鉄道車両のブレーキシステムの説明

電車が止まるまでにどれくらい時間がかかるかを知ると多くの人が驚きます. を走行する乗用車 100 km/h は緊急ブレーキ時に通常数十メートル以内に停止します. 同じような速度で走っている貨物列車が完全に停止するまでに 1 キロ以上かかる場合があります. 数千トンの貨物を運ぶ重量貨物列車向け, 停止距離はさらに長くなる可能性があります. 一見して, これは直観に反しているように思えます. 現代の電車には強力なブレーキシステムが装備されています, では、なぜ道路車両と同じくらい早く停止できないのでしょうか? 答えはさまざまな要因の組み合わせにあります. 列車の質量は確かに重要です, しかしそれが唯一の理由ではありません. 鉄道車両のブレーキ性能は車輪とレールの固着によっても制限される, ブレーキシステムの設計, ブレーキコマンドを列車全体に送信するのに必要な時間.

電車が安全に止まる仕組みを理解する, 鉄道ブレーキシステムの背後にある基本原理を検討する必要がある.

鉄道車両のブレーキの基本原理

他の移動車両と同じように, 電車には運動エネルギーがあります. 鉄道のブレーキは本質的に、運動エネルギーを熱に変換し、安全に放散するプロセスです。.

制動力が発生するかどうかブレーキシュー, ブレーキディスク, またはトラクションモーター, 最終的な停止力は、鉄道の車輪そしてレール.

この車輪とレールのインターフェースは、鉄道輸送の最も重要な特徴の 1 つです。.

アスファルト上のゴムタイヤと違って, 鋼鉄の車輪は鋼鉄のレールの上を走行します. それらの間の接触面積は驚くほど小さく、多くの場合コイン以下です。. この小さな接触面積は、転がり抵抗が非常に低いため、鉄道の優れたエネルギー効率に貢献します。. しかし, また、車輪のスリップを引き起こすことなく伝達できる制動力の量も制限されます。.

利用可能な最大制動力はホイールとレールの粘着力によって決まります:

F=μN

どこ:

F は使用可能な最大制動力です。.
μは車輪とレールの粘着係数です.
Nは輪重です.

制動力が粘着力を超える場合, 車輪は回転するのではなく滑り始めます. 滑りが発生すると, ブレーキ効率が大幅に低下し、ホイールが損傷する可能性があります.

この付着限界は、電車が自動車よりもはるかに長い停止距離を必要とする主な理由の 1 つです。.

鉄道車両用ブレーキシステムの主な種類

列車を減速または停止させるという基本的な目的は同じですが、車両の種類や運行状況によって制動力の発生方法は大きく異なります。.

現在の鉄道システムは通常、単一の方法に依存するのではなく、複数のブレーキ技術を連携して使用します。.

トレッドブレーキ

踏面ブレーキは、鉄道ブレーキの中で最も古く、最も広く使用されている方法の 1 つです。, 特に貨車では.

このシステムでは, ブレーキシューホイールトレッドに直接押し付けられる. ブレーキシューとホイールの間の摩擦により運動エネルギーが熱に変換されます。, 車輪の回転が遅くなる.

デザインはシンプルです, 信頼性のある, 維持費も比較的安価です. このため, トレッドブレーキは、世界中の貨物車両で広く使用され続けています.

しかし, ブレーキはホイール表面で直接発生するため, ホイールトレッドは摩耗と熱応力の両方にさらされます. 時間とともに, ブレーキを繰り返すとホイールのプロファイルが変化し、メンテナンスの必要性が増加する可能性があります.

ディスクブレーキ

鉄道の速度が上がるにつれて, 客車ではディスクブレーキがますます一般的になってきました, 地下鉄の車両, そして高速鉄道.

ホイールトレッドに直接力を加えるのではなく、, ブレーキパッドは、車軸またはホイールアセンブリに取り付けられたブレーキディスクにクランプされます。.

熱はホイール自体ではなくブレーキディスクに集中するため、, ホイールの摩耗が軽減され、高速でもブレーキ性能がより安定した状態を維持します。.

最新の乗用車向け, 多くの場合、ディスクブレーキは乗り心地を向上させます, メンテナンス要件の軽減, 従来のトレッドブレーキと比較して熱管理が改善されています。.

ダイナミックブレーキ

機関車は多くの場合、機械ブレーキシステムを補うためにダイナミックブレーキを採用しています。.

ダイナミックブレーキ時, トラクションモーターはモーターではなく発電機として動作します。. 電車の運動エネルギーが電気エネルギーに変換される, その後、抵抗バンクを介して熱として放散されます。.

鉄道列車のブレーキ力の多くは電気によって生成されるため、, ブレーキシューとディスクの摩耗を大幅に軽減できます.

この技術は長い下り坂で特に価値があります, 継続的にブレーキをかけると機械式ブレーキ部品に過剰な熱が発生する場合.

回生ブレーキ

最新の電気多重ユニットや高速列車では回生ブレーキが頻繁に使用されます。.

原理はダイナミックブレーキと似ています, 発生した電気を熱として放散するのではなく、, エネルギーは他の場所で使用するために電力供給ネットワークに戻されます。.

回生ブレーキは全体的なエネルギー効率を向上させ、従来のブレーキコンポーネントの摩耗を軽減しながら運用コストを削減します。.

自動エアブレーキの仕組み

鉄道車両のブレーキ技術が異なれば、制動力を生成する方法も異なります。, 大多数の鉄道車両は依然として自動空気ブレーキシステムに依存してブレーキコマンドを制御し、列車全体に分配しています。.

このシステム, 元々は 19 世紀にジョージウェスティングハウスによって開発されました, 世界中の鉄道ブレーキの基礎であり続けています.

