Глава 27 ТОРМОЗА ПАРОВОЗА

ТОРМОЗНАЯ РЫЧАЖНАЯ ПЕРЕДАЧА

На фиг. 4  в виде примера показана тормозная передача паровозов серии «Э^м», которая выполняется на всех паровозах однотипно.

Тормозные цилиндры ставятся в количестве двух штук, в основном для облегчения условий работы тормозного вала.

Тормозной вал изготовляется из стали марки Ст.-5 и обычно работает на изгиб и кручение.

У мощных паровозов для облегчения условий работы как самого вала, так и тормозных тяг применяются две дублированные главные тяги, соединенные с двумя рычагами тормозного вала. В этом случае оказывается очень удобным выполнить в виде одного коленчатого рычага рычаг к тормозному цилиндру и рычаг к тормозным тягам. Именно такая, вполне рациональная конструкция применена в паровозах серий «ФД» и «ИС». Вал здесь работает и рассчитывается только на изгиб.

Что касается тормозных подвесок, то последние размещаются или между колесами (короткие, мало удовлетворительные подвески), или же между колесами и спарниками (США), или же между колесами и рамой (серии «ФД» и «ИС»). Последняя конструкция — более совершенна.

Такая подвеска в применении к паровозам серии «ФД» показана на фиг. 839. Это так называемая «обратная» подвеска, нижняя часть которой выполнена в виде буквы U для того, чтобы можно было тормозную колодку, находящуюся в плоскости колеса, укрепить (шарнирно) на подвеске, находящейся в другой плоскости.

Тормозные колодки (материал — твердый чугун марки Чл.-4 по ОСТ 790) выполняются в двух вариантах — или без башмака, когда колодка имеет отверстае в тыльной часта для валика подвески, или же с отдельным башмаком (стандартная тормозная колодка с башмаком по ОСТ 5103).

Значительно лучшими являются «гребневые колодки», охватывающие колесо и по гребню (реборде).

В США получили распространение более рациональные системы. Для увеличения пробега между обточками бандажей американцы заливают в гребневую колодку несколько призматических кусков твердой стали, располагая их по бокам рабочей поверхности колодки (возле краев). Это делается для искусственного увеличения истирания бандажей в тех местах их внешней окружности, которые подвержены меньшему износу в работе паровоза, т. е. по краям, рабочей поверхности. Так как в настоящее время бандажи приходится обтачивать из-за проката их по среднему кругу катания, то такое искусственное истирание боковых частей внешней поверхности бандажа, как бы сохраняя альбомный профиль бандажа, раза в два (по американским данным) увеличивает пробег паровоза между обточками бандажей.

АВТОТОРМОЗА

1. НАЗНАЧЕНИЕ ТОРМОЗОВ

Если на горизонтальном пути машинист закроет регулятор на паровозе, т. е. прекратит впуск пара в паровую машину, то поезд сразу не остановится, а будет продолжать движение по инерции.

Современные поезда развивают во время движения огромную кинетическую энергию (живую силу). Например, поезд весом 2 000 т (2 000 000 кг) при скорости 50 км/час (14 м/сек) обладает кинетиче­ской энергией около 20 000 000 кгм. А если взять поезд того же веса, но имеющий скорость движения 100 км/час (28 м/сек), то кинети­ческая энергия его окажется равной 80 000 000 кгм. Чтобы пред­ставить себе величину той энергии, достаточно сказать, что её хва­тило бы на подъём груза в 1 т на 20 км в первом случае и на 80 км во втором случае.

Иными словами, кинетическая энергия поезда измеряется не­сколькими десятками миллионов килограммометров.

На что же она расходуется?

Движению поезда всегда препятствует ряд сил: сила сопротивле­ния встречного потока воздуха, силы трения, возникающие при ка­чении колёс по рельсам, силы трения, действующие между деталями, трущимися друг о друга. Эти силы сопротивления движущийся поезд преодолевает за счёт работы сил пара, а при прекращении впуска пара — за счёт накопленной при работе пара кинетической энергии, запас которой постепенно уменьшается. Когда он полностью исто­щится, поезд остановится.

Расстояние, которое пройдёт поезд до полной остановки, продол­жая движение по инерции, зависит главным образом от скорости поезда в момент закрытия машинистом регулятора, а также от про­филя пути, по которому поезд движется в этот период.

Чем больше начальная скорость поезда, тем больший путь прой­дёт он по инерции. Если машинист закрыл регулятор при скорости поезда 60 км/час, то расстояние, пройденное поездом по горизон­тальному пути до полной остановки, составит около 5 000 м. При начальной скорости 70 км/час расстояние увеличится до 6 800 м.

Следовательно, при поглощении кинетической энергии только силами сопротивления поезд будет проходить до остановки очень большой путь. Значит, одних сил сопротивления недостаточно для того, чтобы поезд быстро остановился в заранее намеченном месте.

Такими механизмами прежде всего являются автоматически дей­ствующие тормоза (воздушные или электровоздушные), при помощи которых осуществляется быстрое замедление движения всего поезда (или одиночно следуемого локомотива).

Имеются также и другие средства для замедления движения, и остановки поезда — это ручные тормоза на подвижном составе, реку­перативное торможение на электровозах и контрпар на паровозах.

Для того чтобы остановить или замедлить движение поезда, надо искусственно вызвать такие силы, которые были бы направле­ны против движения, против сил инерции.

