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Les freins à air des trains

Les débuts...

Les premiers systèmes de freinage étaient fort simples. Pour arrêter le train, on faisait siffler le sifflet de la locomotive selon un code précis. Puis un agent de train sautait d'un wagon à l'autre en serrant à la main les freins. Ces agents de train avaient, nul besoin de le préciser, de la diffulté à avoir une bonne assurance-vie!

Le seconde génération de freins était composée d'un compresseur à air dans la locomotive raccordé à une conduite posée sous les wagons. La conduite était connectée entre les wagons par des connecteurs assexués, qui se séparait si on exercait une tension dessus (ce principe est encore utilisé aujourd'hui). La conduite était ensuite reliée à un cylindre de frein sous chaque wagon. Avec la pression d'air venant de la conduite principale, le cylindre tirait une chaîne qui à son tour appliquait le sabot de frein sur la roue.

En d'autres mots, mettez de l'air dans la conduite principale, et les freins s'appliquent. Ce système était NETTEMENT plus efficace que le premier, mais demandait considérablement plus de temps pour appliquer les freins à la longueur du train. En plus, une fuite ou un boyeau déconnecté entre deux wagons et le système au complet devenait inopérant.

L'invention de M. Westinghouse

Un gars nommé George Westinghouse trouvait lui aussi que ce système n'était pas très fiable. Il inventa alors une pièce nommée "Valve triple" (triple valve). Cette valve ainsi qu'un réservoir situé sous le wagon venait inverser le principe du premier système: La pression de la conduite principale chargeait le réservoir sous le wagon, plutôt que le cylindre de frein. Diminuer la pression dans la conduite principale appliquait les freins. Il avait alors un système beaucoup plus efficace et rapide, mais surtout, sans possibilité de troubles. Ce système fonctionnait tellement bien que c'est encore ce système qui fait la base des systèmes de freinage ferroviaire moderne.

La valve triple est directement attachée à la conduite principale, a une connection vers le réservoir et une autre vers le cylindre de frein. Le nom "valve triple" ne lui vient pas des trois connections, mais de ses trois actions:

  • Chargement

Au repos, le système de Westinghouse ne contient pas d'air. Le système doit d'abord être chargé pour fonctionner. L'air arrivant de la locomotive par la conduite générale est dirigée par la valve triple dans le réservoir. L'air du réservoir servira a appliquer les freins plus tard. Quand le système est chargé, la pression de la conduite générale et du réservoir est égale. Pour l'exemple, disons 70 livres de pression par pouce carré. La pression est désignée par les chemins de fer, selon leurs besoins.

  • Application

Quand le mécanicien veut appliquer les freins, il ouvre son robinet de frein, ce qui laisse échapper de l'air de la conduite générale (et donc fait baisser la pression). Lorsque la valve triple du wagon voit la pression de la conduite générale baisser, elle laisse échapper de l'air du réservoir afin que le pression de la conduite générale et du réservoir soit toujours égale. Et où va l'air du réservoir? Dans le cylindre de frein! Ce qui applique les freins. C'est simple; si vous enlevez 5 livres de pression pour emmener la conduite principale à 65 livres de pression, la valve triple enlèvera aussi 5 livres de pression du réservoir. Mais comme les volumes du réservoir et du cylindre de frein ne sont pas identiques, le cylindre de frein recevra environs 12.5 livres de pression.

Une réduction de 10 livres de la conduite principale mettra 25 livres de pression d'air dans le cylindre. La conduite principale passera alors de 70 lbs à 60 lbs de pression. Le freinage maximal est donc une réduction de 20 lbs, ce qui mettera 50 lbs de pression dans le cylindre de frein, et laissera 50 lbs de pression dans le réservoir. Comme la pression d'air du cylindre et du réservoir est égale, le freinage ne peux plus s'exercer plus fortement. Si la pression est encore réduite dans la conduite principale, rien ne se passera.

  • Relâchement

Lorsque les freins sont appliqués, une augmentation de pression dans la conduite principale indiquera à la valve triple de relâcher les freins. Pour ce faire, la valve triple relâchera l'air du cylindre de frein dans l'atmosphère, puis commencera à recharger le réservoir du wagon. Le cylindre de frein reviendra en position de départ grâce à un ressort.

(Sur les trains modernes, il y a deux type de relâchement:

Direct Release, dans lequel toute augmentation de pression dans la conduite générale relâchera totalement les freins. Les freins des trains de marchandises fonctionnent sur ce principe.

