ประวัติเบรกลม: จาก Westinghouse สู่รถบรรทุกยุคใหม่

เบรกลมถูกคิดค้นโดย George Westinghouse ซึ่งจดสิทธิบัตรเบรกลมอัดสำหรับรถไฟใน ปี 1869 และก่อตั้งบริษัท Westinghouse Air Brake ในปีเดียวกัน การออกแบบครั้งแรกใช้แรงดันลมสั่งให้เบรกทำงาน ซึ่งเป็นอันตรายเมื่อขบวนรถขาดออกจากกัน ในปี 1872 เขาจดสิทธิบัตร เบรกลมอัตโนมัติ โดยแต่ละตู้มีถังลมและวาล์วสามทาง (triple valve) ของตัวเอง ดังนั้นเมื่อแรงดันในสายลมลดลง เบรกจะทำงานแทนที่จะปล่อย การกลับหลักการนี้เองที่ทำให้ลมอัด แทนที่จะเป็นระบบไฮดรอลิกหรือสายเคเบิล กลายเป็นมาตรฐานของยานพาหนะหนักและยังคงเป็นเช่นนั้นจนถึงทุกวันนี้

ปัญหาก่อนมีเบรกลม

รถไฟในศตวรรษที่ 19 หยุดด้วยพนักงานเบรก วิศวกรเป่านกหวีด แล้วคนงานเดินบนหลังคาตู้รถที่กำลังวิ่งอยู่ หมุนพวงมาลัยมือทีละตู้ ระยะเบรกขึ้นอยู่กับความเร็วที่คนเหล่านั้นเคลื่อนที่ได้ อุบัติเหตุชนกันเป็นเรื่องปกติ และพนักงานเบรกก็เสียชีวิตจากงานนี้

มีการทดลองทั้งเบรกไอน้ำและเบรกสุญญากาศ ไอน้ำจะควบแน่นและแข็งตัวก่อนถึงท้ายขบวนที่ยาว ระบบสุญญากาศใช้งานได้และยังคงใช้ในอังกฤษและที่อื่นๆ อีกหลายสิบปี แต่สุญญากาศให้ผลต่างแรงดันได้สูงสุดเพียงประมาณหนึ่งบรรยากาศ หรือราว 14.7 psi ลมอัดไม่มีเพดานแบบนั้น ถังเล็กๆ สามารถเก็บแรงดันได้ราว 120 psi และให้แรงหนีบมากผ่านห้องขนาดพอเหมาะ ความหนาแน่นพลังงานนี้เองคือเหตุผลเชิงปฏิบัติที่ลมชนะ

เบรกลมตรงเทียบกับเบรกลมอัตโนมัติ

สิทธิบัตรปี 1869 ของ Westinghouse เรียกว่าเบรก straight air ปั๊มไอน้ำบนหัวรถจักรอัดลมเข้าถังลม และวาล์วของวิศวกรจะส่งลมลงไปตามสายลมไปยังกระบอกเบรกในแต่ละตู้ ดันลมเข้า เบรกทำงาน ปล่อยลมออก เบรกคลาย

ข้อบกพร่องนั้นชัดเจนทันทีที่พูดออกมา ท่อแตก ข้อต่อหลุด หรือขบวนรถขาดออกเป็นสองท่อน จะทำให้สายลมหมด และเบรกทุกตัวในขบวนจะคลายออกในจังหวะที่แย่ที่สุด

เบรกอัตโนมัติปี 1872 กลับหลักการนี้ ลมจากหัวรถจักรจะอัดเข้าถังลมสำรองในแต่ละตู้ผ่านสายลม วาล์วสามทาง (triple valve) ในแต่ละตู้จะคอยตรวจแรงดันสายลมและทำได้สามอย่าง คือ อัดลมเข้าถัง สั่งเบรกทำงาน หรือปล่อยเบรก เมื่อแรงดันสายลมลดลง ไม่ว่าจะเป็นเพราะวิศวกรสั่งหรือท่อหลุด วาล์วสามทางจะเชื่อมลมสำรองของตู้นั้นเข้ากับกระบอกเบรกของตัวเอง ขบวนรถจะหยุดด้วยตัวมันเอง ต่อมา Westinghouse เพิ่มวาล์วสามทางแบบ quick-action เพื่อให้การเบรกกระจายไปทั่วขบวนที่ยาวได้อย่างรวดเร็ว แทนที่จะไล่ทีละตู้

รถบรรทุกและรถพ่วงที่ใช้เบรกลมทุกคันที่สร้างมาหลังจากนั้นทำงานตามหลักการนี้ เมื่อแรงดันจ่ายหายไป สปริงเบรกจะทำงาน ระบบถูกออกแบบให้เสียแล้วหยุด ไม่ใช่เสียแล้วไหล

ไทม์ไลน์: เหตุการณ์สำคัญของเบรกลม

จากรางสู่ถนน

รถบรรทุกมีน้ำหนักมากขึ้นเร็วกว่าเบรกของมัน รถบรรทุกหนักยุคแรกใช้ระบบก้านกลไกและต่อมาไฮดรอลิก ทั้งสองใช้ได้ดีกับรถสองเพลาแบบแข็ง แต่แย่มากเมื่อเริ่มพ่วงรถต่อ วงจรไฮดรอลิกต้องปิดผนึก เติมของเหลว และไล่ลม ไม่สามารถต่อและถอดในลานโคลนหลายครั้งต่อวันได้ตามใจชอบ แต่ลมทำได้ แค่ต่อ gladhand สองตัว ดันเข้า เสร็จ และหากรั่วก็แค่ปล่อยลมออกสู่บรรยากาศอย่างไม่เป็นอันตราย แทนที่จะเสียของเหลวและแป้นเบรก