Это достигается прижатием специальных тормозных колодок к бандажам колёс. Чтобы разобраться в силах, непосредственно вызывающих торможение, будем относить наши рассуждения к од­ному из двух колёс, насаженных на ось. Явления торможения у вто­рого колеса, а также у других колёсных пар будут аналогичными.

Когда тормозная колодка прижимается к бандажу, катящегося по рельсам колеса (фиг. 154), между ними возникает сила трения скольжения. Эта сила вызывает равную себе со стороны рельса в точ­ке опоры колеса горизонтальную реакцию, направленную в сто­рону, обратную движению. Горизонтальная реакция со стороны рельса на колесо, вызванная силой трения колодки о бандаж, и

является тормозной силой, которая задерживает вращение колёс и в конце концов останавливает поезд.

Если повышать силу нажатия тормозной колодки на бандаж, то сила трения скольжения между колодкой и бандажом будет повышаться, а вместе с ней повысится и величина горизонтальной реакции со стороны рельса на колесо. Эта реакция возникает в результате упора неровностей на поверхности бандажа в «бугорки» на поверх­ности рельса. Величина силы трения между бандажом и тормозной колодкой равна произведению силы нажатия колодки на величину коэффициента трения, который с увеличением скорости умень­шается.

При повышении силы трения между бандажом и колодкой она может срезать бугорки на поверхности рельса и колесо перестанет катиться по рельсу, а начнёт скользить по нему, как скользят санки по снегу. Сцепление колеса с рельсом нарушится, колесо заклинится и наступит явление скольжения, которое называют «юзом». В этом случае тормозная сила значительно уменьшается.

Кроме того, на поверхности катания бандажа от стирания метал­ла образуются площадки (ползуны), угрожающие безопасности движения.

Отсюда следует, что, если сила трения между бандажом и колодкой превысит силу сцепления колеса с рельсом, произойдёт закли­нивание колеса.

Чтобы ликвидировать начавшийся юз, нужно значительно умень­шить силу трения между бандажом и колодкой. Поэтому нельзя беспредельно увеличивать силу нажатия колодок на колёса. Она должна быть наибольшей (это позволит остановить поезд на воз­можно меньшем расстоянии), но ни в коем случае не должна превос­ходить силы сцепления колёс с рельсами (подобно тому, как нельзя увеличить силу тяги паровоза больше силы сцепления движущих колёс с рельсами, см. гл. VIII).

Тормозная сила всего поезда складывается из тормозных сил, приложенных к тормозным колёсным парам. Во время нажатия и трения тормозных колодок о колёса движущегося поезда кинетиче­ская энергия его переходит в тепловую энергию.

Согласно известному закону физики на получение одной большой калории тепла необходимо затратить 427 кгм работы. Если кинети­ческая энергия поезда равна 80 000 000 кгм, то она эквивалентна (равнозначна) 188 000 килокалориям тепла.                     •

Чтобы представить себе, как велики тепловые потери, связанные с поглощением тормозами кинетической энергии поезда, достаточно сказать, что этим количеством тепла можно было бы довести до ки­пения, т. е. до 100° около 1 880 л воды.

Процесс торможения сопровождается разрушительной работой. В результате износа чугунных колодок при торможении рассеиваются в пыль сотни тысяч тонн чугуна. Вот почему такое большое значение приобретает проблема повышения износоустойчивости колодок и правильное пользование тормозами.

2. ТОРМОЗНОЙ ПУТЬ

Тормозным путём называется расстояние, проходимое поездом или отдельным локомотивом от момента приведения в действие тор­мозных средств поезда (отдельного локомотива) до полной его оста­новки.

Степень эффективности тормоза в основном определяется длиной тормозного пути. Длина тормозного пути зависит главным образом от веса поезда, его скорости, профиля пути и удельного тормозного нажатия, т. е. суммы нажатия тормозных колодок на 100 т веса поезда. Тормоза, применяемые в вагонах метро, обеспечивают тор­мозной путь примерно 200 м, тормоза пассажирских поездов — около 400 м и грузовых поездов около 800 м (для скоростей поряд­ка 70 км/час на 8°/₀₀ спуске).

Если взять два поезда (тяжёлый и лёгкий), то при одинаковой скорости кинетическая энергия первого поезда больше, чем второго пропорционально весу.

Следовательно, тяжёлый поезд при одном и том же нажатии коло­док должен пройти и больший тормозной путь. Чтобы этого не про­изошло, т. е. чтобы тормозной путь не изменился, надо увеличить тормозную силу пропорционально весу поезда. Например, если вес тяжёлого поезда в два раза больше лёгкого, то во столько же раз надо увеличить и тормозную силу. Это мы вправе сделать, так как у тяжеловесного поезда нагрузка на каждую ось гружёного вагона больше; в результате увеличивается и сцепление колёс с рельсами.

Сложнее обстоит дело со скоростью: если увеличить скорость поезда перед торможением в два раза, то тормозной путь возрастёт почти в четыре раза; если увеличить скорость вчетверо, то тормозной путь возрастёт в 16 раз. Для сохранения же постоянного тормозного пути необходимо увеличивать тормозную силу приблизительно во столько же раз, во сколько возрастает тормозной путь.

Таким образом, скорость движения влияет на величину тормоз­ного пути гораздо больше, чем вес поезда.

