^[4], a sterowany jest z jednego miejsca. Współcześnie stosowanym rozwiązaniem jest zespolony hamulec pneumatyczny. Wynaleziony w 1869 przez George’a Westinghouse’a, opatentowany w USA.

Hamulec klockowy

Zawór maszynisty hamulca zespolonego systemu Oerlikon FV4a^[1]

Zasada działania

Zasadniczymi częściami hamulca zespolonego są: sprężarka, zbiorniki powietrza (główny i pomocnicze), przewód główny, zawór sterujący i zawory rozrządcze oraz układ wykonawczy (siłowy) hamulca (tarczowy lub klockowy). Sprężarka zasila zbiornik główny powietrza, w którym panuje ciśnienie 0,7–1 MPa, z niego przez zawór sterujący zasilany jest przewód główny ciśnieniem 0,5 MPa^[5][6]. Przewód główny biegnie przez całą długość pociągu, w każdym wagonie łącząc się poprzez zawór rozrządczy ze zbiornikiem pomocniczym będącym rezerwuarem powietrza dla siłowników hamulca wagonu. Podczas jazdy ciśnienie w zbiorniku utrzymuje elementy cierne hamulca w odpowiedniej odległości od kół. Podczas hamowania służbowego, ciśnienie w przewodzie głównym jest obniżane o 0,05 do 0,15 MPa^[5][6] – wówczas – kiedy ciśnienie w zbiorniku pomocniczym przewyższa ciśnienie przewodu głównego - zawór rozrządczy łączy zbiornik pomocniczy z siłownikiem hamulca, który dociska klocek hamulcowy do koła. Przy hamowaniu nagłym (awaryjnym) ciśnienie jest szybko obniżane aż do ciśnienia atmosferycznego^[6], co wzmacnia siłę hamowania. Odblokowanie hamulca następuje po ponownym podwyższeniu ciśnienia w przewodzie głównym do 0,5 MPa, zbiorniki pomocnicze łączą się wówczas ponownie z przewodem głównym i następuje uzupełnienie zużytego na hamowanie powietrza w tych zbiornikach, zaś siłowniki hamulca odciągają klocki hamulcowe od koła. Takie działanie hamulca – inicjowanie hamowania poprzez obniżenie, a nie podwyższenie ciśnienia w przewodzie głównym – sprawia, że hamulec zespolony jest samoczynny - w razie rozszczelnienia instalacji, np. przy rozerwaniu pociągu następuje samoczynne hamowanie^[6], umożliwia też prostą realizację hamulca bezpieczeństwa - jest to po prostu zawór, łączący przewód główny z atmosferą.

Hamowanie nagłe

Hamowanie nagłe, nazywane również hamulcem/hamowaniem szybkim, awaryjnym, bezpieczeństwa, albo też: nagłe^[7] - jest to szczególny rodzaj hamowania^[4] który cechuje się szybkim działaniem i maksymalną siłą hamowania^[5][8][6]. Hamowanie nagłe wykonuje się przez szybkie i znaczne upuszczenie powietrza z przewodu głównego^[5][6]. Inny, szybszy i mocniejszy przebieg hamowania pociągu przy użyciu hamowania nagłego możliwy jest dzięki zastosowaniu przyśpieszaczy fali hamowania (przyśpieszacza)^[9][10].

Do wdrożenia hamowania nagłego zobowiązani są w Polsce pracownicy drużyny pociągowej (maszynista, kierownik pociągu) w razie zauważenia zagrożenia bezpieczeństwa w ruchu kolejowym któremu można zapobiec poprzez zatrzymanie pociągu^[11][12].

Maszynista widząc na torze przeszkodę uruchamia hamowanie nagłe i w celu ochrony własnego życia bardzo często opuszcza kabinę. Nic więcej zrobić nie może.

Maciej Górowski, "Hamulce w pojazdach szynowych. Podstawowa charakterystyka, budowa i eksploatacja". Paragraf na Drodze 2:17-49.

Aktywacja przez maszynistę

W celu wywołania hamowania nagłego należy przestawić zawór główny maszynisty (kran, zadajnik/nastawnik hamulca)^[13] w pozycję odpowiednią dla hamowania nagłego^[1][6]. W razie braku reakcji maszynista dysponuje w kabinie co najmniej jednym innym urządzeniem wywołującym hamowanie nagłe (np. klapa Ackermanna)^[14].