ราวปลายทศวรรษ 1920 จนถึงทศวรรษ 1930 เบรกลมกลายเป็นอุปกรณ์มาตรฐานของรถบัสและรถบรรทุกขนาดใหญ่ในสหรัฐฯ Bendix และ Westinghouse ร่วมมือกันราวปี 1930 เพื่อผลิตชิ้นส่วนเบรกลมสำหรับยานยนต์ และชื่อเหล่านี้ พร้อมกับ Wabco และต่อมา Knorr-Bremse ในยุโรป ยังคงปรากฏบนคอมเพรสเซอร์ ตัวควบคุมแรงดัน และวาล์วของรถบรรทุกยุคใหม่

รุ่นถนนจัดโครงสร้างของรถไฟใหม่โดยไม่เปลี่ยนปรัชญา คอมเพรสเซอร์ลม ที่ขับด้วยเครื่องยนต์เข้ามาแทนปั๊มไอน้ำ ตัวควบคุมแรงดัน (governor) หมุนเวียนคอมเพรสเซอร์ระหว่างสถานะโหลดและไม่โหลด แทนที่จะปล่อยให้ทำงานเต็มที่ตลอดเวลา งานของวาล์วสามทางถูกแบ่งไปยัง relay valve, quick release valve และในรถพ่วงมี emergency relay ที่จะสั่งเบรกรถพ่วงทำงานหากสายลมจ่ายหายไป ซึ่งเป็นแนวคิดเดียวกับปี 1872 เพียงแต่หล่อขึ้นรูปต่างไป

สิ่งที่ระบบยุคใหม่สืบทอดมา

รถบรรทุกที่สร้างในปัจจุบันคือโครงสร้างของ Westinghouse ที่ผ่านการปรับปรุงมานานนับศตวรรษ

• การทำงานแบบ fail-safe สปริงเบรกเริ่มเบียดเมื่อลมค่อยๆ หายไป และเบรกเต็มที่ที่ประมาณ 20-45 psi ขึ้นอยู่กับกระบอกเบรก
• พลังงานสะสมในทุกจุดใช้งาน ถังลมทั้งบนรถหัวลากและรถพ่วง เหมือนถังลมในแต่ละตู้รถไฟ
• แรงดันใช้งานประมาณ 120 psi ตัวควบคุมแรงดันมักจะตัดที่ช่วง 120-135 psi และต่อกลับที่ราว 100-110 psi ดังนั้นระบบที่ชาร์จเต็มจะอยู่ที่ราว 120 psi ไฟเตือนบนแผงและเสียงเตือนจะดังขึ้นเมื่อแรงดันลดลงเหลือประมาณ 60 psi
• ความซ้ำซ้อน เบรกใช้งานถูกแบ่งเป็นสองวงจรอิสระ เพื่อไม่ให้ความเสียหายจุดเดียวทำให้เบรกทั้งหมดใช้งานไม่ได้ เทียบเท่ากับการไม่ไว้ใจสายเดียวบนถนน
• การจัดการคุณภาพลม คอมเพรสเซอร์ปล่อยลมที่ร้อน ชื้น และมีน้ำมันปนเล็กน้อย เครื่องอบลมและวงจรระบายลมมีอยู่เพราะความชื้นและน้ำมันเคยทำลายวาล์วมานานก่อนที่จะมีมาตรฐานเขียนขึ้น

สิ่งที่เปลี่ยนไปจริงๆ คือการควบคุม ไม่ใช่การทำงานของเบรก ABS, EBS, ระบบควบคุมเสถียรภาพ และเบรกฉุกเฉินอัตโนมัติ ล้วนทำงานอยู่บนชั้นระบบลม ปรับแรงดันได้เร็วและแม่นยำกว่าเท้ามนุษย์ ลมยังคงเป็นตัวทำงานหลัก สำหรับรายละเอียดเชิงกลไกว่าชิ้นส่วนเหล่านี้ประกอบกันอย่างไรในรถยุคปัจจุบัน เริ่มที่ ระบบเบรกลมทำงานอย่างไร และเปรียบเทียบสองปรัชญาคู่กันใน เบรกลมเทียบกับเบรกไฮดรอลิก

ทำไมจึงไม่เคยถูกแทนที่

มีการเสนอทางเลือกอื่นตลอด 150 ปีที่ผ่านมา แต่ไม่มีข้อไหนเทียบได้กับข้อดีที่ลมมอบให้ คือ ของไหลใช้งานที่ฟรีและไม่จำกัด การรั่วที่ระบายสู่บรรยากาศแทนที่จะทำให้แป้นเบรกจม ข้อต่อที่คนขับต่อได้ในไม่กี่วินาทีในทุกสภาพอากาศ พลังงานที่เก็บในถังเหล็กได้ และรูปแบบความล้มเหลวที่ทำให้รถหยุดแทนที่จะปล่อยรถให้ไหล

ระบบเบรกไฟฟ้ากลอาจเปลี่ยนแปลงสิ่งนี้ในบางยานพาหนะหนักในอนาคต และการควบคุมด้วยอิเล็กทรอนิกส์ก็ครองการตัดสินใจอยู่แล้ว แต่ตัวขับเคลื่อนที่ปลายล้อยังคงเป็นแผ่นไดอะแฟรมที่ถูกดันด้วยลมอัดและถูกยึดสำรองด้วยสปริง แนวคิดที่จดสิทธิบัตรในปี 1872 ที่ยังไม่มีใครจำเป็นต้องแทนที่