Kuinka junat jarruttavat? (Suuri jarruartikkeli)

Siten, että kuljettaja vääntää kahvasta.

…

No, otetaan ”hiukan” pidempi selitys. Nykyään junien jarrut toimivat pääsääntöisesti paineilmalla. Joskus muinoin on ollut muitakin ratkaisuja: höyryä, tyhjiön imua, mekaanisuutta, erillisiä jarruvaunuja, ynnä muuta sinänsä äärimmäisen mielenkiintoista. Mutta keskitytään nykypäivään.

Itsetoimijarru

Junan jarrujen ydin on George Westinghousen jo vuonna 1872 patentoima itsetoiminen ilmajarru. Sen nerokas idea on se, että jarrutuksen voimakkuutta säädellään ilmanpaineella niin päin, että ilmanpainetta laskemalla jarruvoima kasvaa. Sama idea edelleen kehitettynä on käytössä aivan kaikessa nykykalustossa – poislukien Sm1- ja Sm2-lähijunat, joista lopuksi erikseen.

Itsetoimijarru toimii yksinkertaisimmillaan seuraavasti. Jokaisessa vaunussa on toimintaventtiili. Venttiilit ovat yhteydessä koko junan läpi kulkevaan paineilmajohtoon – jarrujohtoon. Lisäksi niissä on yhteys varsinaisen jarrutuksen suorittaviin jarrusylintereihin sekä vaunukohtaiseen ilmasäiliöön. Jarrujohdon toisesta päästä, veturista, löytyy kuljettajaventtiili, jolla kuljettaja säätää jarrujohdon ilmanpainetta, välillä 0 – 5 bar (verrattuna ulkoilman paineeseen, toki).

Kun junarunko on muodostettu, kuljettajaventtiilillä syötetään jarrujohtoon painetta tuohon 5 baariin asti. Samalla vaunujen toimintaventtiilit täyttävät tällä ilmalla ilmasäiliöt täyteen – tuohon 5 baarin paineeseen. Kun järjestelmä on ladattu täyteen, kaikissa ilmasäiliöissä sekä jarrujohdossa on 5 baarin paine. Hyvä? Hyvä.

Kuljettaja vähentää kuljettajaventtiilillään jarrujohdon painetta, vaikkapa esimerkin vuoksi 1,5 baarin verran 3,5 baariin. Toimintaventtiilin venttiilistöhässäkkä huomaa, että nyt jarrujohdossa onkin vähemmän painetta kuin ilmasäiliössä. Nytpä aukeaakin ilmayhteys ilmasäiliöstä jarrusylintereille, joiden mäntä puristaa jarrupaloja tai -losseja kiinni jarrulevyihin tai pyöriin ja juna jarruttaa. Ilmaa virtaa sylintereihin, kunnes ilmasäiliön paine on laskenut samalle tasolle jarrujohdon paineen kanssa. Nyt voi kuljettaja halutessaan vähentää lisää painetta jarrujohdosta, jolloin virtaa lisää ilmaa jarrusylintereihin,  jolloin jarruvoima kasvaa. Nerokasta? Nerokasta!

Eipä olekaan tarve enää jarruttaa. Kuljettaja kuljettajaventtiilillään nostaa jarrujohdon painetta ylemmäksi. Toimintaventtiili reagoi venttiilistöllään tähän siten, että päästää ilmat jarrusylintereistä harakoille, ja alkaa taas ladata jarrujohdosta ilmaa ilmasäiliöihin seuraavaa jarrutusta varten.

Ja tähän perustuu junan jarrujen turvallisuus. Ne ovat fail safe, sillä mistä tahansa syystä jarrujohto tyhjeneekin (olettaen että vaunujen ilmasäiliöissä on ilmaa) – oli se sitten junan katkeaminen, matkustamon hätäjarrutuskahva, tai mitä tahansa – koko junassa menevät jarrut päälle. Yksittäisen vaunun jarrut voivat harvinaisessa tapauksessa vikaantua, mutta ne toimivat itsenäisesti (josta nimi) ainoastaan jarrujohdon paineen ohjaamana, joten kaikki muut vaunut kyllä jarruttavat.

Kolmipaineinen itsetoimijarru ja muuta kehitystä

Westinghousen alkuperäistä ideaa on sittemmin kehitetty. Alun perin kun jarrujohdon painetta lisäsi, toimintaventtiilin rakenteesta johtuen jarrut irtosivat saman tein kokonaan. Jarrutusta ei siis voinut keventää vain osittain. Järjestelmän ominaisuuksiin kuului myös, että jarrutuksen jälkeen piti odottaa ilmasäiliöiden uudelleentäyttyminen, jotta uusi täysvoimainen jarrutus olisi mahdollista. Väärillä toimintatavoilla oli mahdollista jarrujohdon painetta edes takaisin pumppaamalla tyhjentää koko järjestelmä lähes kokonaan jarruttavasta ilmasta.