Graduated Release, dans lequel une augmentation graduelle provoquera un relâchement graduel. Ce système est utilisé dans les trains de passager. Cependant, les valves triple sont beaucoup plus compliquées.)

La valve triple de Westinghouse diminuait le temps de réponse des freins, car on n'avait pas besoin de remplir le système d'un bout à l'autre du train. On avait seulement besoin de changer la pression suffisament pour envoyer un signal aux valves triple des wagons pour leur dire d'appliquer ou de relâcher les freins. Mais le signal prenait quand même un certain temps pour parcourir le train. Ce défaut fut corrigé plus tard...

Amélioration: le système d'urgence

Un mode d'urgence fut rapidement ajouté au système de Westinghouse. Un second réservoir et une valve triple plus compliquée fûrent ajoutés, mais aussi la possibilité d'appliquer les freins plus fortement. En plus, l'ajout du mode "Quick Action" permettait d'accélérer le processus de freinage de wagon en wagon.

"Urgence" devenait donc un quatrième mode au système de freinage. Une baisse rapide de la pression dans la conduite générale envoyait un signal aux valves triple d'arrêter complètement le train. En plus de vider le réservoir existant (qui fut rebaptisé "réservoir auxiliaire"), le système vidait aussi le réservoir d'urgence.

Aujourd'hui la plupart des wagons utilisent des réservoir "duplex". Un réservoir duplex consiste en un réservoir séparé en deux par une plaque d'acier. Cette plaque est formée comme un dôme, ce qui fait que le côté urgence du réservoir est plus volumineux que le côté auxiliaire. Normalement, le côté "urgence" et "auxiliaire" du réservoir sont identifiés sur l'extérieur du réservoir.

En opération normal du train, la valve triple focntionne comme la valve triple original de Westinghouse, excepté qu'elle charge aussi le réservoir d'urgence en plus du réservoir auxiliaire. Une partie de cette valve est dessinée pour reconnaître une baisse rapide de la pression dans la conduite générale, ce qui met le système de freinage en mode urgence. La valve triple envoiera alors le contenu des deux réservoirs dans le cylindre de frein, jusqu'à ce que la pression s'égalise partout. Sur un système de frein chargé à 70 lbs, il y aura environs 63 lbs de pression dans le cylindre. C'est le freinage le plus puissant possible. À basse vitesse, ce freinage est suffisant pour arrêter net les roues du wagon, ce qui fera glisser les roues sur le rail et provoquera des méplats de roue (flat wheel). Cette force de freinage peut endommager la marchandise du train et même le faire dérailler!

Un freinage d'urgence est maintenant la norme dès qu'une composante du système fait défaut. Une rupture de la conduite principale (sous un wagon, ou entre deux wagons) provoquera immédiatement un freinage d'urgence, de même qu'une valve triple défectueuse (appelée un "kicker" (botteur) ou "dynamiter" (dynamiteur).

Une valve triple défectueuse peut mettre un train en urgence à cause de la fonction "Quick Action". Pour tomber en urgence, la valve triple doit reconnaître une baisse rapide la pression. Le mode "Quick Action" s'assure que la baisse de pression sera rapide d'un bout à l'autre du train.

La locomotive seule ne peut faire cela. Même en ouvrant la conduite principale depuis la locomotive, le temps que cette pression baisse le long d'un train de 100 wagons sera considérablement long.

Donc chaque valve doit répéter et propager la baisse rapide. C'est ce que fait le mode "Quick Action". Quand la valve triple reconnaît une baisse de pression rapide, en plus d'appliquer les freins, le mode "Quick Action" vide aussi la conduite principale, ce qui cause une baisse de pression immédiate et amplifie l'action d'urgence pour être sûr que la valve triple du wagon suivant tombe rapidement en urgence aussi.

Ce qui veut dire qu'une valve triple défectueuse produira une "Undesirable Emergency Application" (Application d'urgence non-désirée) (UDE) et le train en entier suivra.

Quand les mécaniciens voyageaient dans les fourgons de queue (caboose), ils connaissaient les quatre raisons qui faisaient tomber un train urgence.

