Tågbroms är en anordning för att sänka hastigheten hos ett tåg eller förhindra att ett tåg kommer i rullning.
Bakgrund Ett järnvägståg har egenskaper som ställer särskilda krav på dess bromssystem. Rörelseenergin hos ett tåg är hög. Bromsning av ett tåg är en omvandling av rörelseenergi till värmeenergi eller elenergi. Rörelseenergin ökar linjärt med vikten (m) och med kvadraten på hastigheten (v) (). Se kinetisk energi. Man kan då observera: Ett tåg är tungt. Ett godståg med 30 vagnar kan väga 2400 ton. Även tomma vagnar är tunga därför att de måste dimensioneras för att klara dels de stora drag / tryckkrafterna mellan vagnarna och dels skydda passagerare och farligt gods när efterföljande vagnar trycks in i urspårade vagnar vid olyckor. En modern passagerarvagn väger 500 – 1000 kg/sittplats. Ett tåg kan hålla hög hastighet och har därför mycket stor rörelseenergi. Ett tåg i 200 km/t har 16 gånger högre energi än ett i 50 km/t. Adhesionen (den molekylära bindningen mellan hjul och räls) är låg. Den möjliga bromskraften är adhesionsvikten gånger adhesionskoefficienten som är 0,3-0,4 (väsentligt lägre, ca 0,1, om hjulen börjar slira varvid adhesionen övergår till friktion). En vanlig adhesionsvikt är 10 ton vid STAX 20 vilket ger endast tre tons bromskraft för ett hjul. Det är därför helt nödvändigt att nästan alla hjul i tåget kan bromsas. Friktionskoefficienten 0,1 ger maximal bromskraft 0,1 g, dvs knappt 1 m/s² (3,6 km/h/s) om alla hjul bromsas. Bromssträckan varierar med kvadraten på hastigheten (rörelseenergin dividerat med tågets vikt, vikt på obromsade hjul ej medräknat). Bromssträckan är teoretiskt ungefär v^2/(260*f), där v=hastighet i km/h och f är adhesionskoefficienten (egentlig formel s=(v/3,6)^2/(2*g*f)). Självsvängningar i kopplen mellan vagnarna kan uppstå i långa tåg om inbromsningen ej sker samtidigt för alla vagnar. Om vagnarna i slutet börjar bromsa senare kan extrema stötar och ryck uppstå när buffertfjädrarna slår i botten. Viktskillnaden mellan en tom och en full godsvagn är stor. Det gör att hjulen kan låsa sig på lätta vagnar. Det har även hänt att lätta vagnar i början av ett tåg har lyfts av spåret i kurvor när efterföljande tunga vagnar tryckt på. Tillförlitligheten hos bromssystemet måste vara hög eftersom konsekvenserna vid en olycka är så stora. Vid fel bör tåget bromsas automatiskt. Om till exempel ett koppel brister måste de tappade vagnarna automatiskt bromsas. I Sverige måste även problem med isbildning på bromsutrustningen bemästras.
Tryckluftsystem för tågbromsning 250px|miniatyr|Principschema för ett tågs tryckluftsbroms. Klicka på bilden för att förstora. miniatyr|vänster|Huvudledningens ventil längst bak i tåget ska vara stängd Amerikanen George Westinghouse fick redan 1872 patent på ett bromssystem som skulle komma att utgöra grund för alla tågbromsar. Hans idé löste de flesta problemen man dittills haft med att bromsa tåg. Uppfinningen byggde på tryckluft för att reglera bromsningen av alla vagnar i ett tåg. Nyckeln i systemet var en styrventil med ett referensutrymme och en kompressortank eller förrådsluftbehållare som monteras i varje vagn. Systemet fungerar enligt följande: Genom hela tåget går en huvudledning. Lok och alla vagnar har ett genomgående rör med en ventil och en slang i varje ända. Slangarna kopplas ihop (två nävar) och alla ventiler öppnas utom längst bak och längst fram i tåget. På loket finns en kompressor som ständigt håller en huvudbehållare (kompressortank i figuren) full med luft med trycket 800-1000 kPa (8-10 bar). Från huvudbehållaren går ett rör till förarens tågbromsventil (bromsregulator i figuren). När bromsen ej är tillsatt så leder tågbromsventilen tryckreducerad luft vidare ut i tågets huvudledning och