Vaunuihin lisättiin toinen ilmasäiliö. Sen paine ei jarrutuksissa laske lainkaan, joten toimintaventtiilillä on kolmas (tästä nimi) vertailupaine toimintansa ohjaamiseen. Nyt venttiili pystyy säiliöiden välistä paine-eroa tarkkailemalla säätämään jarrusylinterin painetta, riippumatta ollaanko jarrutusta kiristämässä tai keventämässä. On ne fiksuja.

Lisää kehitystä. Matkustajajuniin alkoi ilmestyä toinen koko junan läpäisevä ilmajohto – pääsäiliöjohto. Tähän veturi syöttää suoraan kompressorilta 8 – 10 baarin painetta. Vaunuihin lisättiin kolmas (suuri) ilmasäiliö, joka täyttyi suoraan kompressorilta saatavalla pääsäiliöpaineella. Tehtiin sellainen kytkentä, että toimintaventtiililtä paine ei mennytkään suoraan jarrusylinteriin, vaan sen syöttämää painetta käytettiin ohjauspaineena releventtiilille. Releventtiili on analoginen sähkömaailman releelle: pienemmällä ohjauspaineella se päästää suuremman paineen lävitseen, vieläpä tietyllä painesuhteella. Jarruttava ilma saadaan pääsäiliöjohdon täyttämästä säiliöstä, joten nyt voidaan jarrusylintereiden paineita nostaa. Ja mikä parasta: nyt kun toimintaventtiilin kautta kulkevaa ilmaa ei käytetä enää itse junan jarrutukseen, voidaan ilmatilavuuksia pienentää. Tämän seurauksena jarrujärjestelmän viiveet ovat huomattavasti lyhyempiä.

Sähköä sekaan

Viivettä löytyy kuitenkin edelleen. Tätä lyhentämään keksittiin EP-jarru (ElektroPneumaattinen), paineilmajarrun sähköinen ohjaus. Joko siten, että jokaisessa vaunussa on jarrujohtoon liitettynä erikseen oma sähköohjattu EP-venttiili, joka avustaa jarrujohdon tyhjenemistä ja täyttymistä. Tai modernimmin siten, että sähköisellä ohjauksella säädetään suoraan jarrusylinterin painetta, ja perinteinen itsetoimijarru toimii varmuuden vuoksi taustalla jatkuvasti, jotta EP-jarrun vikaantuessa se ohjaa sylinterien painetta kuin EP-jarrua ei olisi olemassakaan. Fail safe säilyy.

Sähkökaluston kehittyessä kuvaan astui myös täysin erillinen jarrujärjestelmä: sähköjarru. Se toimii kaikessa yksinkertaisuudessaan siten, että normaalisti kiihdyttämiseen käytetyt ajomoottorit kytketäänkin generaattoreiksi, jolloin ne jarruttavat junan kulkua tuottaen samalla sähköä. Tämä sähkö sitten kalustosta ja tilanteesta riippuen syötetään takaisin ajolankaan tai lämpövastusten kautta harakoille. Tämä on siis täysin erillinen järjestelmänsä, eikä korvaa paineilmajarrua.

Tietokoneohjaus

Koska nykyään kaikessa pitää olla tietokone, niin junien jarruihinkin sellaisia asennettiin. Kaikkein modernein ratkaisu on jarrujen tietokoneohjaus, jossa kuljettaja jarrukahvallaan vain valitsee halutun jarrutusvoiman, ja tämän perusteella tietokone päättää millä keinoin se jarrutuksen toteuttaa. Usein se pyrkii käyttämään mahdollisimman paljon sähkökaluston sähköjarrua. Jos sähköjarru ei ole käytettävissä tai sen teho (etenkin vauhdin hiljetessä) ei riitä, tietokone alkaa käyttää ilmajarrua. Kaikesta tästä huolimatta vanha perinteinen täysin sähkötön itsetoiminen ilmajarrujärjestelmä toimii taustalla, valmiina ohjaamaan jarruja mikäli tietokone heittää lusikkansa nurkkaan.