1. Un boyeau d'air entre deux wagons s'est détaché.

2. Le train s'est séparé en deux.

3. Un des wagons est un kicker (valve triple défectueuse).

4. La tête du train va frapper quelque chose sur la voie.

Normalement, ils ne pensaient pas beaucoup, sauf pour s'accrocher rapidement à quelque chose! L'action des attelages absorbant le choc va en augmentant vers la fin du train. Le choc est si grand que le poêle du fourgon de queue pouvait être arraché du mur auquel il était fixé. Dès que le train était arrêté, ils disaient à la radio :"Tout est arrêté!", ce qui donnait à l'ingénieur une idée du nombre de morceau dans lequel se trouvait son train.

La valve de contrôle "AB" pour les trains de marchandises

La valve "AB" de Westinghouse désigne essentiellement les freins modernes. Cette valve fonctionne comme celles qui ont été décrites précédemment. Même si quelques ajouts technologiques ont été fait (de "ABD" à "ABDW" à "ABDX"), la valve a été normalisée dans l'industrie et vaut la peine qu'on s'y attarde.

La Valve "AB" consiste en une section où tous les boyaux viennent s'y connectés, et deux parties distinctes de contrôle (la partie "Service" et la partie "Urgence") qui viennent se visser à l'aide de trois écrous sur la section de connection des boyaux. Chaque pièce pèse environs 65 lbs, ce qui en fait un poids assez léger pour être facilement tranportable par la poste régulière.

La beauté de ce système est la facilité d'entretien. Les deux sections (qui sont relativement complexes à l'intérieur) se dévisse simplement. Les chemins de fer n'ont pas à les rebâtir, seulement les expédier à quelqu'un de spécialisé dans ce domaine qui fera la travail pour 120$US. Avec quelques dollars de plus vous obtenez de nouveaux joints de caoutchouc, des filtres et un diagnostique complet. Et l'entretien du système de frein d'un wagon (qui se fait environs aux 16 ans) est terminée. La partie la plus difficile revient à peinturer le wagons des lettres "C.O.T.S. 1/4/94" (Clean, Oil, Test, Stencil, 4 janvier 94).

En plus des écrous de fixation, la section de connection aux boyeaux contient cinq connections de boyeau: la conduite principale, le cylindre de frein, le réservoir auxiliaire, le réservoir d'urgence et la valve de retient. Cette dernière nécessite quelques explications.

La valve de retient sert à maintenir une application des freins même si le relâchement du système a été commandé par le mécanicien. Quand une valve triple "AB" relâche les freins, elle expulse l'air dans la conduite de retient. Sur la plupart des wagons, la valve de retient (situé au bout de la conduite de retient) est sur le côté du wagon. La valve de retient maintient une pression minimun dans le système, même si la valve triple essaie de relâcher complètement l'air. Les deux modes de fonctionnement sont "Direct", qui ne retient aucune pression (l'air est directement expulsée dans l'atmosphère) et "retain 10 pounds", qui retient 10 livres de pression dans le cylindre.

Ce système est utilisé dans les pentes abruptes: les valves de retenus sont tournées manuellement une à une dans le mode "retain 10 pounds". Lorsque le train amorce sa descente, le mécanicien peut relâcher les freins pour recharger le système sachant qu'il y aura toujours une applications de 10 livres des freins. Les systèmes plus avancés ont aussi les fonctions "retain 20 pounds" et "slow release" qui relâche complètement l'air mais de façon très graduelle (ça prends environs 90 secondes).

Les wagons qui n'utilisent pas ce système ont souvent un grillage sur l'emplacement de la conduite de retient qui empêche les oiseaux de venir se faire un nid et d'obstruer le système.

Encore des améliorations sur la valve ABD

Les valve ABD ont ajoutés deux fonctions qui ont rendu la réponse du sytème plus rapide. Mais elles travaillent comme les valve AB et sont compatibles.

Cependant, leur fonctionnement intérieur est complètement différent

Les vieilles valve AB utilisaient une technologie centenaire à l'intérieur: de petits pistons de laiton bougent de petites valvee de laiton qui alignent ou bloque les ports pour faire fonctionner le système. Elles doivent être lubrifiées avec du graphite et ont toujours eu des problèmes de fuites. Dans les valve ABD, des diaphragmes de caoutchouc (du genre de ceux utilisés dans les pompes à essence d'auto) ont remplacés les pistons et des tiges glissantes munient de joints de caoutchouc ont remplacé les valves de laiton. Les résultats ont grandement été améliorés.

Deux nouvelles fonctions ont été ajoutées: "Quick Service" et "Quick Release". Les deux fonctionnent comme la fonction "Quick Action": manipuler la conduite générale pour propager son effet plus rapidement le long du train.

