Freni ad Aria Ferroviari vs Freni ad Aria dei Camion

I freni ad aria ferroviari e quelli dei camion sono entrambi sistemi pneumatici costruiti sulla stessa promessa di sicurezza intrinseca: se si perde aria, i freni si azionano da soli. Ciò che differisce è il meccanismo. Su un treno, un calo di pressione nella condotta generale è il comando che dice alla valvola di controllo di ogni carro di scaricare l'aria del proprio serbatoio nel cilindro del freno. Su un camion, i freni di servizio funzionano al contrario — la valvola a pedale aggiunge pressione alle camere freno per azionarli — quindi il compito di sicurezza intrinseca è affidato ai freni a molla meccanici che serrano quando la pressione del sistema scende.

Due sistemi, un antenato comune

George Westinghouse brevettò un freno ad aria diretta per treni nel 1869, poi ne risolse il difetto fatale pochi anni dopo con il freno ad aria automatico e la sua valvola tripla. La versione ad aria diretta convogliava la pressione dalla locomotiva a ogni carro per azionare i freni; se il treno si spezzava o un tubo si rompeva, i carri perdevano pressione e restavano senza freni. Il design automatico invertì la logica — carica la condotta per rilasciare, riducila per azionare — e mise un serbatoio e una valvola su ogni carro, così ogni veicolo aveva un proprio mezzo per fermarsi.

I veicoli pesanti su strada presero in prestito il vocabolario tecnico decenni dopo: compressore, regolatore, serbatoi, valvole di controllo e una camera che converte la pressione in forza sull'asta spingitore. Ciò che l'ingegneria stradale non prese in prestito è il segnale a riduzione per azionare. I camion mantennero un circuito di servizio diretto e graduato e risolsero il problema del distacco in modo meccanico. Per la storia completa, vedi la storia del freno ad aria Westinghouse.

Come si aziona il freno ad aria ferroviario

Un compressore di locomotiva riempie i serbatoi principali, e una valvola di alimentazione carica la condotta generale che percorre tutto il treno tramite tubi flessibili e rubinetti d'angolo. La prassi nordamericana per il trasporto merci mantiene solitamente la condotta generale vicino a 90 psi; il materiale passeggeri lavora spesso più alto, intorno a 110 psi. Finché la condotta resta carica, la valvola di controllo di ogni carro mantiene pieno il serbatoio ausiliario e tiene scarico il cilindro del freno.

Quando il macchinista effettua una riduzione di servizio, la pressione nella condotta generale scende di qualche libbra. Ogni valvola di controllo rileva la differenza tra la condotta in calo e il proprio serbatoio ancora pieno, e ammette l'aria del serbatoio nel cilindro del freno. La condotta generale è quindi una linea di segnale, non la linea di lavoro — l'aria che effettivamente serra i ceppi era immagazzinata sul carro stesso. Una riduzione rapida e profonda, che sia dalla valvola del freno automatico, un aggancio rotto, un tubo staccato o la valvola d'emergenza del conduttore, porta ogni valvola in emergenza e applica la piena pressione disponibile.

Rilasciare significa ricaricare. Nel servizio merci nordamericano il rilascio è generalmente diretto — i freni si sganciano in un solo passaggio una volta ripristinata la condotta — mentre il servizio passeggeri e molti sistemi europei consentono un rilascio graduale. Questo conta in pendenza: applicazioni ripetute svuotano i serbatoi dei carri più velocemente di quanto la condotta generale li ricarichi, e un treno può restare senza freno.

Come si aziona il freno ad aria del camion

Un compressore azionato dal motore carica un serbatoio umido e poi i serbatoi primario e secondario. Il regolatore disinserisce il compressore intorno a 120-135 psi e lo reinserisce intorno a 100-110 psi, quindi un sistema in buone condizioni resta a piena carica vicino a 120 psi. Premendo il pedale, l'aria viene dosata verso le camere freno, di solito tramite valvole relè affinché l'estremità lontana del veicolo non attenda un lungo percorso del tubo. Rilasciando il pedale, l'aria della camera viene scaricata. I dettagli completi sono nella nostra panoramica su come funzionano i sistemi frenanti ad aria.

Questo circuito è a sicurezza aperta, non chiusa. Se i serbatoi si svuotano, niente spinge le aste. La spia e il cicalino di bassa pressione si attivano intorno a 60 psi per dare al conducente il tempo di fermarsi in modo controllato, e i freni a molla subentrano come ultima linea di difesa: una robusta molla a spirale tenuta compressa dall'aria, che spinge fuori l'asta quando la pressione scende nella fascia di circa 20-45 psi. Su un autoarticolato, la linea di alimentazione del rimorchio svolge, in un aspetto ristretto, la stessa funzione della condotta generale del treno: se la pressione di alimentazione si perde, il rimorchio si aziona automaticamente dal proprio serbatoio.

Confronto diretto

Perché entrambi sono a sicurezza intrinseca, ma non nello stesso modo

La soluzione ferroviaria è pneumatica e autoarmante: il segnale che dice "aziona" è l'assenza di pressione, quindi qualsiasi rottura in qualunque punto del treno produce la massima applicazione possibile. La soluzione del camion è meccanica: energia immagazzinata in una molla, rilasciata quando l'aria non riesce più a trattenerla. Entrambe soddisfano lo stesso requisito, motivo per cui i regolatori da entrambe le parti insistono sul fatto che la funzione di parcheggio ed emergenza non deve dipendere dalla presenza di aria.

La conseguenza pratica per un tecnico su strada è che un freno a molla è un dispositivo a energia immagazzinata. La sicurezza intrinseca di un treno non può farti male quando stacchi un tubo; un freno a molla non ingabbiato o corroso sì. Ingabbialo correttamente prima di rimuovere una camera, e non dare mai per scontato che una camera senz'aria sia inerte.

Per cosa è ottimizzato ciascun progetto

Un treno è lungo, e le variazioni di pressione viaggiano lungo la condotta generale alla velocità con cui l'aria si muove, quindi la testa si aziona notevolmente prima della coda. La condotta del treno — accumulo, stiramento, riduzioni scaglionate — esiste in gran parte per gestire questo ritardo. I sistemi pneumatici a controllo elettronico affrontano il problema inviando il comando elettricamente a ogni carro contemporaneamente, mentre è ancora l'aria a compiere il serraggio effettivo.

Un camion è corto, quindi il ritardo idraulico si misura in frazioni di secondo ed è ulteriormente ridotto con valvole relè e a rilascio rapido. Ciò che un camion affronta invece è la contaminazione: un compressore che gira costantemente, umidità e olio trasportati nei serbatoi, e valvole che vivono negli spruzzi stradali e nel sale invernale. Ecco perché l'essiccatore d'aria, lo spurgo dei serbatoi e i controlli della corsa del registro automatico dominano la manutenzione dei freni dei veicoli stradali, mentre la valvola di controllo di un carro ferroviario viene revisionata secondo un ciclo programmato in officina. Stessa fisica, problema di vita utile diverso.