Ещё труднее остановить поезд или уменьшить скорость его дви­жения на крутом и затяжном (длинном) спуске, когда скорость по­езда, даже при закрытом регуляторе, увеличивается под действием составляющей силы тяжести.

3. АВТОМАТИЧНОСТЬ ТОРМОЗА

В настоящее время во всех поездах применяются тормоза, кото­рые можно привести в действие не только с локомотива, но и из вагонов. Для этого проводнику или пассажиру достаточно открыть стоп-кран в одном из вагонов, в результате чего все тормоза поезда придут в действие. Автоматичность тормозов заключается в том, что при разрыве магистрали или открытии стоп-кран из вагона автоматические тормоза приходят в действие и поезд останавли­вается независимо от машиниста локомотива. Предположим, что в поезде, следующем по участку, внезапно произошёл разрыв упряжи или саморасцеп автосцепки; т. е. поезд разделился на две части. В этом случае тормоза в обеих частях поезда придут в действие автоматически и произой­дёт его остановка.

В последнее время автомати­ческие тормоза снабжаются спе­циальными приборами—автосто­пами (см. XIV главу). Автостоп сигнализирует машинисту о при­ближении поезда к запрещаю­щему сигналу, и если машинист почему-либо не реагирует на этот сигнал, автоматически при­ведёт в действие тормоза и оста­новит поезд.

Таким образом, автоматиче­ские тормоза играют важнейшую роль в обеспечении безопасности движения на железных дорогах.

До появления автотормозов поезда приходилось тормозить вручную. Ручной тормоз (фиг. 155) вагона приводился в дейст­вие человеком (тормозильщиком), который находился на площадке вагона. Для обслу­живания поезда требовалось много тормозильщиков. Сигна­лы к торможению подавались свистком паровоза. Услышав сигнал, тормозильщики приводили в действие тормоза, но обладая различной физической силой и расторопностью, они не могли достигнуть равномерного и эффек­тивного торможения.

Таким образом, судьба поезда находилась в руках тормозил ь- щиков, а не в руках машиниста. Неудивительно поэтому, что при ручном торможении допускаемая скорость движения, вес и длина поездов были небольшими.

С ростом железнодорожных перевозок, увеличением веса и ско­рости поездов автоматические тормоза вытеснили ручные. Сейчас ручные тормоза применяются только па случай удержания поезда на спуске после его остановки автоматическими (пневматическими или электропневматическими) тормозами.

4. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПНЕВМАТИЧЕСКИХ АВТОТОРМОЗОВ

Для приготовления сжатого воздуха на каждом паровозе ста­вится насос (фиг. 156), приводимый в действие паром из котла. Пуск насоса осуществляется вручную (открытием парозапорного вентиля), но вся его дальнейшая работа протекает автоматически: специальный регулятор давления останавливает насос, если дав­ление сжатого воздуха достигает заданной величины (обычно 8— 9 ат), и снова пускает его в ход, когда давление снизится на 0,2—0,3 ат, т. е. на величину чувствительности работы регуля­тора давления.

Современный паровоздушный компаунд-насос нагнетает в одну минуту до 3 000 л атмосферного воздуха.

Сжатый воздух, нагнетаемый насосом, подводится в место его накопления — в главный воздушный резервуар. Обычно на паро­возе устанавливаются два соединённых воздухопроводом главных воздушных резервуара общей ёмкостью от 900 до 1 000 л. Из главного воздушного резервуара сжатый воздух подаётся к крану машиниста и отсюда в длинный, уложенный вдоль всего поезда, воздухопро­вод (тормозную магистраль), а от него через воздухораспредели­тели — в запасные резервуары. Кран машиниста предназначен для управления давлением воздуха в магистрали, т. е. для управле­ния автотормозами.

Между паровозом, тендером и вагонами магистраль соединяется резиновыми соединительными рукавами. Под каждым паровозом и тормозным вагоном находятся запасные резервуары, тормозные цилиндры и воздухораспределители.

Воздухораспределитель — сердце тормоза — распределяет сжа­тый воздух между магистралью, запасным резервуаром и тор­мозным цилиндром.

Иными словами, тормозной цилиндр прямого сообщения с тор­мозной магистралью не имеет. При таком устройстве воздухорас­пределитель в одном случае сообщает магистраль с запасным резер­вуаром и тогда последний наполняется (заряжается) сжатым возду­хом из магистрали (в этом случае тормозной цилиндр через воз­духораспределитель сообщён с атмосферой), а в другом случае уста­навливает прямое сообщение между запасным резервуаром и тор­мозным цилиндром и тогда последний наполняется сжатым возду­хом из запасного резервуара.

В процессе поступления в тормозной цилиндр сжатый воздух перемещает поршень со штоком, а вместе спим и рычажную пере­дачу, с помощью которой тормозные колодки прижимаются к колёсам.

Чтобы представить действие автоматических тормозов, проследим за чередованием важнейших процессов (зарядки, торможения и отпуска), происходящих при управлении тормозами (см. фиг. 156).

Зарядка. Перед отправлением поезда тормоз заряжается или, как принято говорить, производится зарядка тормозов. Зарядка тормозов заключается в наполнении магистрали и запасных резер­вуаров сжатым воздухом из главного резервуара паровоза.