"Quick Service": Propage l'effet d'application des freins. Dès que la pression baisse d'une livre et demie ou plus, la valve relâche cinq livres de pression de la conduite principale dans l'atmosphère. Ce qui fait entrer la valve suivante plus rapidement en action, et ainsi de suite.

"Quick Release": Même effet, mais pour le relâchement des freins. Lorsque la valve détecte une hausse de pression dans la conduite principale, elle ajoute de l'air en provenance du réservoir d'urgence dans la conduite générale. Ce qui hausse la pression plus rapidement et fait relâcher les freins du wagon suivant plus rapidement. Quand les freins sont relâchés, le système réinjecte l'air dans le réservoir d'urgence.

Mais souvenez-vous des problèmes avec les "kickers" qui faisaient entrer un train au complet en urgence avec la fonction "Quick Action". La même chose peut se produire ici, mais maintenant, un wagon défectueux peut faire relâcher les freins de tout le train. Des problèmes majeurs sont survenus jusqu'à ce qu'on apprenne à manipuler les freins défectueux.

Imaginons une équipe de train au sommet d'une colline qui veut découpler les locomotives du train. L'ingénieur ayant fait une application assez prononcée des freins, la pression d'air est plus élevée à l'arrière du train qu'à l'avant, à cause du temps de réaction de l'air (souvenez-vous: un train peut avoir près de 2 km de long). Cette pression se déplacera ensuite vers l'avant du train (un peu comme une vague faite dans une corde attachée à un poteau. En frappant le poteau, la vague revient dans la corde). L'agent de train ferme alors le robinet du wagon à être détaché de la locomotive et découple le train des locomotives. Jusqu'ici, tout est normale. Mais voici ce qui se passe dans la conduite principale...

La pression d'air revient vers la tête du train et soudainement, le passage est coupé. La pression d'air augmente donc à cette endroit (à cause du momentum de l'air). C'est un peu comme un bouchon de traffic de l'air. Comme la pression augmente, que fera la valve triple du premier wagon? Elle relâchera les freins!

Les valve "AB" faisaient en sorte que seule un ou deux wagons en tête de train relâchait leur freins. Mais la fonction "Quick Release" a changé la donne, parce qu'elle propage l'effet de relâchement tout le long du train. Ce qui fait relâcher les freins du second wagon, puis du troisième,...

Lorsque l'équipe de train s'en rend compte, le train fou fonce droit sur elle! L'éducation des équipes de train a beaucoup règlé le problème: attendre que l'air ait cessé tout mouvement avant de fermer le robinet du premier wagon, ou encore, laisser le robinet légèrement ouvert pour qu'un peu d'air continue toujours de drainer, empêchant ainsi la pression de remonter dans la conduite principale.

Freiner en descendant une pente

Les locomotives diesels ont deux systèmes de freins indépendant du système de frein du train: Un système à air (qui fonctionne sur le même principe que celui du train) et un système appelé frein rhéostatique (Dynamic brake). Ce système fonctionne comme suit: lorsque les moteurs électriques ne reçoivent plus de courant, ils continuent de tourner à cause de la force d'inertie qui pousse le train. Ils deviennent alors des générateurs et produisent de l'énergie électrique. Si on fait passer cette énergie dans une résistance, un champ magnétique se produit dans l'armature du moteur et offre une résistance à ce dernier. Lors du freinage dynamique, le mécanicien contrôle la résistance offerte à l'électricité produite par le moteur et par le fait même, la force du freinage. Les résistances utilisées pour dissiper cette énergie électrique en chaleur sont énormes. Ils sont situés sur le dessus de la locomotive, par dessus lesquels se trouvent d'énormes ventilateurs.

Idéallement, le freinage lors des descentes se fait avec les freins rhéostatiques. Ils ne surchauffes jamais et ne s'usent pas. Mais de façon plus réaliste, les freins à air du train sont aussi nécessaires, ce qui se fait à petites doses ou en utilisant les valves de retient.

On ne discutera pas de l'utilisation des freins à air sur de très longues périodes, mais ils sont suffisamment résistant aux fuites pour que le train puisse descendre la pente sans s'arrêter complètement pour recharger le système. Cependant, si le mécanicien applique et relâche fréquemment les freins, ils videra les réservoirs auxiliaires. Les réservoirs d'urgences resteront intacts. Si un mécanicien fait cette erreur majeure, il devra effectuer un freinage d'urgence pour arrêter le train.

