Всё, что вы хотели знать о железнодорожных тормозах

Кинетическая энергия скоростного «Сапсана» на максималке — свыше 1500 мегаджоулей. Для полной остановки вся она должна быть рассеяна на тормозных устройствах. Если кому интересно, как устроены тормозные системы железнодорожного транспорта и по каким причинам они устроены именно так - эта статья для вас.

1. История появления пневматического тормоза

Задача управления любым транспортом включает в себя регулирование скорости его движения. Железнодорожный транспорт не является исключением, более того, его конструктивные особенности вносят в этот процесс существенные нюансы. Поезд состоит из большого количества сцепленных между собой экипажей, и получившаяся система имеет значительную длину и массу при весьма приличной скорости движения.

По определению, тормоза — комплекс устройств, предназначенных для создания искусственных, регулируемых сил сопротивления, используемых для управляемого снижения скорости движения транспортного средства.

Самый очевидный, лежащий на поверхности, способ создания тормозного усилия — использование силы трения. С самого начала и до сегодняшнего дня используется колодочный фрикционный тормоз. Специальные устройства — тормозные колодки, изготовленные из материала с высоким коэффициентом трения, механически прижимаются к поверхности катания колеса (либо к специальным дискам, установленным на оси колесной пары). Между колодками и колесом возникает сила трения, создающая тормозной момент.

Регулирование тормозного усилия выполняется за счет изменения силы прижатия колодок к колесу — тормозного нажатия. Вопрос только в том, какой привод используется для прижатия колодок, и, история тормозов, отчасти, есть история развития этого привода.

Первые железнодорожные тормоза были механическими и приводились в действие вручную, отдельно на каждом вагоне специальным людьми — тормозильщиками или кондукторами. Кондукторы находились на так называемых тормозных площадках, которыми был оборудован каждый вагон, и приводили в действие тормоза по сигналу машиниста локомотива. Обмен сигналами между машинистом и кондукторами осуществлялся с помощью специальной сигнальной веревки, протянутой вдоль всего поезда, приводившей в действие специальный свисток.

Старинный двухосный грузовой вагон с тормозной площадкой. Виден вороток ручного тормоза

Сам по себе тормоз с механическим приводом обладает малой мощностью. Величина тормозного нажатия зависела от силы и сноровки кондуктора. К тому же в работу такой тормозной системы вмешивался человеческий фактор — кондукторы не всегда верно выполняли свои обязанности. О высокой эффективности таких тормозов, а так же об увеличении скорости движения поездов, оборудованных ими говорить не приходилось.

Дальнейшее развитие тормозов требовало, во-первых, увеличения тормозного нажатия, и во-вторых — обеспечения возможности дистанционного управления им на всех вагонах с рабочего места машиниста.

Гидравлический привод, применяемый в автомобильных тормозах, получил широкое распространение за счет того, что обеспечивает высокое нажатие при компактности исполнительных устройств. Однако, при применении такой системы в поезде проявятся её основной недостаток: необходимость в специальном рабочем теле — тормозной жидкости, утечка которой недопустима. Большая протяженность тормозных гидравлических линий в поезде, вместе с высокими требованиями к их герметичности делают невозможным и нерациональным создание гидравлического железнодорожного тормоза.

Другое дело пневматический привод. Использование воздуха высокого давления позволяет получить высокие тормозные нажатия при приемлемых габаритах исполнительных устройств — тормозных цилиндров. Нет недостатка в рабочем теле — воздух вокруг нас, и даже если возникает утечка рабочего тела из тормозной системы (а она непременно возникает) её относительно легко можно восполнить.

Простейшей системой тормоза, использующего энергию сжатого воздуха является прямодействующий неавтоматический тормоз

Схема прямодействующего неавтоматического тормоза: 1 — компрессор; 2 — главный резервуар; 3 — питательная магистраль; 4 — поездной кран машиниста; 5 — тормозная магистраль; 6 — тормозной цилиндр; 7 — отпускная пружина; 8, 9 — механическая тормозная передача; 10 — тормозная колодка.