Wymuszone przez system

Hamowanie wymuszone przez system na ekranie DMI

Aktywacja hamulca nagłego może nastąpić drogą elektryczną lub pneumatyczną poprzez otwarcie odpowiedniego zaworu hamowania nagłego w pojeździe kolejowym. Elektryczny lub inny sygnał może zostać wysłany poprzez urządzenia alarmu pasażerskiego (PAS)^[15], urządzeń zabezpieczenia ruchu pociągów (ABP)^[6]: urządzeń czujności^[16] (SHP^[6][17], czuwak^[6], SIFA^[16]), RADIO-STOP^[18], urządzeń sterowania ruchem pociągów takich jak ERTMS/ETCS^[19][20].

Wymuszone przez pasażera lub personel pociągu

W pociągach pasażerskich stosuje się hamulce bezpieczeństwa dwóch typów:

Hamulec bezpieczeństwa starego typu

Które za pomocą prostych mechanicznych zaworów pneumatycznych (kurków^[21], klap Ackermana, lub też prostych elektrozaworów) powodują natychmiastowe opróżnienie przewodu głównego i niemożliwe do zatrzymania hamowanie nagłe^[10].

Zobacz więcej w sekcji Zawory nagłego hamowania.

Oznaczenie taboru zgodnego z danym typem hamulca bezpieczeństwa lub hamulca elektropneumetycznego

Hamulec bezpieczeństwa nowego typu z funkcją mostkowania

Hamulec bezpieczeństwa zgodny z jednym z rozwiązań technicznych eksploatowanych w Europie: System Alarmu Pasażera (PAS), UIC 541-6 NBA lub UIC 541-5 EBO/NBÜ^[15] - gdzie poprzez układy elektroniczne możliwe jest wstrzymanie na pewien czas wdrożenia hamowania, a dzięki temu możliwa kontrola maszynisty nad miejscem zatrzymania^[22].^[15]

Zobacz więcej w sekcji Hamulec bezpieczeństwa z funkcją mostkowania.

Wyczerpanie hamulca

Niebezpieczne zjawisko polegające na słabej sile hamowania, lub jej braku. Polega ono na wyczerpaniu się powietrza do hamowania w zbiornikach wagonu. Częste hamowanie i luzowanie w krótkim czasie mogłoby powodować napełniania i opróżniania cylindrów hamulcowych zużywając powietrze ze zbiorników pomocniczych wagonu szybciej, niż są one w stanie przyjąć powietrze z przewodu głównego. Obecnie eksploatowane hamulce, ze względu na stosowane rozwiązania techniczne, uważa się za niewyczerpane^[10][23].

Rozerwanie pociągu

Urwanie sprzęgu prowadzi do rozerwania pociągu. W sytuacji w której skład podzielił się na części następuje również odpięcie lub rozerwanie gumowych sprzęgów hamulcowych przewodu głównego. W tej sytuacji luźno zwisające główki sprzęgu hamulcowego łączą przewód główny z atmosferą doprowadzając do hamowania nagłego. Doprowadza to do samoistnego zatrzymania wszystkich jadących części pociągu^[6][10][23].

Rozerwanie pociągu może zdarzyć się z powodu nieprawidłowej techniki jazdy maszynisty, np. jeżeli maszynista długiego pociągu towarowego nie weźmie pod uwagę, że przód pociągu odhamowuje dużo szybciej niż koniec, i zacznie rozpędzać się, to mogą powstać naprężenia przekraczające wytrzymałość sprzęgów^[24].

Elementy układu hamulca zespolonego

Przewody pneumatyczne

Widoczne malowane na czerwono - sprzęgi przewodu głównego, i malowane na żółto - sprzęgi przewodu zasilającego.

Przewód główny

Przewód główny (PG, BP)^[10] nazywany również przewodem hamulcowym - jest elementem przekazującym pneumatyczne sygnały hamowania i luzowania poprzez zmianę ciśnienia wzdłuż całego pociągu (wszystkich pojazdów połączonych przewodem głównym)^[25][10]. Główki i zawory sprzęgów przewodu głównego są malowane na kolor czerwony^[10].