Для зарядки нужно повернуть рукоятку крана машиниста в положение (первое), при котором главный резервуар получит со­общение с тормозной магистралью поезда (фиг. 156, а).

Зарядка считается оконченной, когда давление в магистрали и запасных резервуарах достигнет установленной величины (для грузовых поездов 5,3—5,5 ат и пассажирских 5,0—5,2 ат). Это давление устанавливается краном машиниста и контролируется по манометру.

После того как давление в магистрали достигает указанных ве­личин, рукоятку крана машиниста переводят в следующее положе­ние, называемое поездным, при котором указанное давление поддер­живается автоматически, независимо от утечек.

При зарядке давление сжатого воздуха в магистрали повышает­ся; части (внутренние органы) воздухораспределителя устанавли­ваются в такое положение, при котором воздух из магистрали на­правляется в запасный резервуар. В тормозной цилиндр сжатый воздух при этом пройти не может, цилиндр остаётся сообщённым с атмосферой, и тормозные колодки, как это видно из фиг. 156, а, не прижимаются к колёсам.

Торможение. Для торможения необходимо, чтобы воздух из запасного резервуара был выпущен в тормозной цилиндр, кото­рый предварительно должен быть изолирован от атмосферы.

Это достигается тем, что машинист, ставя рукоятку крана маши­ниста в тормозное положение, выпускает часть воздуха из тормоз­ной магистрали в атмосферу.

При некотором снижении давления в магистрали воздухорас­пределитель приходит в действие и его части устанавливаются в такое положение, при котором запасный резервуар соединяется с тормозным цилиндром и разобщается с магистралью, как показано на фиг. 156, б.

Тогда под напором сжатого воздуха, перетекающего из запасного резервуара в тормозной цилиндр, поршень последнего будет пере­мещаться вместе со штоком и, воздействуя на рычажную передачу, прижмёт тормозные колодки к бандажам колёс. В зависимости от силы нажатия колодок поезд или остановится, или скорость его уменьшится.

Чтобы ещё раз понизить давление в магистрали, нужно повер­нуть рукоятку крана машиниста в положение, при котором магист­раль снова соединяется с атмосферой.

Разумеется, что в этом случае давление в магистрали понизится, воздухораспределитель вновь сообщит запасный резервуар с тормоз­ным цилиндром и тормозные колодки с помощью рычажной передачи с большей силой прижмутся к колёсам.

Схема расположения и подвески тормозных колодок на паровозе показана на фиг. 157.

Отпуск. Получив нужную степень торможения, машинист выключает тормоза или, как говорят железнодорожники, произво­дит отпуск тормозов. Для этого он с помощью крана машиниста со­единяет главный резервуар с магистралью (см. фиг. 156, а). Впуск сжатого воздуха в магистраль сопровождается повышением дав­ления в ней до установленного.

После этого рукоятка крана машиниста переводится в поездное положение, при котором давление в магистрали в дальнейшем авто­матически поддерживается 5—5,2 или 5,3—5,5 ат. При этом части воздухораспределителя устанавливаются в первоначальное положе­ние, т. е. выпускают сжатый воздух из тормозных цилиндров в атмосферу и одновременно наполняют запасные резервуары сжа­тым воздухом из магистрали.

Тормоз вновь готов (заряжен) для следующего торможения.

Итак, понижение давления воздуха в магистрали вызывает тор­можение поезда, а повышение давления — отпуск тормозов. Напол­нение сжатым воздухом тормозных цилиндров происходит из запас­ных резервуаров, предварительно заряженных до давления 5—5,2 или 5,3—5,5 ат в зависимости от рода поезда — пассажирский или гру­зовой. В этом и заключается общий принцип действия всех автома­тических воздушных тормозов, применяемых на железнодорожном транспорте.

Хотя рассмотренный нами тип тормоза является автоматиче­ским, но он непрямодействующий (истощимый).

Это значит, что при длительном торможении запас сжатого воз­духа (в запасном резервуаре) может истощиться: в процессе торможения запасный резервуар воздухораспределителем разобщён с маги­стралью, а магистраль краном машиниста разобщена с главным ре­зервуаром. Поэтому воздух в тормозной цилиндр может поступать только из запасного резервуара, объём которого ограничен, и утечки воздуха восполняться не будут. Вследствие этого давление в тормоз­ных цилиндрах, а значит, и тормозная сила поезда, постепенно уменьшатся.

Чтобы вновь восстановить высокое давление воздуха в тормоз­ном цилиндре, необходимо сообщить магистраль с главным и запас­ными резервуарами. Для этого машинист должен произвести от­пуск и зарядку тормоза. Лишь после такой перезарядки можно снова начинать торможение. На это требуется затратить некоторое время, потеря которого при торможении, особенно на спусках, весьма опасна, а иногда и вовсе недопустима.

Таким образом, главным недостатком непрямодействующего автоматического тормоза является его истощимость.

Автоматическим тормозам системы Матросова и Казанцева не присуща истощимость.

Воздухораспределители советских тормозов так устроены, что при недостатке воздуха в запасных резервуарах они пополняются из магистрали, которая в свою очередь получает воздух из главного резервуара паровоза через кран машиниста.

Таким образом, при любых условиях запасные резервуары всег­да обеспечены нужным количеством сжатого воздуха. Тормоза си­стемы Матросова и Казанцева являются неистощимыми, поэтому они называются прямодействующими автоматическими тормозами. Лучший из них тормоз Матросова в 1930 г. принят типовым для грузового подвижного состава железных дорог СССР.

