transportszynowy.pl

najobszerniejsze centrum wiedzy o transporcie szynowym po polsku

Układy i urządzenia hamulcowe > Hamulce klockowe

Hamulce klockowe to najpopularniejsze z dotychczas stosowanych rodzajów hamulców ciernych na kolei, które jednak w nowoprodukowanych pojazdach trakcyjnych i wagonach pasażerskich stosowane są rzadko. Ich miejsce zajmują hamulce tarczowe. Powszechnie natomiast nadal hamulce klockowe zabudowywane są w wagonach towarowych.

W tym rodzaju hamulców wytwarzanie siły tarcia zachodzi na styku profilu tocznego koła zestawu kołowego i wstawek ciernych klocków hamulcowych, które są podczas uruchomionego hamowania do niego dociskane przez mechaniczną przekładnię hamulcową (układ dźwigni i cięgien siłowych) lub zintegrowany mechanizm siłownika.
Do napędu hamulców klockowych wykorzystuje się sprężone powietrze wtłaczane do cylindrów hamulcowych (siłowników), których tłoki połączone są z klockami hamulcowymi przez układ siłowej przekładni mechanicznej, lub siłę mięśni przy zastosowaniu hamulca ręcznego.
W zakresie współpracy z kołami rozróżnia się układ pojedynczy i podwójny. W tym pierwszym tylko jeden klocek hamulcowy jest dociskany do profilu koła (pojedyncza para cierna).


Przykładowy wózek z pojedynczymi klockami dla danego koła

W układzie podwójnym do koła dociskane są dwa klocki hamulcowe (dwie pary cierne).


Przykładowy układ hamulca klockowego z dwoma klockami dla jednego koła (opis na powiększeniu)

W skład klocków hamulcowych wchodzą obsady wstawek i zamocowane w nich wstawki hamulcowe. Czyli elementami trącymi nie są klocki (jak to określa się w samochodach) tylko wstawki cierne.


Klocek hamulcowy (opis na powiększeniu)





Hamulec klockowy przy kole parowozu


W omawianym typie hamulców wstawki cierne wykonane są z żeliwa lub tworzyw kompozytowych. Wstawki żeliwne wykonywane są z żeliwa szarego lub fosforowego. Te drugie mają tendencję do większego iskrzenia. Wstawki kompozytowe natomiast wykonane są z bezazbestowego, olejoodpornego prasowanego materiału ciernego, który składa się z żywic, elastomerów oraz modyfikatorów tarcia i włókien mineralnych, które wzmacniają strukturę. Wstawki kompozytowe wykonywane ze spieków metalicznych zawierają składniki metaliczne i niemetaliczne (proszki żelaza lub miedzi stanowiące osnowę, dodatki ślizgowe zapobiegające zatarciom, dodatki cierne zapewniające wymagany współczynnik tarcia oraz wypełniacze). Do produkcji wstawek kompozytowych z tworzyw sztucznych stosuje się materiały kauczukowe, fenolowe, formaldehydowe, które są związane w strukturze kompozytowej z zastosowaniem lepiszczy z wypełniaczami.
Pozytywnymi cechami wstawek kompozytowych jest brak iskrzenia podczas hamowania, duża odporność na zużycie, brak piszczenia w końcowej fazie hamowania oraz niższa cena zakupu. Wstawki kompozytowe powodują mniejsze chropowacenie profilu koła, co przekłada się na cichsza jazdę, ale z drugiej strony na obniżenie współczynnika tarcia pomiędzy kołem, a szyną. Do ich wad należą natomiast złe własności w przewodzeniu ciepła - aż 95% ciepła pochłania koło, a pozostałe 5% wstawka (przy wstawkach żeliwnych wstawka pochłania aż 30-40% ciepła wytworzonego na skutek współpracy pary ciernej), obniżenie współczynnika przyczepności koła do szyny (gorsze właściwości czyszczące), większa wrażliwość na wilgoć, wodę i śnieg. 

Kliknij aby powiększyć   Kliknij aby powiększyć 
Przykładowa wstawka hamulcowa żeliwna

Poniższe fotografie przedstawiają wstawki żeliwne obrzeżowe. Dzięki zastosowaniu kołnierza, który obejmuje obrzeże koła zwiększona zostaje powierzchnia cierna wstawki oraz następuje tarcie na całej szerokości profilu zewnętrznego koła.