Hätäjarru

Joskus voi tulla tarve pysähtyä nopeasti ja varmasti. Hätäjarrutus aktivoituu siten, että jarrujohdon paine laskee riittävän alas. Tällöin jarrusylintereihin tulee täysi jarrutuspaine. Kuljettajan käytössä on hätäjarrupainikkeita ja jarrukahvojen hätäjarruasentoja. Näillä jarrujohto tyhjenee ripeästi, ripeämmin kuin normaalijarrutuksessa. Nykyiset tietokonehärpäkkeet on suunniteltu siten, etteivät ne pääse estämään hätäjarrutusta. Erilliset venttiilit esimerkiksi haistelevat jarrujohdon painetta, ja jos tietty raja alittuu, ne päästävät täyden paineen jarrusylintereihin riippumatta siitä mitä tietokone yrittää tai ei yritä tehdä.

Lisäksi kun nopeudet ylittää 120 km/h, säännöstö vaatii erinäisen määrän kiskojarruja, joka on jälleen oma järjestelmänsä. Siinä vaunujen teleissä järeät metallipalkit ”pudotetaan” (oikeammin, painetaan kevyesti) kiskon pintaan, ja magnetisoidaan sähköllä. Näin syntyvä järeä sähkömagneetti tarraa kiinni kiskoon, ja jarrutus tehostuu merkittävästi.

Käytännön esimerkki: Sr2-veturi + kaksikerrosvaunut

Eli tyypillinen IC²-juna. Millaista jarrua löytyy? Vastaus: vaikka sun mitä. Seuraa palluralistaus!

• Jousikuormitteinen paineilmalla irrotettava seisontajarru veturissa. Käytetään kun jätetään kalusto seisomaan pitkäksi aikaa. Ei haittaa, vaikka ilmat häviäisivät koko maailmsta, jousi pitää jarrut kiinni. Jokaisessa vaunussa on lisäksi täysin mekaaninen käsijarru samaa tarkoitusta varten.
• Vain veturiin vaikuttava suoratoiminen paineilmajarru. Sillä säädetään suoraan veturin jarrusylintereiden painetta, joten on ripeätoiminen. Käytetään esimerkiksi hiljaisessa vauhdissa pelkällä veturilla liikkuessa tai vaikkapa paikallaan pysymiseen asemilla. Oma erillinen jarrukahvasa. Ei ole fail safe.
• Junajarrukahva. Varsinainen ”pääjarrukahva” veturissa. Tekee väännettäessä useampaa hommaa. Jarruttaa veturia joko sähköjarrulla tai jos ei onnistu – paineilmalla. Lähettää vaunuihin EP-jarruohjausta. Ja kaiken taustalla lisäksi tyhjentää jarrujohtoa, jotta sähköisten vehkeiden pettäessä perinteinen Westinghousen idea pääsee toteuttamaan itseään.
• Veturin itsetoimisen jarrutuksen irrotuspainike. Tällä voi poistaa junajarrukahvan vaikutuksen veturin omiin jarruihin, jolloin jarrutus vaikuttaa vain vaunuihin. Hyödyllinen, mikäli on tarve hallita veturin jarruja erillään vaunujen jarruista. Ja usein tarvitsee.
• Sähköjarrukahva. Yhdistetty samaan kahvaan tehonsäädön kanssa. Vaikuttaa veturin sähköjarruun täysin riippumatta muiden jarrukahvojen asennosta.
• Hätäjarrupainike. Koska junajarrukahva voi rikkoutua mekaanisesti tai sähköisesti, ohjaamosta löytyy erillinen ”tatti”, jonka pohjaan iskemällä jarrujohto tyhjenee. Täysin mekaaninen sähkötön vekotin. Mikä on jees.

Ja kyllä, normaalin pysäytysjarrutuksen eri vaiheissa käytetään kaikkia kolmea jarrukahvaa. Voisihan sitä käyttää vain yhtäkin, mutta kun pitää vissiin sitä matkustusmukavuuttakin ajatella…

Outolintu: Sm1/Sm2

No, näissä lähiliikenteen vanhoissa työjuhdissa ei sitten ole Westinghousen tyyppisiä toimintaventtiilejä ollenkaan. Ei ole edes koko junan läpi kulkevaa jarrujohtoa. Junan läpi kulkee vain pääsäiliöjohto, josta syötetään jarrusylintereitä suoraan, EP-venttiileiden ohjaamana. Junissa on eräänlainen ”sähköinen jarrujohto”, jossa virran avulla irrotetaan jarrut (tai ylläpidetään haluttu täyttä kevyempi jarrutusvoimakkuus). Jos virta katkeaa, jarrut menevät täysivoimaisesti päälle. Jarruvirtapiiriä syötetään junan peräpäästä. Kuljettaja ”pätkii” virtapiiriä etupäässä, ja siitä ohjaus suuntautuu taas kohti peräpäätä jarruja ohjaamaan. Näin jarrujen virtapiiri kattaa koko junan, ja toimii ikään kuin jarrujohtona. Upeaa!