Przewód zasilający

Przewód zasilający (PZ, MRP)^[10] - jest elementem zasilającym cały pociąg w sprężone powietrze. Poza zasilaniem innych urządzeń jego ważną funkcją jest przyśpieszanie uzupełnienia powietrza w układzie hamulcowym wagonu. Zapobiega to zjawisku wyczerpania hamulca. Główki i zawory sprzęgów przewodu zasilającego malowane są na kolor żółty^[10].

Zawory nagłego hamowania

Kurek nagłego hamowania

Wagony wyposażano w kurek nagłego hamowania - zawór trójdrożny połączony z przewodem głównym. Kurek ten w położeniu zasadniczym jest zamknięty. W przypadku wystąpienia niebezpieczeństwa lub potrzeby zatrzymania pociągu pasażer, lub drużyna pociągowa, ciągnąc za rączkę kurka, albo cięgło prowadzące do kurka, łączy przewód główny z atmosferą. Z przewodu głównego ucieka szybko całe powietrze powodując hamowanie nagłe^[21].

• 
  Kurek hamowania nagłego z widocznym ujściem powietrza do atmosfery
• 
  Kurek hamowania nagłego w metrze rosyjskim
• 
  Kurek hamowania nagłego z informacją o karze za nieuprawnione użycie

Klapa Ackermanna

Jest to prosty zawór powietrzny zamontowany na przewodzie głównym. W stanie normalnym zamknięty, jednorazowe pociągnięcie za rączkę (ręcznie lub za pomocą cięgieł) powoduje stałe i pełne otwarcie całego przekroju zaworu. Połączenie przewodu głównego z atmosferą powoduje szybki i całkowity spadek powietrza, a w konsekwencji: hamowanie nagłe^[10]. Stosowana jako hamulec bezpieczeństwa^[22] lub w razie usterki zaworu głównego maszynisty^[14] w starszych pojazdach.

• 
  Klapa Ackermanna wraz z cięgłem - linką stalową
• 
  Rączka uruchamiająca klapę Ackermanna przez układ cięgieł
• 
  Rączka uruchamiająca wraz z układem cięgieł
• 
  Czerwona klapa Ackermanna widoczna pod pulpitem maszynisty lokomotywy EP07

Elektryczne

W nowoczesnych pojazdach sterowniki mikroprocesorowe sterują pracą przewodu głównego^[23]. Sterownik pojazdu zbiera dane od systemów zamontowanych na pojeździe, w szczególności odbiera żądanie hamowania nagłego od urządzeń pokładowych i realizuje je poprzez elektrozawory hamowania nagłego na odpowiednich tablicach hamulcowych^[26][23][10]. W systemie SHP i czuwaka (CA) brak reakcji maszynisty powoduje przerwanie zasilania elektrozaworów SHP/CA i wypuszczenie powietrza z przewodu głównego (nagłe)^[10].

Zobacz więcej w sekcji Hamowanie nagłe - Wymuszone przez system.

• 
  Elektropneumatyczna tablica hamulcowa pojazdu serii Tokyo Metro 10000
• 
  Tablica hamulcowa członu zmodernizowanego EN57
• 
  Tablica hamulcowa kabiny zmodernizowanego EN57

Hamulec bezpieczeństwa z funkcją mostkowania

Wyżej: Urządzenie alarmowe PAD, niżej: interkom CFA.

Rozwiązanie systemu Alarmu Pasażerskiego polegające na zintegrowaniu pętli bezpieczeństwa (pętli zaworów nagłego hamowania) z pętlą urządzeń PAS. W górnej części widoczny obwód doraźnego mostkowania styków urządzeń PAD. Przerwanie zasilania pętli i zaworów elektropneumatycznych powoduje spuszczenie powietrza z przewodu głównego^[15].