styrventilens referensutrymme som får trycket 500 kPa. miniatyr|höger|Styrventil överst. Rören mot höger går till trycktanken eller förrådsluftbehållaren och bromscylindern. Fram till höger syns omställningsvred: Godståg / Persontåg (olika fördröjning). Till vänster Bromsen: Öppna/stäng. På varje vagn finns en styrventil (reglerventil i figuren) ansluten till huvudledningen. Styrventilen har ett membran som vid tryckskillnader kan förskjuta en ventilkolv. På varje vagn finns även en förrådsluftbehållare (trycktank i figuren) som står i förbindelse med styrventilen och som kan ackumulera bromskraft i vagnen. Styrventilens membran har på ena sidan huvudledningens tryck och på den andra sidan referensutrymmets tryck. Om referensutrymmet har lägre tryck än huvudledningen drar membranet ventilkolven så att den öppnar en förbindelse mellan huvudledningen och förrådsluftbehållaren. Denna börjar då fyllas från huvudledningen. När trycktanken är full blir trycket lika på membranets bägge sidor. Ventilkolven återgår då till mittläget och stänger förbindelsen mellan huvudledningen och förrådsluftbehållaren, som då har 500 kPa. miniatyr|höger|Bromscylinder som påverkar länksystemet till bromsblocken. När föraren bromsar öppnar tågbromsventilen lite mot den omgivande luften samtidigt som förbindelsen mot huvudbehållaren stängs. Trycket i huvudledningen sjunker då. Sänkningen sker gradvis ända ner till 350 kPa, vilket motsvarar full bromsning. På varje vagn kommer då trycket i huvudledningen att bli lägre än i referensutrymmet. Därvid rör sig membranet åt andra hållet och ventilkolven öppnar en förbindelse mellan förrådsluftbehållarna och en bromscylinder som fylls med luft. Bromscylinderns kolv pressas därvid mot en länkarm, som i sin tur, via drag- och tryckstänger, sätter an bromsblocken mot alla hjul på vagnen med en kraft som motsvaras av det sänkta trycket i huvudledningen. När föraren släpper bromsen på sin tågbromsventil, så kommer trycket att åter ökas i huvudledningen. Membranet går då åt andra hållet. Luften släpps ur bromscylindern och trycktanken börjar åter att fyllas till 500 kPa.
miniatyr|250px|höger|Exempel på länksystem mellan bromscylinder och bromsblocken på en järnvägsvagn. Systemet gör att bromsning sker när trycket sänks i huvudledningen. Föraren har framför sig en manometer och kan enkelt reglera bromskraften mellan 0 och 150 kPa i vagnens bromscylindrar genom att variera huvudledningstrycket mellan 500 och 350 kPa. Om föraren nödbromsar sänks trycket till 0 kPa, vilket inte ger mer bromsverkan, men bromsen går till avsevärt fortare. Tåg med magnetskenbromsar släpper även ner magneterna vid nödbromsning. Om ett koppel brister går slangen sönder, därmed faller huvudledningstrycket i hela tåget och detta kommer att nödbromsas automatiskt.
Westinghouse förbättrade sedan systemet: Ytterligare en trycktank reserverad för nödbromsning placerades på varje vagn och fylldes på samma sätt till 500 kPa. När trycket i huvudledningen snabbt går under 350 kPa så öppnas en förbindelse mellan nödbromstanken och bromscylindern. När föraren behöver nödbromsa så öppnas tågbromsventilen helt så att trycket i huvudledningen faller ännu snabbare. En kraftig nödbromsning till stopp sker. I passagerarvagnar monterades nödbromsventiler, så att även en passagerare kunde nödbromsa tåget. miniatyr|vänster|Bromsarm som dras åt av bromscylindern (stången där wiren hänger) och som trycker bromsblocken mot axelns bägge hjul (oket i wireöglan). Wirarna är till för att förhindra att en olycka sker om bromsarmen skulle lossna.
En annan praktisk funktion blev en avstängningsventil, som gör att man vid rangering av godsvagnar kan förhindra att vagnarna bromsas när bromsslangarnas nävar inte är hopkopplade.