С 1953 г. подвижной состав оборудуется тормозом Матросова (MT3-135), который наряду с указанными достоинствами обладает также лёгким отпуском, более быстрым наполнением тормозных цилиндров и наличием ускорителей для экстренного торможения.

Отпуск тормозов называется лёгким потому, что тормозные ко­лодки в длинносоставном поезде отходят от бандажей в течение 40—50 сек. вместо 2—3 мин. при старом тормозе.

Быстрое наполнение тормозных цилиндров обеспечивает значи­тельное сокращение тормозных путей.

5. ПРЕИМУЩЕСТВА ЭЛЕКТРОПНЕВМАТИЧЕСКИХ ТОРМОЗОВ

Применение высоких скоростей движения поездов потребует решения ряда задач: увеличения прочности железнодорожного пути, улучшения динамических и аэродинамических качеств локомотивов, широкого использования современных средств автоматики.

Уже сейчас важное значение приобретает проблема электропневматических тормозов, как наиболее совершенных по управля­емости и эффективности действия тормозных средств.

Перед тем, как познакомиться с этими новыми видами автотормо­зов, обеспечивающих безопасность движения на высоких скоро­стях, остановимся на некоторых особенностях чисто пневматиче­ского автотормоза.

Важнейшими приборами такого тормоза, как уже знает читатель, являются воздухораспределители. Расположенные под каждым тормозным вагоном они приходят в действие не сразу, а после­довательно.

Первоначально, когда машинист только переставил рукоятку крана в тормозное положение и воздух только начал выходить из магистрали, приходят в действие воздухораспределители перед­них, головных вагонов. Затем процесс торможения распространяет­ся вдоль поезда со скоростью примерно 150 — 200 м./сек. (скорость тормозной волны), заставляя срабатывать воздухораспределители хвостовых вагонов. Процесс падения давления в магистрали про­исходит с несколько большей скоростью, т. е. опережает тормоз­ную волну.

Следовательно, от момента поворота рукоятки крана машиниста в тормозное положение до начала действия тормоза последнего вагона проходит некоторое время тем большее, чем длиннее поезд. Так, в длинносоставных грузовых поездах оно равно около 7 сек.

К сказанному следует добавить, что тормозные цилиндры на­полняются сжатым воздухом не сразу, а в среднем в течение при­мерно 18 сек. (у грузовых поездов).

Почему так много времени затрачивается на заполнение цилинд­ров?

При пневматических автотормозах резкое сокращение этого времени привело бы к появлению в поезде, особенно длинносоставном, продольно-динамических реакций, так как воздухораспреде­лители головных вагонов имели бы полное нажатие колодок, а хвостовые вагоны ещё не начали бы тормозить, что вызвало бы сильное набегание и оттяжку хвостовой части поезда.

Чтобы избежать реакций и, следовательно, достигнуть высокой плавности торможения, приходится намеренно увеличивать время наполнения тормозных цилиндров с таким расчётом, чтобы в мо­мент торможения хвостовых вагонов нажатие тормозных колодок головных вагонов (время заполнения тормозных цилиндров) было бы не более 30% от максимального.

При пневматических тормозах грузовых поездов максимальное торможение всего состава начинается примерно через 7 сек., а в пассажирских поездах через 4 сек.

За это время (называемое временем подготовки к торможению) успевает прийти в действие только часть тормозов, расположенная преимущественно в передней половине поезда.

Этим, собственно, и объясняется значительная длина предтормозного пути.

Если бы удалось уменьшить время подготовки к торможению, то эффективность автотормозов возросла, так как предтормозной путь, а значит, и тормозной путь значительно сократились, что осо­бенно важно при высоких скоростях движения.

Как это сделать?

Большие возможности для управления воздухораспределителями на расстоянии открывает электротехника.

Так как скорость распространения электрического тока прак­тически мгновенна, то и воздухораспределители, управляемые с помощью электричества, будут срабатывать одновременно во всех тормозных вагонах поезда, как бы ни был он длинен. Спе­циальные опыты, проведённые ЦНИИ МПС, показали, что при длине поезда 1 000 м все воздухораспределители срабатывают в течение 0,4 сек., т. е. практически одновременно.

Этими же опытами установлено, что время наполнения тормозных цилиндров сжатым воздухом во всём поезде от нуля до полного расчётного давления составляет 4,0—4,5 сек., что полностью исклю­чает возникновение в поезде продольно-динамических реакций, так как все вагоны тормозятся одновременно и практически с одинако­вым замедлением.

Таким образом, одновременное срабатывание воздухораспре­делителей независимо от длины поезда не только способствует сокращению тормозного пути, но и обеспечивает плавность тор­можения по всему составу.

Пневматические автотормоза, воздухораспределители которых управляются при помощи электрического тока, называются электропневматическими тормозами.

Электропневматическим тормозом оборудованы пригородные по­езда (моторвагонные секции) электрифицированных участков же­лезных дорог. Семилетний опыт эксплуатации этих тормозов пол­ностью себя оправдал с точки зрения гибкости управления, а также по надёжности и эффективности их работы.

В настоящее время проводится опытная эксплуатация электропневматических тормозов в пассажирских поездах с паровой тягой.