Par la suite, il devra appliquer un nombre suffisant de valve de retient pour que le train demeure à l'arrêt puis relâcher et recharger le système. Pendant ce temps, son contremaître a amplement le temps de se rendre sur les lieux pour avoir une petite discussion avec lui...

Il y a eu beaucoup d'évolution aussi du côté des freins de la locomotive. La valve de distribution, qui contrôle à la fois les freins de la locomotive et les freins du train en est un exemple. Les premières avaient trois positions: "Running", qui recharge les freins du train jusqu'à une pression pré-déterminée, "Apply", qui décharge l'air de la conduite principale (et fait appliquer les freins) et "Lap", qui ne fait rien. Le mécanicien manipulait la manette de frein à la position "Apply" jusqu'à la pression désirée, puis il mettait la manette à la position "Lap". Malheureusement, les fuites d'air du système faisait en sorte que souvent, les freins s'appliquaient plus que la demande initiale. Les freins se serrant de plus en plus, il venait un temps où les réservoirs auxiliaires était complètement vident, occasionnant le problème mentionné ci-haut.

Les systèmes modernes ont une valve appelée le "modèle 26". Cette valve maintient une pression constante dans la conduite générale. Si le mécanicien demande 65 livres de pressions dans la conduite, la valve "modèle 26" va maintenir cette pression, même s'il y a des fuites (en ajoutant de l'air au besoin). Une solution efficace au problème.

Avant l'invention de la valve "modèle 26", les mécaniciens avaient développés des trucs improvisés, comme d'ajuster la valve du compresseur qui détermine la pression maximale d'air dans la conduite principale. Cette valve est normalement ajustée selon les pratiques du chemin de fer (par exemple, 70, 80 ou 90 livres de pression) et laissée en position. Pour descendre une pente sans tracas, les mécaniciens ajustaient cette valve à l'applications des freins qu'ils voulaient (disons 60 livres) et laissaient les fuites d'air faire descendre la pression jusque là. La valve du compresseur, pensant que la pression normal était 60 livres, maintenait alors la pression à ce niveau, malgré les fuites. Cette pratique était illégale, mais fonctionnait.

Train en fuite

C'est bien connue, dans tous les films de train, il y a un train hors-contrôle en fuite. Mais il y a seulement quatre conditions pour qu'un train soit hors-contrôle (avec l'utilisation des freins modernes):

1. L'équipe de train a complètement oublié de charger le système de frein avant le départ. Si vous vous accouplez sur des wagons au repos depuis quelques semaines, ils ne contiennent pas d'air. Si vous les tirez sans y avoir mis de l'air et fait un essai de frein, vous pouvez perdre le contrôle du train simplement parce que la locomotive sera le seul et unique frein disponible, ce qui est ridiculement insuffisant.

2. Le problème du "Quick release". Ce problème est décrit plus haut. Si quelqu'un à bord est en mesure d'appliquer les freins d'urgence, il viendra à bout d'arrêter le train.

3. Descendre une pente tellement vite que l'énergie cinétique du train s'accumulera plus vite que ce que le système de frein est capable de gérer.

4. La conduite d'air principale du train s'est bouchée. Soit que la valve de la conduite principale d'un wagon s'est fermée en vibrant (très rare) ou que la conduite principale s'est détachée d'un wagon, est tombée sur la voie et fut pliée pour former un bouchon (très rare aussi, mais c'est déjà arrivé). Tous les wagons au délà du bouchon ne perçoivent plus aucun changement dans la pression d'air et donc ne répondent plus aux commandes de freinage. Si quelqu'un applique les freins d'urgence du train, celui-ci s'arrêtera éventuellement. Ou encore, si les fuites d'air dans la partie de la conduite principale isolée de la locomotive sont importantes, une valve peut détecter le mode "Quick Action" et les freins vont éventuellement s'appliquer.

Ces situations semblent bizarres et n'arrivent que très rarement. Et quand ça se produit, on en parle au nouvelles du soir...

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Train Air Brake

The following writeup was posted to rec.railroad by Bob MacDowell.

Early Train Brakes

The first train brakes were very simple. To stop the train, you blew a certain pattern with the engine whistle and brakemen would jump from car to car setting handbrakes. Brakemen, needless to say, had trouble getting life insurance...

The next generation of brakes added a compressor to the locomotive, and a brake pipe running the length of the train, connected between cars with gladhands, which were symmetrical "non-gendered" connectors that were latched together by hand and would separate by themselves if pulled on. The brake pipe was connected to an air cylinder on each car, which pulled on the handbrake chain when the brake pipe was pressurized.

