Историята на въздушните спирачки: от Westinghouse до съвременния камион

Въздушната спирачка е изобретена от Джордж Уестингхаус, който патентова пневматична железопътна спирачка през 1869 г. и същата година основава Westinghouse Air Brake Company. Тази първа конструкция използва въздушно налягане, за да задейства спирачките, което се оказва опасно неефективно при разкачване на влак. През 1872 г. той патентова автоматичната въздушна спирачка: всеки вагон носи собствен резервоар и троен вентил, така че всяка загуба на налягане в магистралата задейства спирачките, вместо да ги освобождава. Тъкмо това обръщане на логиката е причината сгъстеният въздух, а не хидравликата или тросовете, да се наложи като стандарт при тежкотоварните превозни средства и да остане такъв и днес.

Проблемът преди въздушните спирачки

Влаковете през XIX век спират с помощта на спирачници. Машинистът свирвал, а хора вървели по покривите на движещите се вагони и завъртали ръчни колела един по един. Спирачният път зависел от това колко бързо могат да се движат тези хора. Сблъсъците били обичайно явление, а спирачниците загивали при изпълнение на задачата си.

Изпробвани са и парни, и вакуумни спирачки. Парата кондензирала и замръзвала, преди да достигне до края на дълъг влак. Вакуумните системи работели и остават в употреба във Великобритания и другаде десетилетия наред, но вакуумът може да даде най-много около една атмосфера разлика в налягането, приблизително 14,7 psi. Сгъстеният въздух няма такъв таван: малък резервоар може да съдържа около 120 psi и да развие голяма сила на притискане чрез сравнително скромна камера. Именно тази енергийна плътност е практическата причина въздухът да победи.

Права въздушна спирачка срещу автоматична въздушна спирачка

Патентът на Уестингхаус от 1869 г. е известен като права въздушна спирачка. Задвижвана от парата помпа на локомотива зарежда резервоар, а кранът на машиниста изпраща въздух надолу по магистралата към спирачните цилиндри на всеки вагон. Подаваш въздух, спирачките се задействат. Изпускаш магистралата, спирачките се освобождават.

Недостатъкът е очевиден веднага щом се изкаже на глас: спукан маркуч, разкачена връзка или разделяне на влака на две изпразва магистралата и всяка спирачка на влака се освобождава в най-неподходящия момент.

Автоматичната спирачка от 1872 г. обръща логиката. Въздухът от локомотива зарежда спомагателен резервоар на всеки вагон през магистралата. Троен вентил на всеки вагон следи налягането в магистралата и върши три неща: зарежда резервоара, задейства спирачката или я освобождава. Когато налягането в магистралата спадне — независимо дали по команда на машиниста, или защото маркуч се е откачил — тройният вентил свързва собствения запасен въздух на вагона със собствения му спирачен цилиндър. Влакът спира сам себе си. По-късно Уестингхаус добавя бързодействащ троен вентил, така че задействането да се разпространява бързо по дължината на дълъг влак, вместо да „пълзи“ от вагон на вагон.

Всеки камион и ремарке с въздушни спирачки, произведени оттогава насам, работят по този принцип. Загубиш ли захранващото налягане, пружинните спирачки се задействат. Системата е проектирана да отказва в посока „спряно“.

Хронология: важни моменти във въздушните спирачки

От релсите до пътя

Камионите натежаха по-бързо, отколкото се развиха спирачките им. Ранните тежки камиони използвали механична тяга, а по-късно хидравлика — и двете работещи на твърдо, двуосно превозно средство, но слаби при добавяне на ремаркета. Хидравличният кръг трябва да е херметичен, напълнен и обезвъздушен; не можеш небрежно да свързваш и разкачваш такъв в кален двор по няколко пъти на ден. С въздуха можеш. Две бързоразглобяеми съединения, тласък — готово, а изтичане просто безобидно се изпуска в атмосферата, вместо да се губи течност и педал.

До края на 20-те и през 30-те години въздушните спирачки вече били стандартно оборудване за автобуси и по-големи камиони в САЩ. Bendix и Westinghouse се обединяват около 1930 г., за да произвеждат автомобилни компоненти за въздушни спирачки, и тези имена, заедно с Wabco, а по-късно и Knorr-Bremse в Европа, все още се срещат върху компресорите, регулаторите и вентилите под съвременен камион.

Пътната версия преорганизира железопътната схема, без да променя философията ѝ. Задвижван от двигателя въздушен компресор заменя парната помпа. Регулатор превключвал този компресор между натоварено и ненатоварено състояние, вместо да го оставя да работи на пълни обороти постоянно. Функцията на тройния вентил се разделя между релейни вентили, вентили за бързо освобождаване и, при ремаркето, авариен релеен вентил, който задейства спирачките на ремаркето при загуба на захранващата магистрала — точно идеята от 1872 г., в различна отливка.

Какво наследи съвременната система

Днешният камион е архитектурата на Уестингхаус с век усъвършенстване отгоре:

• Безопасно задействане при отказ. Пружинните спирачки започват да теглят, докато въздухът се изпуска, и се задействат напълно при около 20-45 psi, в зависимост от камерата.
• Съхранена енергия във всяка точка на употреба. Резервоари на влекача и на ремаркето, точно както резервоарите на всеки железопътен вагон.
• Работно налягане около 120 psi. Регулаторите обикновено изключват някъде в диапазона 120-135 psi и включват отново около 100-110 psi, така че напълно заредена система стои около 120 psi. Предупредителна лампа и звуков сигнал на таблото се включват, когато налягането падне до около 60 psi.
• Резервираност. Работното спиране е разделено на два независими кръга, така че един отказ не поразява всичко — пътният еквивалент на това да не разчиташ на само една магистрала.
• Управление на качеството на въздуха. Компресорите пропускат горещ, влажен, леко омаслен въздух. Влагоуловители и продухващи цикли съществуват, защото влагата и маслото са разрушавали вентили дълго преди някой да напише стандарт за това.

Това, което наистина се е променило, е управлението, не задействането. ABS, EBS, контролът на устойчивостта и автоматичното аварийно спиране седят върху пневматичния слой, модулирайки налягането по-бързо и по-точно, отколкото крак някога би могъл. Въздухът все още върши работата. За механичен преглед на това как тези части се съчетават в съвременно превозно средство, започни с как работят системите за въздушни спирачки, и сравни двете философии една до друга в въздушни срещу хидравлични спирачки.

Защо никога не беше заменена

През 150-те години оттогава са предлагани алтернативи. Нито една не побеждава комбинацията, която предлага въздухът: свободна и неограничена работна среда; течове, които се изпускат в атмосферата, вместо да свалят педала; съединения, които водачът може да свърже за секунди при всякакво време; енергия, която може да се съхранява в стоманен резервоар; и режим на отказ, който спира превозното средство, вместо да го освобождава.

Електромеханичното спиране може евентуално да промени това при някои тежкотоварни превозни средства, а електронното управление вече доминира при вземането на решения. Но задвижващият елемент при колелото все още е диафрагма, побутвана от сгъстен въздух и задържана в резерв от пружина — идея, патентована през 1872 г., която никой не е имал нужда да замени.