Рассмотрим вкратце принципиальную схему устройства такого тормоза (фиг. 158 и 159).

Управление тормозных приборов в поезде производится постоян­ным током, а контроль состояния электрических цепей —перемен­ным током.

Постоянный и переменный ток вырабатывается турбогенератором типа ТГ-1Р.

Основными приборами и аппаратами электропневматического тормоза являются:

• электровоздухораспределитель, назначение ко­торого регулировать давление воздуха в тормозном цилиндре при электрическом управлении тормозом (Тройной скородействующий клапан в этом случае служит резервным тормозным прибором, дей­ствующим автоматически при отказе электровоздухораспределителя, срыве стоп-крана, разрыве тормозной магистрали или при обрыве одного из поездных проводов электрической схемы, а также для того, чтобы заряжать сжатым воздухом запасный резервуар.);
• кран машиниста с тормозным контрол­лере м, служащий для управления как чисто пневматическим, так и электропневматическим тормозом;
• с р ы в н о й клапан, предназначенный для экстренной разрядки магистрали в случае неисправности электрических цепей тормоза;
• главный выключатель, служащий для включения проводов электрической схемы к турбогенератору и отключению от него;
• электромагнитные контакторы, предназна­ченные для управления работой электровоздухораспределителей;
• ламповый сигнализатор с тремя контрольными лампами, позволяющими машинисту судить об исправности элек­трических цепей;
• сигнал (затор отпуска, имеющий механический привод к поршню тормозного цилиндра и служащий для контроля отпуска тормозов.

Как видно из фиг. 159, все аппараты и приборы электропнев­матического тормоза при помощи пяти проводов электрической схе­мы (1,2,3,4,5) и гибких междувагонных соединений связаны между собой в единую электропневматическую систему.

Так как тормоз имеет пять проводов, то он и называется пятипроводным электропневматическим тормозом.

В настоящее время разрабатываются опытные образцы однопро­водного электропневматического тормоза для длинносоставных грузовых поездов.

Как же работает пятипроводный электропневматический тормоз?

6. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОПНЕВМАТИЧЕСКИХ ТОРМОЗОВ

Действие электропневматического тормоза, так же как и пнев­матического, определяется положением рукоятки крана машиниста и заключается в том, что машинист при помощи тормозного контрол­лера, жёстко связанного с рукояткой крана машиниста, включает или выключает электромагнитные контакторы, которые в свою очередь включают или отключают турбогенератор от проводов элек­трической схемы, по которым энергия постоянного тока подводится к катушкам электромагнитных вентилей ВО и ВТ электровоздухораспределителей (фиг. 158).

Таким образом, энергия сжатого воздуха, находящегося в тор­мозной магистрали, при электрическом управлении не исполь­зуется, и разрядка магистрали, как это делается при управлении пневматическими тормозами, становится необязательной, что и имеет место на моторвагонных секциях. В пятипроводной схеме разрядка поездной магистрали временно сохранена.

При оборудовании большинства вагонов пассажирского парка электропневматическим тормозом необходимость в разрядке тормоз­ной магистрали в этом случае отпадёт. Для того чтобы яснее представить себе, как действует электропневматический тормоз, познакомимся сначала с особенностями устройства электровозду- хораспределителя.

Электровоздухораспределитель (см. фиг. 158) состоит из двух основных частей: электрической и пневматической.

К электрической части относятся два электромагнитных вентиля ВО — отпускной и ВТ — тормозной.

Отличие между ними состоит в том, что корпус отпускного вентиля ВО имеет в сердечнике сквозной вертикальный канал для выпуска воздуха в атмосферу из рабочей камеры РК, электровоздухораспределителя.

Пневматическая часть или, собственно электровоздухораспределитель, состоит из трёх камер:

1. рабочей РК, которая в от­пущенном положении тормоза сообщается с атмосферой;
2. камеры тормозного цилиндра КТЦ, соединённой через переключательный клапан с тормозным цилиндром
3. камеры запасного резервуара КЗР, постоянно соединённой с запасным резервуаром вагона.

Действие электровоздухораспределителя заключается в сле­дующем:

• при возбуждении катушки вентиля ВО магнитный поток притягивает клапан к сердечнику корпуса и плотно закрывает ат­мосферное отверстие, однако давление в рабочей камере по-прежнему остаётся равным атмосферному;
• при возбуждении катушки вентиля ВТ клапан открывает ка­либрованное отверстие, через которое сжатый воздух из запасного резервуара поступает в рабочую камеру РК, давление в камере повышается, и гибкая резиновая диафрагма, разделяющая камеры РК и КТЦ, прогибается, закрывая атмосферное отверстие пусто­телого клапана.

Перемещаясь вниз, клапан открывает кольцевое отверстие, через которое сжатый воздух из запасного резервуара поступает в тормозной цилиндр. С этого момента и начинается действие электропневматического тормоза, так как шток тормозного цилинд­ра переместится и тормозные колодки прижмутся к бандажам ко­лёсных пар.

Процесс перетекания сжатого воздуха из запасного резервуара в тормозной цилиндр и рабочую камеру будет продолжаться до тех пор, пока давление в цилиндре и камере РК не уравняется. Выше уже отмечалось, что длительность этого процесса составляет всего 4,0—4,5 сек.