In other words, charge the brake pipe with air, and the brakes went on. This worked MUCH better than brakemen, but it still took a long time to pump all that air back to the cars. And, all it took was a parted hose or other failure anywhere in the brake system to cause the system to fail entirely.

Westinghouse's Invention

A guy named George Westinghouse didn't like the direct air brake either, and he invented a thing called a triple valve. This valve, and a reservoir on the car, inverted the behavior of the direct air brake: charging air into the pipe charged the system and released the brakes, and draining air from the brake pipe applied the brakes. He now had a much more responsive system that was fail-safe. It worked, and became the basis of the modern air brake.

The triple valve attached directly to the brake pipe, then had a connection to the reservoir, and to the brake cylinder. It was called "triple valve" not of the three connections, but of its three modes:

  • Charging

At rest, the Westinghouse brake system has no air in it. So the air brakes in the train must first be charged. As air is pumped down the brake pipe by the locomotive, the triple valve directs it into the car's reservoir, where it is held for use in applying the brakes later. When the system is fully charged, brake pipe and all the reservoirs in the train will be at a pressure designated by the railroad, for this discussion let's say 70 pounds.

  • Applying

When the engineer wants to apply the brakes, he sets the brake handle such that air is removed from the brake pipe. When the triple valve sees brake pipe pressure fall, it allows reservoir air into the brake cylinder, and the brakes apply. It's pretty simple; if you reduce the brake pipe pressure 5 pounds to 65 pounds, the triple valve transfers air into the cylinder until the reservoir drops to 65 pounds. Due to the relative volumes of the reservoir and (properly adjusted) cylinder, this will put 12.5 pounds of air into the cylinder.

A 10 pound reduction will give 25 pounds of cylinder application (by reducing the reservoir from 70 to 60). The maximum braking, then, is a 20-pound reduction, which puts 50 pounds in the cylinder, and leaves 50 pounds in the reservoir. At this point, pressure in the reservoir and cylinder are equalized, and that's as hard as the system will brake. Even if the brake pipe pressure is reduced further, nothing more will happen.

  • Releasing

Once the brakes are applied, an *increase* in pressure told the triple-valve to release the brakes. When it saw an increase, it would vent the cylinder to atmosphere, and start to recharge the reservoir.

(In modern brakes there are two kinds of release actions:

Direct Release, in which *any* increase in pipe pressure kicks the brakes off fully. Freight brakes work this way.

Graduated Release, in which a partial increase provides a partial, proportional release. This is used in passenger trains, though the valve becomes much more complicated.)

 

Westinghouse's triple valve improved response times, because it didn't need to move all the air needed to apply the brakes. It only had to move enough air to carry a signal to the triple valve, telling it to apply or release. But still, the signal took awhile to work its way down the brake pipe. This would be improved later...

Improvements: Emergency

An Emergency feature was an early addition to Westinghouse's technology. This added a second reservoir, and made the control valve more complicated, but it added the means to make a harder application of the brakes. And, with a propagation feature called "Quick Action", it made them apply very quickly too.

"Emergency" adds a fourth mode to the brake system. A rapid decrease in brake pressure signals the valve to immediately throw the "works" into stopping the train. Including the full contents of a second, larger reservoir, called the "Emergency" reservoir. (The original reservoir is now called the "Auxiliary" reservoir.)

Most freight cars use a "duplex" reservoir, which are two cast halves separated by a steel plate. The steel plate is shaped like a dome inside, which makes the emergency half of the reservoir larger. A tab sticks out of this steel plate, one side labeled "aux" and the other "emerg" so the sides can be identified.

In normal operation, the emergency-equipped control valve operates just like the original triple valve, except, of course, that it also charges the emergency reservoir. But part of the valve is designed to detect a rapid drop in pressure, which trips the emergency mode. The valve will then dump the entire contents of both reservoirs into the cylinder, and when pressure equalizes, there will be nearly full system pressure in the cylinder, 63 pounds or so on a 70-pound brake pipe pressure. This is as hard as the brakes will go, and will often lock up the axles at low speeds, skidding flats in the wheels. The force of an emergency application can also damage lading or even derail the train!

An emergency stop is now the default action almost anytime there's a brake failure. Any rupture in the brake pipe will cause an emergency application, as will a defective brake valve pejoratively called a "kicker" or "dynamiter" (which puts the whole train in emergency.)