Alarm dla pasażerów^[27], System Alarmu Pasażera (PAS, Passenger Alarm System, EN 16334)^[15], NBA (UIC 541-6)^[15][28], EBO/NBÜ (UIC 541-5)^[15][29] - to rodzaj rozwijanych od 1997 r. rozwiązań technicznych hamulców bezpieczeństwa, w których pasażer wysyła do maszynisty żądanie wdrożenia hamulca, a maszyniście umożliwiono zignorowanie przez pewien czas żądania poprzez załączenie mostkowania hamulca^[15]. Ma to na celu zapobiegnięcie zatrzymania pociągu w miejscu niedozwolonym, z utrudnioną ewakuacją, takim jak: tunel, most, wiadukt^[22][15]. Celem rozwoju systemów jest ograniczenie wpływu pasażera na bieg pociągu^[15].

Założenia Systemu Alarm Pasażera (PAS) zgodnego z normą EN 16334 są następujące^[15]:

1. W sytuacji zagrożenia pasażer ma umożliwione wysłanie alarmu - żądania wdrożenia hamulca.
2. Maszynista ma określony czas na reakcję, może wstrzymać hamowanie kontrolując dzięki temu miejsce zatrzymania pociągu.
3. Gdy pociąg rusza z peronu - hamowanie jest wdrażane natychmiastowo.

Urządzenia wchodzące w skład systemu^[15]:

• Interfejs pasażera PAI (Passenger Alarm Interface), składający się z:
  • Urządzenie PAD - odpowiednio oznaczona rękojeść służąca do wysłania alarmu
  • Interkom / Interfejs CFA (Call for Aid) - umożliwiający rozmowę z obsługą pociągu niezależnie czy został wysłany alarm poprzez urządzenie PAD
• Moduł kabinowy PAS - urządzenie sterujące pracą systemu, posiada interfejs komunikacyjny umożliwiający komunikację z nadawcą alarmu/sygnału CFA, przycisk reakcji (mostkowania), sygnał audiowizualny otrzymania alarmu, może wywołać hamowanie nagłe poprzez powiązanie z pojazdem trakcyjnym.

Instalacja systemu różni się w zależności od przyjętych założeń. System można zbudować na zasadzie przerywania pętli bezpieczeństwa lub doraźnym mostkowaniu zaworów nagłego hamowania^[15].

Hamulec elektropneumatyczny

Ideowy schemat zaworów hamulca EP

Hamulec elektropneumatyczny (EP^[2][3]) to hamulec działający na sprężone powietrze uruchamiany (sterowany) przez sygnały elektryczne^[30].

Symbol na boku pojazdu oznaczający pojazd wyposażony w hamulec EP jednego z typów

Tabor kolejowy prawie zawsze posiada niesamoczynne układy hamulca EP^[30], które są niezdolne do samodzielnego zahamowania wszystkich pojazdów pociągu w przypadku przerwania ciągłości przewodu sterującego (rozerwania pociągu)^[31]. W tej sytuacji podstawowym hamulcem, to znaczy takim, który musi być zawsze sprawny^[10], jest zespolony samoczynny hamulec pneumatyczny^[10][30] (nazywany dalej PN). Jednakże hamulce EP projektowane są jako układy ściśle współdziałające z hamulcem PN.^[30] Tworzą one podwójne układy, w których w normalnych warunkach do hamowania używany jest hamulec EP, a hamulec PN stanowi rezerwę zwiększającą bezpieczeństwo gdy hamowanie EP zawiedzie^[30]. Obydwa układy mogą być uruchamiane jednym zaworem maszynisty (kranem, zadajnikiem), a praca obydwu układów ze względów bezpieczeństwa jest tak daleko sprzężona, że uszkodzenie hamulca EP w trakcie hamowania często powoduje automatyczne uruchomienie hamulca PN^[30].

• niesamoczynny – elektryczne sygnały sterujące oddziałują bezpośrednio na zawory rozrządcze, bez obniżania ciśnienia w przewodzie głównym, przy zachowanej możliwości hamowania czysto pneumatycznego. Na PKP jest stosowany w elektrycznych zespołach trakcyjnych.
• samoczynny – elektryczne sygnały sterujące oddziałują na dodatkowe elektrozawory, które powodują zmiany ciśnienia w przewodzie głównym i dalsze działanie hamulca jak przy hamowaniu pneumatycznym. Wspomaga to działanie zaworu maszynisty poprzez przyspieszenie zmian ciśnienia w przewodzie głównym oraz wyrównanie profilu ciśnienia wzdłuż długości pociągu. Na PKP jest zamontowany w części wagonów standardu Z.