Однако если катушку вентиля ВТ обесточить несколько ранее, то процесс повышения давления в тормозном цилиндре и камере прекратится немедленно, так как давления в камерах РК и КТЦ, ЪуЩ'Ы равными, заставят гибкую диафрагму выпрямиться, вслед­ствие чего кольцевое отверстие пустотелого клапана закроется.

Такая конструкция электровоздухораспределителя позволяет получить любую степень наполнения тормозного цилиндра сжатым воздухом. Практически отдельные ступени повышения давления в тормозном цилиндре могут быть получены по 0,25—0,3 ат, чего невозможно достигнуть при пневматических автоматических тормо­зах системы Вестингауза.

При снятии напряжения с катушки вентиля ВО рабочая камера соединится с атмосферой и давление в ней начнёт понижаться. В результате избыточное давление со стороны камеры КТЦ заста­вит гибкую диафрагму прогнуться кверху так, что атмосферное отверстие пустотелого клапана откроется и сжатый воздух из тор­мозного цилиндра будет выходить в атмосферу. С этого момента начинается отпуск тормоза, который также может производиться отдельными ступенями по 0,25—0,3 ат, что является основным до­стоинством электропневматических тормозов перед автоматически­ми тормозами системы Вестингауза.

Рассмотрим теперь основные процессы, происходящие при управлении электропневматическими тормозами.

Зарядка. Процесс зарядки электропневматического тор­моза сжатым воздухом ничем не отличается от процесса зарядки пневматического тормоза, описанного выше.

После зарядки электропневматический тормоз считается гото­вым к действию только после включения турбогенератора и глав­ного выключателя.

При включении главного выключателя (см. фиг. 159) перемен­ный ток от вторичной обмотки трансформатора через плавкий предохранитель и контакты главного выключателя подводится к включённым блок-контактам электромагнитных контакторов 9 и 10 и от них к поездным проводам 1 и 2.

Далее переменный ток по цепи этих проводов протекает вдоль всего состава до последнего вагона и возвращается обратно в голову поезда по цепи 3, 4 и 5 проводов к лампам сигнализатора, который установлен на локомотиве. Отсюда через заземлённую клемму ток поступает во вторичную обмотку трансформатора.

Таким образом, при исправном состоянии поездных проводов на сигнализаторе будут гореть все три лампы, указывающие маши­нисту о исправности электропневматического тормоза и готовности его к действию.

При обрыве одного из поездных проводов соответствующая кон­трольная лампа на сигнализаторе погаснет, при этом переменный ток пройти через катушки вентилей ВО и ВТ не может, так как их сопротивление для переменного тока очень велико.

Отсутствие сигнального огня на одной из ламп сигнализатора служит для машиниста указанием для перехода на пневматический тормоз, что осуществляется простым отключением главного выклю­чателя.

Перекрыта. Третье положение крана машиниста, так называемое перекрыта или подготовительное, является проме­жуточным между поездным и тормозным положениями и необхо­димо на кране для того, чтобы машинист мог при торможении и отпуске регулировать степень заполнения тормозных цилиндров сжатым воздухом. При третьем положении рукоятки крана маши­ниста тормозная магистраль, как уже отмечалось, отсоединяется от главного резервуара; при этом включается электромагнитный контактор 9, который подключает первый провод к турбогенера­тор)' и отключает его своей блокировкой от вторичной обмотки трансформатора.

В результате постоянный ток протекает по цепи первого про­вода к катушкам вентилей ВО, которые возбуждаются и закрывают атмосферные отверстия рабочих камер электровоздухораспределителей.

В конце поезда, на последнем вагоне, первый провод соединён с четвёртым и пятым проводами, по цепи которых постоянный ток подводится к двум сигнальным лампам, а также к одной из катушек срывного клапана.

Таким образом, контроль за состоянием поездных проводов при третьем положении не прекращается, так как вместо переменного тока лампы питаются постоянным током.

Исправность второго и третьего провода на положении пере­крыта по-прежнему контролируется переменным током.

Торможение. Торможение поезда электропневматическим тормозом осуществляется так же, как и пневматическим, поста­новкой рукоятки крана машиниста в тормозное положение. В этом случае включается электромагнитный контактор 10\ провод 2 электрической схемы, также как и провод 1, оказывается под на­пряжением постоянного тока. Переменный ток блокировкой этого контактора отключается.

В результате все катушки вентилей ВТ возбуждаются, и сжатый воздух начинает заполнять рабочие камеры. Дальнейшая работа электровоздухораспределителей протекает, как описано выше.

Как только поршни тормозных цилиндров начнут перемещаться, средняя лампа сигнализатора — зелёного цвета — погаснет, так как блокировки тормозных цилиндров БТЦ разомкнут цепь пятого провода. Вновь эта лампа загорится только тогда, когда все тормоз­ные цилиндры будут находиться в отпущенном состоянии и все бло­кировки БТЦ замкнутся. Достаточно одному тормозному цилиндру

остаться в заторможенном положении, зелёная лампа гореть не будет.

Возможность контроля отпуска тормозных цилиндров является ценным преимуществом электропневматического тормоза, так как благодаря этому исключается отправление поезда с заторможёнными колёсными парами, что иногда имеет место при пневматиче­ских тормозах.