Для работы такого тормоза необходим запас сжатого воздуха, хранимый на локомотиве в специальном резервуаре, называемом главным резервуаром (2). Нагнетание воздуха в главный резервуар и поддержание в нем постоянного давления выполняется компрессором (1), приводимым в действие от энергетической установки локомотива. Подачу сжатого воздуха к приборам управления тормозами выполняют по специальному трубопроводу, называемому питательной (ПМ) или напорной магистралью (3).

Управление тормозами вагонов и подача в них сжатого воздуха производится посредством длинного трубопровода, идущего через весь поезд и называемого тормозной магистралью (ТМ) (5). При подаче сжатого воздуха по ТМ он наполняет тормозные цилиндры (ТЦ) (6) подключенные непосредственно к ТМ. Сжатый воздух давит на поршень, прижимая тормозные колодки 10 к колесам, как на локомотиве, так и на вагонах. Происходит торможение.

Для прекращения торможения, то есть отпуска тормозов, необходимо выпустить воздух из тормозной магистрали в атмосферу, что приведет к возврату тормозных механизмов в исходное положение за счет усилия отпускных пружин, установленных в ТЦ.

Для торможения необходимо соединить тормозную магистраль (ТМ) с питательной (ПМ). Для отпуска — соединить тормозную магистраль с атмосферой. Эти функции выполняет специальный прибор — поездной кран машиниста (4) — при торможении он соединяет ПМ и ТМ, при отпуске — разобщает эти трубопроводы, одновременно выпуская воздух из ТМ в атмосферу.

В такой системе существует и третье, промежуточное положение крана машиниста — перекрыша когда ПМ и ТМ разобщены, но и выпуск воздуха из ТМ в атмосферу не происходит — кран машиниста полностью изолирует её. Набранное в ТМ и ТЦ давление сохраняется и время его поддержания на установленном уровне определяется величиной утечек воздуха через различные неплотности, а так же термической стойкостью тормозных колодок, нагревающихся при трении о бандажи колес. Постановка в перекрышу как при торможении так и при отпуске позволяет регулировать тормозное усилие ступенями. Такой тормоз обеспечивает как ступенчатое торможение, так и ступенчатый отпуск.

При всей простоте такой системы тормоза у неё имеется фатальный недостаток — при расцеплении поезда происходит разрыв тормозной магистрали, воздух из неё выходит и поезд остается без тормозов. Именно по этой причине такой тормоз не может быть применен на железнодорожном транспорте, слишком велика цена его отказа. Даже без разрыва поезда, при наличии крупной утечки воздуха эффективность тормоза будет снижена.

Исходя из вышесказанного возникает требование, чтобы торможение поезда инициировалось не возрастанием, а понижением давления в ТМ. Но как тогда наполнить тормозные цилиндры? Это дает второе требование — на каждой подвижной единице в поезде должен хранится запас сжатого воздуха, которые необходимо оперативно пополнять после каждого торможения.

К похожим выводам пришла инженерная мысль конца XIX века, что выразилось в создании Джорджем Вестингаузом в 1872 году первого автоматического железнодорожного тормоза.

Устройство тормоза Вестингауза: 1 — компрессор; 2 — главный резервуар; 3 — питательная магистраль; 4 — поездной кран машиниста; 5 — тормозная магистраль; 6 — воздухораспределитель (тройной клапан) системы Вестингауза; 7 — тормозной цилиндр; 8 — запасный резервуар; 9 — стоп-кран.

На рисунке показано устройство этого тормоза (рисунок а — работа тормоза при отпуске; б — работа тормоза при торможении). Главным элементом тормоза Вестигауза стал тормозной воздухораспределитель или, как его еще иногда называют, тройной клапан. Этот воздухораспределитель (6) имеет чувствительный орган — поршень, работающий на разности двух давлений — в в тормозной магистрали (ТМ) и запасном резервуаре (ЗР). Если давление в ТМ становится меньше чем в ЗР, то поршень смещается влево, открывая путь воздуху из ЗР в ТЦ. Если давление в ТМ становится больше давления в ЗР — поршень смещается вправо, сообщая ТЦ с атмосферой, и одновременно сообщая ТМ и ЗР, обеспечивая наполнение последнего сжатым воздухом из ТМ.