Loppulinkki

Junien paineilmajarrun selittelyä englanniksi. Atlantintakainen näkökulma, mutta pääsääntöisesti jutut pätee meilläkin. Sisältää myös selittäviä kuvia, mikä on aina positiivista.

Advertisement

Yksin yöjunassa

Kas, näköjään meni kuukausi ilman blogikirjoitusta. Selitykseni pitkän harkinnan jälkeen ovat seuraavat:

1. Olen lomalla. Tosin, se selittää vain viikon verran.
2. Mitään erikoista ei ole tapahtunut. No ei tämäkään selitä kaikkea, koska ideatasolla muhii tekniikkatarinoita hirmuinen läjä.
3. Olen laiska.

Mutta kerrotaanpa tarina, joka tapahtui jo joitain aikoja sitten.

Yksin yöjunassa

Ajelin pohjoisen suuntaan yöjunaa, eli junaa joka kulkee läpi yön Helsingistä Lappiin tai toisin päin. Yksittäinen kuljettajaraasu ei sentään joudu koko matkaa yksin ajamaan, vaan kuljettaja vaihtuu useasti matkalla, jotta koko junan ei tarvitse noudattaa kuljettajien taukosäännöksiä.

Siinä ehkä Viialan paikkeilla yht’äkkiä junan jarrujohto – eli koko junan jarruja ohjaava paineilmajohto – tyhjeni äkisti, ja tästä seurasi hätäjarrutus. Ilmoittelin asiasta liikenteenohjaukselle sekä myös konduktööreille, jotka pyysin lähtemään kävelemään junan läpi kuuntelemaan mahdollisia ilmavuotosuhinoita tai vedettyjä matkustamon hätäjarrukahvoja. Itse lähdin ulkopuolta pitkin kävelemään samat suhinanetsinnät mielessä.

Koska meikäläisellä käy yleensä hyvä tuuri, niin nytkin se oli heti ensimmäinen vaunu, joka suhisi toisesta päästään sellaisesta paineilmakaapista. Tästä päättelin (oikein!), että hätäjarrukahvahan se on vedetty tästä kyseisestä vaunusta.

Samassa ikkunaan koputti sisäpuolelta jokin mieshahmo, ja heilutteli käsiään vimmatunlaisesti. Singahdin vaunun ulko-ovelle, ja avasin sen. Samalla kun kapusin ovesta sisään, lähti vaunun toisesta päästä aiemmin käsiään heilutellut hahmo juoksemaan kohti, samalla mölisten jotain, mistä en saanut selvää. Hahmo onnistui juoksemaan noin kaksi askelta, jonka jälkeen rojahti naamalleen kanveesiin. Tässä vaiheessa ajattelin, että työturvallisuuden nimissä en aio kohdata hahmoa yksin, vaikka raavaahko mies olenkin, ja soitin konduktööreille, että ensimmäisessä vaunussa löytyy erikoinen hahmo, että kun tulette niin tulkaa ryhmänä.

Ryhmänä tulivat, jolloin kiipesin itsekin kyytiin. Hahmo oli jo jokseenkin rauhoittunut. Konduktöörille hän alkoi selittämään, että hänen mielestään junassa ei ollut ketään, ja se liikkui itsekseen. Oli kuulemma pyrkinyt kohti keulaa etsimään kuljettajaa tai pysäyttämään tyhjän ”aavejunan” tai jotain. Tarina ei ollut oikein johdonmukainen. Päädyttyään ensimmäisen vaunun etupään lukitulle päätyovelle, oli hän potkinut ja vääntänyt sen väkisin raolleen. Samalla hän oli tajunnut, että veturiin ei pääse sisäkautta (no daa), jolloin hän oli vetänyt hätäjarrusta. Kertomansa mukaan tosin hätäjarru ei tehonnut, ja juna kuulemma jarrutti vasta kun hän veti toisesta kahvasta… joka itse asiassa oli hätävasara, joka roikkui nyt vaijerissaan.

Noh, junasta löytyi vapaa-ajallaan matkustanut poliisi, joka otti hahmon haltuun. Ensimmäisen vaunun matkustajat siirrettiin muihin vaunuihin ja vaunu lukittiin erilleen muusta junasta – sen raolleen väännetyn päätyoven vuoksi. Tampereella poliisit olivat vastassa, ja kertoilin heille tapahtumien kulun omasta kokemusvinkkelistä. Siitä sitten suuntasin piirun verran lyhentyneelle, mutta sitäkin ansaitummalle tauolle.

Hahmon ajatusmaailma on jäänyt tähän päiviin asti minulle mysteeriksi. Poliisin epävirallinen arvio oli, että henkilö oli jonkinlaisessa ryyppyputken jälkeisessä ”tilassa”.