A fékvezérlés, és ami mögötte van

Milyen feladatokat látnak el a vasúti járműveken működő fékvezérlők? Hogyan zajlik a funkciók definiálása, fejlesztése és tesztelése? A Knorr-Bremse Budapest mérnökei bemutatják, hogy a jármű típusától és a vevői igényektől függően hányféle különböző funkcióval lehet felvértezni egy vasúti fékvezérlőt.

Egy vevői projekt akkor kezdődik, amikor a megrendelőtől – aki tipikusan egy vasúti járműgyártó – beérkezik az ajánlatkérés, amiben már látszik, hogy az adott járműben milyen fékrendszer(ek)re és funkciókra van szükség.

Koncepció szintjén kiválasztják a mechanikus/pneumatikus rendszer elemeit, illetve a meghatározott feladatok ellátásához szükséges elektronikus egységeket. Az ajánlat elfogadása és a megrendelés után kezdődhet a részletek kidolgozása. A vevői egyeztetések során pontosan meghatározzák, hogy a fékrendszernek milyen kapcsolódási pontjai vannak a jármű többi rendszeréhez, ideértve a mechanikus, elektromos és kommunikációs interfészeket is. A rendszermérnök a vevői követelmények alapján készíti el a pontos funkcionális specifikációt, amely már a szoftverfejlesztők és -tesztelők számára is feldolgozható formában tartalmazza a kívánt feladatok leírását. Mik lehetnek ezek a járműtípusonként is különböző funkciók?

Egy jármű általában több, egymástól független fékrendszerrel is rendelkezik, amelyek tipikusan a következők lehetnek: a hajtásrendszer által kifejtett (elektrodinamikus vagy hidrodinamikus) fékerő, elektronikusan vezérelt súrlódó fékek, tisztán mechanikusan vezérelt súrlódó fékek, egyéb (például mágneses sínfék, rugóerő-tárolós parkolófék stb.). A fékvezérlő egység feladata ezek összehangolása; a járművezető által „kért” lassulásnak megfelelő fékerő kiszámítása és a fékerő elosztása a különböző fékrendszerek, valamint az egyes egységek (kocsik) között.

Prioritása mindig annak a féknek van, amely energia-visszatáplálásra képes. Ez jellemzően egy villamos hajtásrendszer esetén az elektrodinamikus fék, ahol a vontatómotorok féküzemben generátorként működnek, és a mozgási energiát visszatáplálják a felsővezeték-hálózatba vagy a jármű más fogyasztói számára. Az alapelv az, hogy fékezés esetén a járműre vonatkozó teljes fékerőt elsődlegesen a visszatápláló fékrendszer biztosítsa a lehetséges teljesítménye határáig. Amennyiben további fékerő szükséges, azt a súrlódó fékek egészítik ki, amíg a jármű el nem éri a kívánt lassulást.

A villamos és mechanikus fékek közötti fékerőmegosztás a sebességtől is függ, hiszen magasabb sebességen a villamos fék nyomatéka csökken. Így a súrlódó féknek ebben a tartományban többet kell „hozzátenni”. Kis sebességen (<10 km/h) pedig az elektrodinamikus fék már nem tud nyomatékot kifejteni, így megállás előtt a mechanikus féknek kell átvenni a teljes fékerőt, ez a blending. Ezt úgy kell tennie, hogy a jármű lassulása állandó legyen, ne lehessen rángatást érezni.

Motorvonatoknál jellemző a kocsik közötti fékerőelosztás, ami többféle algoritmus szerint működhet a járműgyártó vagy az üzemeltető kívánsága szerint. Például lehet alapelv, hogy minden kocsi azonos lassulással fékezzen, így a kocsik között a lehető legkisebb erőhatás lépjen fel. Egy másik tipikus eset, hogy minden súrlódó fék azonos erővel fékezzen (függetlenül attól, hogy egy tengely emellett villamosan is fékezett), annak érdekében, hogy az alkatrészek kopása egyforma legyen. Így a karbantartás hatékonyabban tervezhető, az egyes kocsik fékeit egyszerre kell felújítani, cserélni.

A fékerő számításánál mindig figyelembe veszik a jármű tömegét is, annak érdekében, hogy a fékerő az aktuális terheléssel arányos legyen, így a vezérlő fékkar azonos állásánál azonos lassulást érjenek el. A tisztán mechanikusan vezérelt fékek a modern vonatokon főleg kiegészítő- vagy vészféküzemben (esetleg mozdonyos vontatáskor) működnek, amikor a normál üzemi fékek nem – vagy csak részben – működőképesek.

A kerék megcsúszása elleni védelem (WSP, Wheel Slide Protection) az elektronikus fékvezérlők talán legalapvetőbb funkciója, amely mindegyik járműben megtalálható. Két fő feladata, hogy rossz tapadási viszonyok esetén is biztosítja a stabil fékezést a lehető legrövidebb fékúttal és megakadályozza, hogy a kerék „lapot kapjon”, ami menet közben a kerék ütésével káros rezgéseket hozhat létre, és mind a futóművet, mind a pályát károsíthatja.

A berendezés alapelve hasonló, mint a gépjárművekben az ABS-é: a kerekek megcsúszása esetén gyorsan csökkenti a fékerőt, hogy újra kialakuljon a tapadás és a kerék felvegye a jármű sebességét. Folyamatosan érzékeli minden tengely sebességét, és akkor avatkozik be, ha a tengelyek sebessége eltér egymástól, vagy ha a mért lassulás nagyobb, mint a járműre a tervezés során megengedett legnagyobb lassulás.

A WSP modul nemcsak a pneumatikus vagy a hidraulikus fékek esetén használható, hanem képes külső (például elektrodinamikus) fékek vezérlésére is, ha a kerekek annak fékereje hatására csúsznak meg. Továbbá lehetőség van a kerekek megpördülése esetén is a hajtó nyomaték csökkentésére a hajtásnak kiadott parancs segítségével, vagy akár a megpördült tengelyek lelassítására a súrlódó fékkel.

Mivel a fék egy biztonságkritikus rendszer, ezért a vezérlőnek fontos feladata a teljes fékrendszer működésének folyamatos monitorozása és szükség esetén hibajelzés továbbítása a járművezérlő felé. A hibákat a hozzá kapcsolódó környezeti változókkal együtt a vezérlő el is tárolja, így „fekete doboz”-ként működik, és a hibához vezető okok utólag is megvizsgálhatóak.

Az említetteken felül még sok más feladata is lehet egy fékvezérlő egységnek, például a levegőellátást biztosító kompresszorok vezérlése, mágneses sínfék kezelése, féktesztek elvégzése, parkolófék vezérlése, csúszásmentesítés (homokszórás).

A Knorr-Bremsénél a járműspecifikus alkalmazások fejlesztése és tesztelése a vonatkozó vasúti szabványok, illetve az ezeken alapuló – sokszor még szigorúbb – belső előírások szerint történik. A szoftverfejlesztési metódusokból az ún. V-modellt használják, ami azt jelenti, hogy minden specifikációs és fejlesztési fázishoz tartozik egy tesztelési szint is.

Így a vonatra kerülő applikációs szoftver legalább háromszintű tesztelésen esik át (egységteszt, integrációs teszt és rendszerteszt), ezek után következik a jármű üzembe helyezése, ahol a vevővel, az üzemeltetővel és az illetékes hatóságokkal együtt a jármű – és így a fékrendszer – összes funkcióját kipróbálják álló helyzetben és menet közben is.