Історія пневматичних гальм: від Вестінгауза до сучасної вантажівки

Пневматичне гальмо винайшов Джордж Вестінгауз, який запатентував пневматичне залізничне гальмо у 1869 році і того ж року заснував компанію Westinghouse Air Brake Company. Ця перша конструкція використовувала тиск повітря для увімкнення гальм, що небезпечно виходило з ладу, коли потяг розривався. У 1872 році він запатентував автоматичне пневмогальмо: кожен вагон мав власний резервуар і потрійний клапан, тому будь-яка втрата тиску в магістралі призводила до увімкнення гальм, а не до їх відпускання. Саме ця інверсія — причина того, чому стиснуте повітря, а не гідравліка чи троси, стало стандартом для важких транспортних засобів і залишається ним досі.

Проблема до появи пневмогальм

Потяги дев'ятнадцятого століття зупиняли гальмівники. Машиніст свистів, і люди йшли по дахах рухомих вагонів, по черзі обертаючи маховички. Гальмівний шлях залежав від того, наскільки швидко ці люди могли рухатися. Зіткнення були звичайною справою, і гальмівники гинули, виконуючи цю роботу.

Випробовували парові й вакуумні гальма. Пара конденсувалась і замерзала, не досягнувши хвоста довгого потяга. Вакуумні системи працювали і десятиліттями залишались у використанні в Британії та деінде, але вакуум може дати лише близько однієї атмосфери перепаду тиску, приблизно 14,7 psi. Стиснуте повітря такої стелі не має: невеликий бак може тримати близько 120 psi і створювати велике затискне зусилля через відносно скромну камеру. Саме ця енергетична щільність практично й забезпечила перемогу повітря.

Пряме повітряне гальмо проти автоматичного

Патент Вестінгауза 1869 року називають прямим пневмогальмом. Паровий насос на локомотиві заряджав резервуар, і клапан машиніста подавав повітря по магістралі потяга до гальмівних циліндрів кожного вагона. Подано повітря — гальма увімкнено. Магістраль випущено — гальма відпущено.

Недолік очевидний, щойно його промовити: розрив шланга, роз'єднання зчеплення чи розрив потяга на дві частини скидає тиск у магістралі, і всі гальма потяга відпускаються в найгірший можливий момент.

Автоматичне гальмо 1872 року розвернуло цю логіку. Повітря від локомотива через магістраль заряджає допоміжний резервуар на кожному вагоні. Потрійний клапан на кожному вагоні відстежує тиск у магістралі і виконує три функції: заряджає резервуар, вмикає гальмо або відпускає його. Коли тиск у магістралі падає — незалежно від того, чи це команда машиніста, чи розрив шланга — потрійний клапан з'єднує власне запасене повітря вагона з його власним гальмівним циліндром. Потяг зупиняє себе сам. Пізніше Вестінгауз додав швидкодіючий потрійний клапан, щоб спрацювання поширювалося довгим потягом швидко, а не повзло від вагона до вагона.

Кожна пневматично гальмована вантажівка й причіп, побудовані з тих часів, працюють за цим принципом. Втрата тиску подачі — і пружинні гальма вмикаються. Систему спроєктовано так, щоб вона відмовляла у бік зупинки.

Хронологія: віхи розвитку пневмогальм

Від рейок до дороги

Вантажівки набирали вагу швидше, ніж розвивались їхні гальма. Ранні важкі вантажівки використовували механічну тягу, пізніше — гідравліку, обидва варіанти працездатні на жорсткому двовісному транспортному засобі, і обидва погано підходили, щойно починалися причепи. Гідравлічний контур має бути герметичним, заповненим і прокачаним; його не можна недбало підключати й відключати кілька разів на день у брудному дворі. Повітря — можна. Дві головки зчеплення, поштовх, готово, а витік безпечно виходить в атмосферу замість втрати рідини й педалі.

До кінця 1920-х і у 1930-ті пневмогальма стали стандартним обладнанням автобусів і великих вантажівок у США. Bendix і Westinghouse об'єднали зусилля приблизно у 1930 році для випуску автомобільних пневмогальмівних компонентів, і ці назви, поряд із Wabco, а пізніше й Knorr-Bremse в Європі, досі присутні на компресорах, регуляторах і клапанах під сучасною вантажівкою.

Дорожня версія переупорядкувала залізничну схему, не змінивши її філософії. Двигун-приводний компресор повітря замінив паровий насос. Регулятор (прессостат) циклював цей компресор між станами навантаження й розвантаження замість того, щоб дати йому працювати без обмежень. Функцію потрійного клапана розділили між реле-клапанами, клапанами швидкого випуску та, на причепі, аварійним реле, яке вмикає гальма причепа при втраті магістралі подачі — саме та ідея з 1872 року в іншому корпусі.

Що успадкувала сучасна система

Вантажівка, побудована сьогодні, — це архітектура Вестінгауза з понад сторіччям удосконалень:

• Відмовостійкий привід. Пружинні гальма починають гальмувати, коли повітря стравлюється, і повністю вмикаються приблизно при 20-45 psi, залежно від камери.
• Запасена енергія в кожній точці використання. Резервуари на тягачі й на причепі, так само як резервуари на кожному залізничному вагоні.
• Робочий тиск близько 120 psi. Регулятори зазвичай відключають компресор десь у діапазоні 120-135 psi і вмикають знову близько 100-110 psi, тож повністю заряджена система тримається біля 120 psi. Попереджувальна лампа й зумер на панелі вмикаються, коли тиск падає приблизно до 60 psi.
• Резервування. Робоче гальмування розділене на два незалежні контури, щоб одна відмова не забрала все, — дорожній еквівалент недовіри до однієї-єдиної лінії.
• Управління якістю повітря. Компресори прокачують гаряче, вологе, дещо масляне повітря. Осушувачі й цикли продування існують, бо волога й масло руйнували клапани задовго до появи будь-якого стандарту про це.

Що справді змінилося — це керування, а не привід. ABS, EBS, система стабілізації та автоматичне екстрене гальмування — всі вони працюють поверх пневматичного рівня, модулюючи тиск швидше й точніше, ніж це коли-небудь могла зробити нога. Роботу все ще виконує повітря. Механічний огляд того, як ці частини поєднуються в сучасному транспортному засобі, дивіться у статті як працюють системи пневмогальм, а порівняння двох філософій — у статті пневматичні проти гідравлічних гальм.

Чому систему так і не замінили

За 150 років пропонували альтернативи. Жодна не перевершила комбінацію переваг повітря: безкоштовна й необмежена робоча рідина; витоки, що виходять в атмосферу, а не «садять» педаль; муфти, які водій може з'єднати за секунди в будь-яку погоду; енергія, яку можна зберігати у сталевому баку; і режим відмови, який зупиняє транспортний засіб, а не звільняє його.

Електромеханічне гальмування може з часом змінити це на деяких важких транспортних засобах, і електронне керування вже домінує в прийнятті рішень. Але виконавчий механізм на колесі — це все ще діафрагма, яку штовхає стиснуте повітря й утримує в резерві пружина, ідея, запатентована у 1872 році, яку нікому не довелося замінювати.