The reason a defective valve could disable a whole train, is that part of the "Emergency" feature is another feature called "Quick Action". Since an emergency application requires a rapid drop in brake pipe pressure, there needs to be away to make sure the drop remains rapid, even far back in the train.

The locomotive alone can't do that; by the time the pressure drop got 100 cars back, it would not be so rapid.

So each valve repeats and propagates the effect of the emergency brake. That's what Quick Action does. When the valve goes into emergency, Quick Action vents the brake pipe itself, thus _causing_ a rapid drop, amplifying the emergency action and making sure the next valve goes into emergency too.

That also means that if a valve is defective, and produces what is called an "Undesirable Emergency Application" (UDE), the entire train will follow suit.

When conductors rode in cabooses, they knew of four reasons for their train unexpectedly going into emergency:

1.An air hose has parted.

2.The train has broken in two.

3.One of the cars is a "kicker".

4.The head end is about to hit something.

Usually, they didn't think too much about the cause before grabbing a handhold; the slack action from an emergency brake could tear the stove out of the wall. But as soon as they stopped, they'd radio to the head end "All stopped!" Which gives the engineer some idea of how many pieces the train is in.

The AB Freight Control Valve

The Westinghouse "AB" control valve is, essentially, the modern brake. It has all the brake features discussed so far. While there have been technological upgrades ("ABD" to "ABDW" to "ABDX") the basic packaging is standardized, and worth talking about.

The "AB" control valve consists of a pipe bracket, to which all piping connections are made, and two control valve portions (the "Service" and "Emergency" portions) which bolt to the pipe bracket with three bolts. Each of the three pieces weighs about 65 pounds, which is (conveniently?) just light enough to be shipped by UPS.

The beauty of the system is its ease of maintenance. The two portions (which are quite complex inside) simply bolt off; and you don't rebuild them, you just ship them off to someone who does it for you for about $120. Add ten dollars worth of gaskets and filters, and a field diagnostic, and you've done 16-year brake service on a railroad car. The hard part is cutting out the stencil which says "C.O.T.S. 1/4/94" (Clean, Oil, Test and Stencil)

The pipe bracket does not just unbolt; there are pipes attached to it. The five pipes are Brake Pipe, Cylinder, Auxiliary Reservoir, Emergency Reservoir, and Retainer. The last one deserves some explanation.

The retainer is a way of "keeping" some of the brake application even after the brakes are released. When an AB brake releases cylinder pressure, it vents it out the "retainer" port. On most cars, this leads to a retaining valve located on the side of the car. The retaining valve retains pressure in the cylinder when the control valve tries to release it. It can be set for "direct", which lets the air out directly, or "retain 10 pounds" which keeps the last 10 pounds of pressure in the cylinder.

This is used to descend long grades: with the retainers turned up, the cars will hold ten pounds of brakes even while the brakes are fully released and recharging. More advanced retainers added two more settings: retain 20 pounds, and slow release, which would release fully but took about 90 seconds to do it.

On cars that didn't use the feature, a screen was put over the retaining valve port to keep wasps from building nests in the control valve.

More Improvements: the ABD valve

The ABD valve added two features which made brake response faster, but they worked mostly like AB valves, and were, of course, compatible.

However, they were completely different internally.

The old AB valve used technology of 100 years ago inside the valve: small pistons moved brass slide valves, aligning or blocking ports to make the valve function. They had to be lubricated with graphite, and there were always problems with scoring and leakage. With the ABD valve, rubber diaphragms (like in a car's fuel pump) replaced the pistons, and sliding shafts with rubber gaskets replaced the brass slide valves. Although they did basically the same thing.

Two functional features were added to AB and newer valves: Quick Service and Quick Release. Both worked like Quick Action, manipulating brake pipe pressure to propagate the brake commands more quickly.

Quick Service propagates the effect of a service application. When it sees an pressure drop of 1-1/2 pounds or so, it vents some more brake pipe pressure to atmosphere, assuming a 5-pound application. This means that the next valve sets brake more quickly, and so on.

Quick Release does the same thing, for releases. When it sees an increase in pipe pressure, it adds some air from the emergency reservoir into the brake pipe. This increases the pressure some more, and all in all makes the train release much more quickly.

But... remember the trouble with "Kickers" and the Quick Action feature, where one car could put an entire train into emergency? The same thing can happen here, but now one car can release the brakes on an entire train. This caused major problems until it was learned that certain ways of handling the brake were causing it.