   
Wstawki żeliwne obrzeżowe

   
Przykładowe wstawki kompozytowe


W zależności od rodzaju zastosowanych wstawek na nadwoziu pojazdu umieszcza się odpowiednie oznaczenia:


Oznaczenia rodzaju zastosowanych wstawek hamulca klockowego
1 - hamulce klockowe ze wstawkami o wysokim współczynniku tarcia
2 - hamulce klockowe ze wstawkami o średnim współczynniku tarcia
3 - hamulce klockowe ze wstawkami o niskim współczynniku tarcia
Brak oznaczenia 1-3 na nadwoziu oznacza, że pojazd jest wyposażony w hamulce klockowe ze wstawkami żeliwnymi.

Zobacz opis oznaczeń pojazdów kolejowych - tutaj.

Opisane powyżej wady wstawek kompozytowych, przy jednoczesnym błędnym doborze materiałów i nieprawidłowo wykonanych analizach i badaniach, doprowadziły do niebezpiecznej sytuacji na trasie kolejowej w okolicach Żywca. Elektryczny zespół trakcyjny serii EN57 stracił tam hamowanie z powodu zamontowania w nim wadliwe zaprojektowanych i wyprodukowanych wstawek kompozytowych odmiany LL. W tamtych czasach (rok 2005), w kabinach maszynistów, wywieszano wręcz informacje o treści: "uwaga - pojazd na kompozytach!", co oznaczało, że taki pojazd gorzej hamuje. Jednak nikt, poza maszynistami, za bardzo się nie przejmował wydłużonymi drogami hamowania pociągów. Poniżej zamieszczam film z cyklu "Czarne Dni Kolei", omawiający szczegółowo wydarzenia z tej katastrofy.



Po tamtym zdarzeniu wycofano całą partię wadliwych wstawek typu LL. Alerty dotyczące problemów ze wstawkami kompozytowymi pojawiały się też w innych krajach. Wstawki tego typu są powszechnie stosowane ze względu na cichszą jazdę i niższe koszty eksploatacji, a przy prawidłowym wykonaniu zapewniają wymagany przepisami poziom bezpieczeństwa.

Rozróżnia się trzy rodzaje klocków: jednowstawkowe, dwuwstawkowe (ze sztywnie osadzonymi wstawkami) oraz podwójne dwuwstawkowe (z przegubowo osadzonymi wstawkami). Ilość stosowanych wstawek jest zależna od wymagań skuteczności hamowania w odniesieniu do masy pojazdu, maksymalnej prędkości konstrukcyjnej, ilości kół i aspektów termicznych związanych z nagrzewaniem się par ciernych podczas tarcia.

Kliknij aby powiększyć   
Klocek jednowstawkowy ze wstawką kompozytową (opis na powiększeniu)


Kliknij aby powiększyć   
Klocek dwuwstawkowy ze wstawkami kompozytowymi - dwie wstawki obsadzone we wspólnej obsadzie


Kliknij aby powiększyć   
Klocek podwójny dwuwstawkowy ze wstawkami żeliwnymi - dwie wstawki w niezależnych obsadach połączone uchwytem klocka (opis na powiększeniu) 


Każda wstawka hamulcowa jest w swojej obsadzie zabezpieczona klinem. Wymiary obsad i wstawek są znormalizowane. Grubość nowej wstawki wynosi 60mm natomiast graniczna grubość zużytej wstawki nie może być mniejsza niż 20mm.


Obsady wstawek i kliny mocujące wstawki do obsad
- obsada na dwie wstawki (tworzy klocek dwuwstawkowy)
- obsada na jedną wstawkę (tworzy klocek jednowstawkowy)

Podczas hamowania na styku wstawki hamulcowej i powierzchni tocznej koła jezdnego powstaje temperatura, której wysokość jest zależna od mocy hamowania - siły z jaką wstawki są dociskane. W celu poprawienia chłodzenia stosuje się na wstawkach od strony ciernej specjalne nacięcia (rowki) do lepszego odprowadzenia ciepła. W przypadku wstawek żeliwnych fosforowych rowki służą również do ograniczenia iskrzenia.