一般的な自動エアブレーキシステムはブレーキパイプで構成されています。, 補助リザーバー, コントロールバルブ (トリプルバルブと呼ばれることが多い), そしてブレーキシリンダー.

通常の動作条件下では, 機関車からの圧縮空気が各車両のブレーキパイプと補助リザーバーに充填されます。.

電車がブレーキをかけずに走行しているとき, ブレーキパイプ内の圧力は通常の動作レベルに維持されます. ブレーキシリンダーは大気開放されています, ブレーキシューまたはブレーキパッドは解放されたままになります.

ドライバーがブレーキを踏むとき, ブレーキパイプ内の圧力を意図的に減圧する.

各車両の制御バルブはこの圧力低下を検出し、補助リザーバーをブレーキシリンダーに接続することで応答します。. ブレーキシリンダーに入る空気圧によってピストンが動きます, ブレーキシューまたはパッドに力を加えて制動力を発生させる.

ブレーキパイプ圧力の減少が大きいほど, より大きな制動力を発生させることができます.

ブレーキコマンドは圧力を増加させるのではなく減少させることによって送信されるため、このアプローチは珍しいように思えるかもしれません。. しかし, この設計は安全性に大きな利点をもたらします.

鉄道のエアブレーキが減圧を使用する理由

鉄道列車のブレーキシステムはフェールセーフ原理に従って設計されています.

列車が予期せず分離したら, ホースが破裂する, またはブレーキパイプに大きな漏れが発生している, 列車の影響を受けた区間全体の圧力が直ちに低下します.

私ブレーキ能力を失う代わりに, システムが自動的にブレーキをかける.

この機能は、鉄道の歴史の中で最も重要な安全技術革新の 1 つです。. それがなければ, 壊れた列車は制御されずに走り続ける可能性がある.

鉄道列車のブレーキは減圧によって引き起こされるため, 重大な障害が発生すると、システムは自然にデフォルトで安全な状態になります。.

長い貨物列車の制動の課題

列車の長さと重量が増加するにつれて、列車のブレーキはますます複雑になります.

最新の重量貨物列車は 2 キロメートル以上伸びる可能性がある. ドライバーがブレーキをかけ始めたとき, すべての車両が反応し始める前に、圧力変化がブレーキパイプ全体に伝わらなければなりません.

結果として, 機関車の近くの車両は、列車の後部の車両よりわずかに早くブレーキを開始します。.

この遅延は数秒程度である可能性があります, しかし、非常に長い列車内では大きな縦方向の力が発生する可能性があります。.

これらの影響を軽減するには, 現代の貨物輸送の多くは電子制御ブレーキシステムを採用しており、ブレーキコマンドを列車全体にさらに迅速に送信できます。.

もう一つの課題は空気の補充です.

ブレーキをかけた後, 完全なブレーキ能力が回復する前に、補助リザーバーを再充電する必要があります. 日常的にブレーキをかけた後, 再充電には数分かかる場合があります. 緊急ブレーキをかけた後, 回復期間はかなり長くなる可能性があります.

このため, 列車の取り扱いには慎重な計画と予測が必要です. 車の運転と違って, 列車運転士が望むときに最大制動力を繰り返し適用することはできない.

空の貨物車と荷物を積んだ貨物車で異なるブレーキ力が必要な理由

貨物輸送の特徴の 1 つは、空車重量と積載車重量の差が大きいことです。.

荷物を満載したワゴンの重量は、空の状態の同じワゴンの数倍になる場合があります。.

どちらの状態でも同じ制動力がかかる場合, 問題が発生する. 空車状態で過度にブレーキをかけると、ホイールの滑りやホイールの損傷が加速する可能性があります。. 積載車両のブレーキが不十分な場合、停止距離が長すぎる可能性があります.

この問題に対処するには, 多くの貨物車両には、車両重量に応じてブレーキ力を自動的に調整する空荷ブレーキ装置が使用されています。.

これにより、幅広い負荷条件にわたってより安定したブレーキ性能が保証されます。.

ブレーキシステムが鉄道車輪の寿命に与える影響

からホイールメーカーの視点, ブレーキはホイールの性能と耐用年数に密接に関係しています.

ブレーキがかかるたびに熱が発生します, 摩擦, ホイール表面の機械的応力と. 時間とともに, これらの力は徐々にホイールの状態に影響を与えます.

踏面ブレーキ車の場合, ホイールトレッドはブレーキ熱のほとんどを吸収します. 熱サイクルを繰り返すと表面が摩耗する可能性があります, 熱亀裂, 砲撃, およびその他の形態のホイール損傷.

ディスクブレーキ搭載車でも, ホイールはホイールとレールの接触や転がり接触疲労によって大きな負荷を受け続けます。.

結果として, 鉄道の車輪は耐用年数を通じて定期的な検査が必要です. ホイールプロファイルなどのパラメータ, フランジの厚さ, トレッド摩耗, 安全な操作を確保するには、表面の状態を監視する必要があります.

摩耗が指定限界に達したとき, ホイールの再加工または交換が必要になる.

鉄道事業者向け, したがって、ブレーキ性能とホイールのメンテナンスは密接に関係しています。. 適切に設計されたブレーキシステムは安全性を向上させるだけでなく、ホイールのライフサイクルコストも削減できます。.

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鉄道列車のブレーキシステムを理解することは方程式の一部にすぎません. 電車のブレーキシステムの性能は車輪の品質と密接に関係しています, ブレーキ部品, および構造部品. 適切に設計されたブレーキシステムであっても、重要なコンポーネントが過度の摩耗に見舞われれば、信頼性の高いサービスを提供することはできません。, 寸法の不正確さ, または物質的な欠陥.

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