Отпуск. Отпуск электропневматического тормоза произ­водится путём снятия напряжения с первого провода постанов­кой рукоятки крана машиниста во второе или первое положение. В этом случае рабочие камеры электровоздухораспределителей со­единяются с атмосферой, и в результате прогиба диафрагмы кверху сжатый воздух из тормозных цилиндров через пустотелый клапан выходит в атмосферу. Однако зарядка тормоза должна произво­диться только при первом положении ручки крана машиниста, что ускоряет процесс заполнения запасных резервуаров сжатым возду­хом и гарантирует отпуск пневматических тормозов на вагонах, не оборудованных электропневматическим тормозом и прицепленных в конце состава.

 

 

Изобретение тормоза противодавления обычно приписывают Никлаусу Риггенбаху, поэтому его также называют тормозом противодавления Риггенбаха. Тормозная система впервые была использована в транспортных средствах железной дороги Вицнау-Риги, открывшейся в 1871 году. Однако тот же принцип уже был реализован в 1851 году шотландским инженером Джоном Хасуэллом, работавшим в Вене, в локомотиве Виндобона для Земмерингской железной дороги.

Проще говоря, тормоз противодавления меняет принцип работы парового двигателя, позволяя ему сжимать воздух, как поршневой компрессор. Поскольку после работы в цилиндрах дымовой камеры пар выбрасывается через газовую трубу под дымоходом, при работе в качестве воздушного компрессора без измененной подачи воздуха через газовую трубу цилиндры будут всасывать выхлопные газы, загрязненные остатками. Чтобы избежать этого, выдувная трубка спроектирована так, чтобы ее можно было запирать в направлении дымовой камеры. При использовании тормоза противодавления закрытие газовой трубки также открывает отдельное впускное отверстие для подачи чистого окружающего воздуха. Отверстие забора свежего воздуха не имеет типичной точки крепления, а обычно располагается рядом с цилиндрами. Кроме того, машинист локомотива устанавливает органы управления в направлении, противоположном фактическому направлению движения, и управляет выпускными дроссельными клапанами над золотниковыми коробками. Сжатый воздух выходит наружу через выпускные дроссельные клапаны, обычно через выходной глушитель. Дроссельные клапаны служат также для регулирования противодавления, чтобы возникающее давление в золотниковой коробке и приточных трубах между регулятором и золотниковой коробкой не могло открыть регулятор. Для локомотивов Deutsche Reichsbahn, оборудованных тормозами противодавления, требовалось, чтобы давление в раздвижной коробке не превышало 6 бар.

Тормоз противодавления приводится в действие через рычаг из кабины машиниста, при этом возможно комбинированное управление. Тормоз противодействия вступает в силу автоматически, как только регулятор принимает отрицательное значение, т. е. если регулятор был установлен на передний ход, он фактически будет работать на задней передаче. Как только регулятор достигнет отрицательного положения, впускное отверстие и линия вытяжного воздуха освобождаются.

Чтобы предотвратить перегрев цилиндров из-за выделения тепла во время тяжелой работы сжатия, должен быть предусмотрен способ впрыска (горячей) воды во всасываемый воздух. Количество воды увеличивается со степенью сжатия (обычно напрямую зависит от управления). Без впрыска воды существовал бы риск разрушения масляной пленки в цилиндрах из-за чрезмерных температур.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛОКОМОТИВОВ С ТОРМОЗАМИ ПРОТИВОДАВЛЕНИЯ

Тормоз противодавления позволяет не только поддерживать заданное тормозное усилие в зависимости от скорости; эффективность торможения увеличивается даже на более высоких скоростях. В этом они отличаются от фрикционных тормозов, которые обычно теряют свою эффективность из-за затухания при увеличении скорости. Фактическая тормозная мощность напрямую связана со скоростью колеса. Это означает, что чем больше оборотов колесо совершает за одно и то же время, тем большую тормозную мощность можно применить. Таким образом, локомотив можно удерживать в узком диапазоне скоростей, несмотря на изменяющиеся уклоны, без необходимости изменения каких-либо настроек, и поэтому он является идеальным тормозом в устойчивом состоянии, тормозом, при котором скорость - обычно на уклонах - сохраняется, но. не следует уменьшать.

Современные локомотивы имеют глушитель на той стороне, где сжатый воздух выходит из цилиндра. Сжатый воздух обычно удаляется через дымоход, чтобы поддерживать тягу для горения и не использовать вспомогательный вентилятор. Типичные для паровозов удары выхлопных газов также звучат при активном тормозе противодавления, с заметной разницей в высоте и громкости по сравнению с обычным ударом выхлопных газов. Однако количество ударов выхлопа за один оборот колеса не изменилось.

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

Тормоза противодавления Риггенбаха особенно использовались на паровозах, которые применялись на более длинных спусках, а также на локомотивах зубчатой ​​железной дороги (например, на венской канатной дороге Каленбергбан). Его наличие было необходимо для работы на крутых маршрутах, так как этот динамический тормоз является обязательным третьим независимым тормозом на паровозах.

Еще одной областью применения тормоза противодавления были измерения и испытания.

Паровоз, оснащенный тормозом противодавления, может использоваться в качестве тормозного локомотива благодаря возможности постоянного, в основном безизносного торможения. Поэтому некоторые из этих паровозов использовались в Германии в качестве тормозных локомотивов до середины 1970-х годов, например, Class 19/DR Class 19 (Reko) и 18 314 в VES-M Halle или 18.3 в BZA Minden .