Kliknij aby powiększyć  Kliknij aby powiększyć 
Przykładowe zdjęcia zużytych wstawek hamulcowych


Pęknięcie na wstawce


Kliknij aby powiększyć   
Składowisko zużytych wstawek żeliwnych do przetopienia

Wstawki klocków hamulcowych dociskane są do powierzchni tocznych kół poprzez układ dźwigni i cięgien siłowych, czyli tak zwaną przekładnię mechaniczną hamulca. Wprawianie w ruch tych elementów realizują tłoczyska cylindrów (siłowników) hamulcowych.

Przekładnia mechaniczna hamulca klockowego może mieć układ pojedynczy, gdy jeden zestaw kołowy lub koło posiada indywidualny siłownik hamulcowy lub grupowy gdy jeden siłownik (cylinder) hamulcowy służy do napędu klocków np. jednego wózka / wózków lub hamulców całego pojazdu.

Grupowy układ hamulca klockowego
W wagonach pasażerskich z hamulcem klockowym stosuje się najczęściej grupową przekładnię mechaniczną hamulca. Wózek w takim przypadku posiada swój indywidualny cylinder hamulcowy (siłownik) zamontowany w podwoziu pojazdu. W cylindrze hamulcowym znajduje się tłok, który pod wpływem wpuszczania do cylindra sprężonego powietrza z pneumatycznego układu hamulcowego jest wypychany. Tłoczysko połączone jest przez układ dźwigni i cięgien z klockami hamulcowymi. W wyniku ruchu posuwistego tłoczyska następuje odpowiedni ruch elementów przekładni hamulca przez co następuje dociskanie wstawek klocków hamulcowych do profili tocznych kół. Oczywiście im siła docisku jest większa, tym mocniejsza siła hamowania. Wypuszczenie powietrza z cylindra luzuje układ przekładniowy hamulców. Sprężyna powrotna zamontowana w cylindrze powoduje cofanie tłoka w wyniku czego przez przeciwny niż przy hamowaniu ruch cięgien i układu dźwigni przekładniowych, następuje odsuwanie się wstawek ciernych od kół.
W miarę eksploatacji wstawki hamulcowe zużywają się. Z tego powodu w układzie mechanicznym hamulca zastosowany jest tak zwany nastawiacz, który dopasowuje odpowiednio długość cięgien tak, by był zachowana była jednakowy, prawidłowy docisk wstawek niezależnie od stopnia ich zużycia.
Nastawiacz SAB-DRV w przekładni hamulca ma kształt długiego walca, zawierającego wewnątrz obudowy mechanizm regulacji długości składający się z wrzeciona z gwintem specjalnym (nie samohamownym) współpracujących z nim nakrętek oraz zestawu sprężyn i elementów w kształcie pierścieni i tulei tworzących sprzęgło.
Przy każdym cyklu hamowania i luzowania w wyniku sekwencji zasprzęgleń oraz przemieszczenia nakrętek względem wrzeciona zachodzi korygowanie położenia wrzeciona w obudowie dzięki czemu zapewnione jest utrzymanie stałej odległości każdej wstawki hamulcowej od profilu tocznego koła jezdnego niezależnie od grubości wstawki.   


Oznaczenie typu nastawiacza na nadwoziu pojazdu

Poniżej przedstawiony jest przykład układu przekładni mechanicznej hamulca klockowego wagonu pasażerskiego, w którym dla każdego wózka, pod nadwoziem, przewidziano osobny cylinder (siłownik), a w wózkach natomiast, każde koła jest hamowane dwoma klockami hamulcowymi.

 
Schemat przekładni przycylindrowej
A - cylinder (siłownik) hamulcowy, 1 - sprężyna powrotna, 2 - tarcza tłoka.
B - dźwignie przycylindrowe przekładni mechanicznej
C - drążek pośredni (łącznik)
D - drążek sterujący nastawiacza
E - nastawiacz SAB
F - cięgno napędowe przekładni hamulca klockowego w wózku


Schemat działania przekładni przycylindrowej

Kliknij aby powiększyć    
Przykładowy cylinder hamulcowy (siłownik) pod nadwoziem (1), korpus (2) i tłoczysko ze sprężyną powrotną (3)




Układ przekłdani siłowych hamulca klockowego (opis na powiększeniu)


Kliknij aby powiększyć   
Przekładnia siłowa cylindra hamulcowego (opis na powiększeniu) 


Kliknij aby powiększyć 
Nastawiacz SAB

Kliknij aby powiększyć   
Rolki prowadzące (podtrzymujące) cięgno między nastawiaczem, a wózkiem