Systemet hade dock tre nackdelar: Efter en bromsning tar det en viss tid för förrådsluftsbehållarna att fyllas i alla vagnar. det gör att det kan ta lång tid innan bromsen släpper (trycket = 500 kPa). Om föraren dessförinnan behöver bromsa igen så kan det hända att trycken i behållarna är för låga och ger låg bromskraft. Vid bromsning tar det en viss tid för trycksänkningen att fortplanta sig genom hela tåget. Fortplantningshastigheten är knappt 1 sekund per vagn. Det gör att sista vagnen i ett längre tåg bromsas ½ minut senare än den första vagnen. Effekten blir att buffertarna trycks ihop så att en stöt och ett ryck uppstår genom tågets kopplingar. Vissa förare drar på under bromsningen för att motverka detta med följd att bromssträckan fördröjs. Det är svårt att reglera släppningen av bromsen. Detta har lett till ytterligare förbättringar senare.
Bromstyper miniatyr|höger|Bromsblock som trycker mot hjulet. Är enkelt att byta ut. Bromsblock är den enklaste tekniken för att bromsa tåg. En gjutjärnskloss trycks mot hjulets slitbana. Friktionen är nästan lika låg som mellan hjul och räls. Trycket måste därför vara lika stort som hjulets tryck mot rälsen för att låsa hjulet. Trycket skapas av ett sinnrikt system av länkarmar, dragstänger och tryckstänger, som fortplantar bromskolvens rörelse till alla bromsblock. Genom att göra hävarmarna på länkarna av rätt längder kan bromskraften ytterligare förstärkas. Tekniken möjliggör dessutom en enkel installation av en handbroms som mekaniskt påverkar länksystemet och låser stillastående vagnar. Bromsblocken nöter på hjulens slitbana. Tekniken har nackdelen att gnisslande (självsvängningar) kan uppstå. På moderna tåg med passiv och aktiv axelstyrning (se Gångegenskaper) kan inte bromsblock användas, eftersom axlarna är rörliga i horisontalplanet.
Skivbromsar är den effektivaste tekniken att med friktion bromsa en rotation. Dels kan bromsbelägg med högre friktion (ca 0,4) och hög värmetålighet användas. Dels kan värmen förhållandevis lätt ledas bort genom att skivorna dubbleras med ventilerande skovlar emellan. Skivorna är antingen placerade på hjulen som hos Rc-loken eller på axeln mellan hjulen som på många pendeltåg. Magnetskenbromsar utgöres av en avlång magnet placerad mellan hjulen i en boggi och som trycks mot rälsen som en bromskloss. Före bromsning sänks skenan ned mot rälsen. Bromsen kopplas ur vid hastigheter lägre än 50 km/t. Magneten matas med likström. Används på snabbtåg, till exempel Regina X50 och de första tyska ICE-1-tågen, men även på spårvagnar. miniatyr|Aktiv virvelströmsbroms på det tyska snabbtåget ICE-3. Magneten sänks till några millimeter över rälsen när man bromsar. Virvelströmsbroms utgöres av en avlång magnetspole placerad endast 1 mm ovanför rälsen. Spolen matas med växelström och inducerar ett kraftigt magnetfält i rälsen. Effekten, som kallas hysteres, omvandlar rörelseenergin till värme i rälsen. Virvelströmmarna och rörelsemotståndet minskar när hastigheten minskar. Virvelströmsbromsen är därför endast ett komplement, eftersom den ej verkar vid låg fart. Fördelar är att bromskraften är mycket jämn och helt oberoende av friktion. Bromsen kräver mycket högre effekt än magnetskenbromsen. Det nyare tyska snabbtåget ICE-3 har virvelströmsbroms. Elbroms. Traktionsmotorerna används som generatorer och bromsar framfarten genom att omvandla rörelseenergin till elenergi, som sedan omvandlas till värme i stora resistorer på taket. Tekniken användes i ett tidigt skede även till att värma kupén på spårvagnar. Elbroms minskar slitaget och underhållet på de mekaniska bromsarna avsevärt, och kombinerat med tryckluftsbromsar kan man få en högre, snabbare och mer exakt bromsverkan. Regenerativ (återmatande) elbroms. Även här används traktionsmotorerna som generatorer, men istället för att bränna bort energin i resistorer, växelriktar man den genererade elen till en spänning och frekvens som passar den som förekommer på kontaktledningen (se Elektrifierad järnväg), och på så sätt kan man förse andra tåg på linjen med el, något som ger en stor energibesparing. Det förutsätter dock att det finns en mottagare av energin, det vill säga ett annat tåg. Eftersom man även om detta inte finns vill ha möjligheten till elbroms, tack vare vinsten med minskat slitage på de mekaniska bromsarna, installerar man även här resistorer på taket som får ta emot den elenergi som inte tas om hand av ett annat tåg.