Picture, if you will, a train crew on a hill, trying to uncouple the locomotives from a train. The engineer makes a heavy brake reduction, which causes air in the pipe to move toward the locomotive. Then, a brakeman closes the angle cock (the valve between cars that closes off the brake pipe) on the first car, so they can uncouple. Normal enough, but watch what happens in the brake pipe...

Air is moving through the brake pipe, and suddenly the air passage is shut. But air has momentum, and it's still moving toward the locomotive. So it piles up at the closed angle cock, a little pneumatic traffic jam. And as it does, the pressure at that spot in the brake pipe, increases. Guess what the control valve in that car does. It releases.

This wasn't a problem with the AB valve; at most one or two cars at the front of the train would release. But the Quick Release feature changes all that, because it propagates the release back through the train. That knocks the brakes off the second car, which knocks the brakes off the third, and so on ...

By the time the crew realizes it, their entire train has released, and it's headed down the mountain.

Education has pretty much fixed the problem; wait until air has stopped moving before closing the angle cock; or leave it open a bit so air continues todrain.

Braking down Hills

Diesel locomotives have two brake systems: an air system, which is independent of the train brake; and dynamic brakes, which use the main drive motors as generators, and discard the generated energy out large resistor banks.

Ideally, braking down long grades is done with dynamic brakes. They never overheat or wear out. Realistically, some help from air brakes on the train is often needed, and that's done either by normal use of the brakes, or by stopping and turning up retainers.

I won't talk about how air brakes perform over long periods of use, but I believe they are sufficiently leak-resistant that they can make it down the hill without needing to stop and recharge. However, if the engineer repeatedly applies and releases the air brakes, he will eventually drain the auxiliary reservoirs on the cars (but the emergency reservoirs will be intact...) If an engineer foolishly does this, he may need to use emergency to stop the train.

Then he will need to turn up enough retainers to hold the hill, and release the brakes, and pump air into the system until it is recharged. While he waits, the trainmaster will show up and cuss him out, of course...

There have been several rounds of evolution on locomotive brake stands (which together with the control-valve-like Distributing Valve, control the locomotive's and the train's brakes) The very early varieties had three positions: Running (which charged the brake pipe up to a set pressure), Apply (which discharged the brake pipe), and Lap (which did nothing to the pipe). An engineer would move the handle to "Apply" until he got the pressure he wanted, then he would move the handle to "Lap". Unfortunately, leakage would tend to reduce the pipe pressure further, which would cause the cars to set the brakes harder and harder. This caused problems on hills, as described above.

The most common contemporary model is the "26", which is a pressure maintaining brake. Meaning, if you set the handle to 65 pounds, it will automatically hold it at 65, even against leakage. This solves the hill problem.

Before the invention of the pressure maintaining brake, engineers would improvise one by adjusting the "feed valve", which is the pressure regulator that feeds the brake system, and thus determines maximum brake pipe pressure. That's supposed to be set at whatever brake pipe pressure the railroad runs as a practice (70, 80 or 90 pounds) and left there. To maintain pressure in their brake pipes, engineers would dial the feed valve to the application they wanted (say, 60 pounds) then let leakage bring it down to that. The feed valve, thinking 60 pounds was the running pressure, would dutifully hold the brake pipe there, against leakage. It was illegal but it mostly worked.

Runaways

Seems like there's a runaway in almost every train movie. But there's only about three ways a runaway can happen, given modern brakes...

1.The crew forgot to charge the system in the first place. If you couple onto a string of cars that's been stored for a week, there's no air in it. If you then haul it away without hooking up air or doing an air test, you could lose your train simply because the locomotive is the only brake on the train.

2.The "Quick Release" bug. Described above. If there's anyone on board capable of pulling an emergency cord, it'll stop the train.

3.Going so fast down a hill that you gain kinetic energy faster than your brakes can get rid of it. Like running down a steep hill.

4.The brake pipe gets "bottled up" behind the engine. Either an angle cock vibrated shut (very unlikely) or the brake pipe fell on the tracks and got bent and pinched shut in a way that "bottled the air" in most of the train, so there aren't enough responding brakes to stop it (also very unlikely, but it HAS happened...) Again, if there's anyone back there to pull the emergency cord, they'll stop the train. Or, if there's enough brake pipe leakage in the bottled portion, one of the valves will go into Quick Service, and will cascade at least a minimum application...

These are all pretty bizarre, and they just don't happen much. And when they do, it's in the paper

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