Kliknij aby powiększyć  
Cięgno połączone z układem przekładni w wózku (opis na 1 powiększeniu)




Schematyczna animacja działania przełożeń przekładni siłowej w wózku dla grupowej przekładni hamulca

Kliknij aby powiększyć   
Przekładnie siłowe - zestaw kołowy zewnętrzny (opis na powiększeniu)


Przekładnie siłowe - zestaw kołowy wewnętrzny (opis na powiększeniu) 

 
Poniżej znajduje się przykładowy układ hamulca klockowego z wagonu towarowego, w którym zastosowano jeden cylinder (siłownik) hamulcowy dla obydwu wózków oraz klocki hamulcowe w układzie pojedynczym, czyli dla każdego koła jeden klocek.


Schemat przekładni przycylindrowej
A - cylinder (siłownik) hamulcowy, 1 - sprężyna powrotna, 2 - tarcza tłoka.
B - dźwignie przycylindrowe przekładni mechanicznej
C - drążek pośredni (łącznik)
D - drążek sterujący nastawiacza
E - nastawiacz SAB
F1/2 - cięgna napędowe przekładni hamulców klockowych w wózkach


Przekładnia siłowa wózka 1 (opis na powiększeniu)


Nastawiacz SAB


Przekładnia siłowa cylindra hamulcowego (opis na powiększeniu)


Przekładnia siłowa wózka 2 (opis na powiększeniu)

Innym rozwiązaniem w zakresie hamulca klockowego, w wagonach towarowych jest układ z cylindrami hamulcowymi zabudowanymi w wózkach. Poniżej przykład nowoczesnego rozwiązania z pojedynczym cylindrem na wózku (cylinder pływający), który napędza cztery klocki hamulcowe. Nastawiacz układu skoku tłoka zabudowany jest w ramach cylindra hamulcowego.


Schematyczna animacja działania układu hamulca klockowego z pojedynczym cylindrem w wózku

 
Układ hamulca klockowego z pojedynczym cylindrem w wózku (opis na 1 powiększeniu)

Poniżej natomiast zdjęcia układu z zastosowaniem w wózku dwóch cylindrów, z których każdy napędza dwa klocki hamulcowe kolejnych kół.

 
Układ z podwójnymi cylindrami na wózku (opis na powiększeniu)

Hamulec klockowy stosowany jest również w pojazdach trakcyjnych. Poniżej fotografie przedstawiają grupowy układ przekładni hamulcowej w elektrycznych zespołach trakcyjnych serii EN57 i im pochodnym.

Kliknij aby powiększyć  
Przekładnie siłowe przycylindowe z nastawiaczami
(opisy na powiększeniach)
- fot 1 - człon: "s" - osobny cylinder dla każdego wózka
- fot. 2 - człony: "ra" i "rb" - wspólny cylinder dla obydwu wózków

Kliknij aby powiększyć   
 
Układ hamulca klockowego w wózku tocznym EN57 (opis na powiększeniach)

Poniżej przedstawiony jest grupowy układ hamulca klockowego z lokomotyw ST44 (M62) i ST48 (15D/16D) i im podobnych, w których zastosowano cztery cylindry hamulcowe, z których każdy napędza 3 klocki hamulcowe.

 
Schematyczna, uproszczona animacja grupowego układu hamulca klockowego - 4 cylindry napędzające po 3 klocki każdy
A - mocowanie do ramy wózka
(na schemacie nie są wskazane wieszaki klocków)

 
Cylinder, hamulcowy i przekładnia siłowa (opis na powiększeniach)

 
Zawieszenie klocka 1 (opis na powiększeniach)


Przekładnia siłowa klocka 2 i 3 (opis na powiększeniach)

 
Zawieszenie i napęd klocków 2 i 3 (opis na powiększeniach)

W lokomotywach SM48 (TEM2) stosowano na wózkach dwa cylindry hamulcowe, każdy z napędza 3 klocki hamulcowe - po jednym na koło (układ jednostronnego hamowania kół)


Układ klocków hamulcowych w SM48 i cylinder w środku długości ramy wózka


Cylinder hamulcowy, dźwignia poprzeczna i cięgno wzdłużne w SM48

Poniżej znajdują się zdjęcia przykładowych układów przekładni hamulców klockowych z innych pojazdów trakcyjnych.


Przekładnia siłowa z cylindrem na czołownicy ramy i nastawiacz (EW58)


Układ grupowy hamulca klockowego w 401Da (opis na powiększeniu)

   
Układ grupowy hamulca klockowego w SM42 (opis na powiększeniach)

Pojedynczy układ przekładni hamulca kolcowego zastosowany jest na przykład w lokomotywie EU07  jej pochodnym. W tym pojeździe jeden siłownik (cylinder) hamulcowy napędza przekładnię mechaniczną danego koła zestawu kołowego (jednej pary ciernej, czyli dwóch klocków). W sumie na każdym wózku zamontowane są 4 cylindry (po jednym na każde z czterech kół).
Zastosowane w tym układzie cylindry hamulcowe są zintegrowane z nastawiaczem skoku tłoka. Sprężyny powrotne znajdują się w cylindrze, ale również dodatkowe w ramach układu cięgien na ramie wózka. Jest to spowodowane koniecznością wytworzenia dodatkowej siły, w celu powrotu układu przekładni do położenia zasadniczego przy odhamowywaniu (luzowaniu).


Uproszczona schematyczna animacja pojedynczych układów hamulca klockowego w EU07
A - miejsca mocowań do ramy wózka
B - dodatkowe sprężyny powrotne


Układy pojedyncze hamulców klockowych (opis na powiększeniu)

Kliknij aby powiększyć  
Cylinder (siłownik) z wbudowanym nastawiaczem i układ przekładni siłowych (opis na powiększeniu)


Układ przekładni siłowych drugiego klocka (opis na powiększeniu)

 
Indywidualny układ hamulca klockowego (1) i cylindry zasadniczy / sprężynowy hamulca oraz nastawiacz w lokomotywie EP09 (opis na 1 powiększeniu)

Przekładnie hamulców klockowych są odpowiednio przystosowane do współpracy z hamulcami postojowymi (ręcznymi / sprężynowymi). Przykładowym rozwiązaniem jest układ, w którym jedna z dźwigni przycylindrowych jest wyposażona w dodatkowy sworzeń, przez który przechodzi cięgno połączone z mechanizmem przekładni hamulca postojowego (zobacz opis hamulców ręcznych - tutaj, a sprężynowych - tutaj). Cięgno to ma wyprofilowany podłużny otwór, w którym porusza się wspomniany sworzeń. Długość otworu jest zgodna z zakresem ruchu dźwigni przycylindorwej na skutek pracy tłoczyska cylindra. Dzięki temu gdy hamulec postojowy jest odhamowany, jego układ nie zakłóca pracy hamulca klockowego napędzanego siłą z cylindra. Gdy uruchomiony zostanie hamulec postojowy, to następuje przesuw cięgna do wyczerpania luzu wynikającego z długości podłużnego otworu. Gdy sworzeń dźwigni przycylindrowej zaprze się o koniec podłużnego otworu cięgna, następuje przesuw dźwigni przycylindrowej, tak jakby była napędzana przez cylinder. W efekcie wstawki klocków hamulcowych zostają dociśnięte do kół.


Cięgno hamulca ręcznego (zielone) współpracujące z przekładnią przycylindrową

   
Cięgna hamulca ręcznego zamocowane na dźwigni przycylindrowej (opis na 1 i 2 powiększeniu)

 
Układ przekładni hamulca ręcznego na przykładzie lokomotywy EU07 (opis na powiększeniach)


W obecnie produkowanych pojazdach szynowych, można również spotkać układy hamulca klockowego w formie zintegrowanych modułów. Każdy moduł wyposażony jest w cylinder (siłownik) napędzający bezpośrednio klocek hamulcowy. Poniżej przykład takiego rozwiązania.

 
Zintegrowany indywidualny moduł hamulca klockowego


Przykładowy moduł hamulca klockowego (opis na powiększeniu)

W omawianym układzie występuje też rozwiązanie, w którym moduł hamulca jest wyposażony poza cylindrem zasadniczym, w cylinder hamulca sprężynowego postojowego, który wykorzystywany jest do utrzymania pojazdu podczas jego wyłączenia, gdy na pokładzie nie ma energii. Siłę hamującą generuje sprężyna zabudowana w cylindrze sprężynowym.


Zintegrowany indywidualny moduł hamulca klockowego dodatkowo wyposażony w funkcję hamulca sprężynowego postojowego


Zintegrowany indywidualny moduł hamulca klockowego w zmodernizowanym ezt EW60