Таким образом, при снижении давления в ТМ по любой причине, будь то действия машиниста, чрезмерная утечка воздуха из ТМ или разрыв поезда — тормоза сработают. То есть такие тормоза обладают автоматичностью действия. Это свойство тормоза позволило добавить еще одну возможность по управлению тормозами поезда, используемую на пассажирских поездах и поныне — экстренная остановка поезда пассажиром, путем сообщения тормозной магистрали с атмосферой через специальный клапан — стоп-кран (9).

Тем к то знаком с этой особенностью тормозной системы поезда смешно смотреть фильмы, где воры-ковбои лихо отцепляют от поезда вагон с золотом. Для того, чтобы подобное можно было осуществить, ковбои должны, перед отцепкой, перекрыть концевые краны на тормозной магистрали, разобщающие тормозную магистраль от соединительных рукавов между вагонами. Но они никогда этого не делают. С другой стороны, перекрытые концевые краны не раз послужили причиной страшных катастроф, связанных с отказом тормоза, как у нас (Каменск в 1987 году, Ерал-Симская в 2011), так и за рубежом.

Из-за того, что наполнение тормозных цилиндров происходит от вторичного источника сжатого воздуха (запасного резервуара), без возможности его постоянного пополнения, такой тормоз называется непрямодействующим. Зарядка ЗР сжатым воздухом происходит только при отпуске тормоза, что приводит к тому, что при частых торможениях с последующим отпуском, при недостаточной выдержке времени после отпуска, ЗР не успеют зарядится до нужного давления. Это может привести к полному истощению тормоза и потере управления тормозами поезда.

Пневматический тормоз обладает и другим недостатком, связанным с тем, что падение давления в тормозной магистрали, как и любое возмущение, в воздушной среде распространяется с большой, но все же конечной скоростью — не более 340 м/с. Почему не более? Потому, что скорость звука — это идеальный вариант. Но в пневмосистеме поезда существует ряд препятствий, снижающих скорость распространения скачка снижения давления, связанных с сопротивлением течению воздуха. Поэтому, если не принимать специальных мер, скорость снижения давления в ТМ будет тем ниже, чем дальше от локомотива находится вагон. В случае с тормозом Вестингауза скорость так называемой тормозной волны не превышает 180 — 200 м/с.

Тем не менее, появление пневматического тормоза позволило повысить как мощность тормозов, так и оперативность управления ими непосредственно с рабочего места машиниста Это послужило мощным толчком к развитию железнодорожного транспорта, повышению скорости движения и веса поездов, и как следствие, колоссальному увеличению грузооборота на железной дороге, росту протяженности железнодорожных линий во всем мире.

Джордж Вестингауз был не только изобретателем, но и предприимчивым дельцом. Свое изобретение он запатентовал еще 1869 году, что позволило ему развернуть массовое производство тормозного оборудования. Довольно быстро тормоз Вестингауза получил широкое распространение в США, Западной Европе и в Российской Империи.

В России тормоз Вестингауза безраздельно царил до Октябрьской революции, да и довольно долгое время после нее. Фирма «Вестингауз» построила в Петербурге свой тормозной завод, а так же умело вытеснила с российского рынка конкурентов. Однако, тормоз Вестингауза обладал рядом принципиальных недостатков.

Во-первых, этот тормоз обеспечивал только два режима работы: торможение до полного наполнения тормозных цилиндров, и отпуск — опорожнение тормозных цилиндров. Создать промежуточную величину тормозного нажатия с его длительным поддержанием было невозможно, то есть в тормозе Вестингауза отсутствовал режим перекрыши. Это не позволяло реализовать точное управление скоростью поезда.

Во-вторых, тормоз Вестингауза плохо работал в длинных поездах, и если в пассажирском движении с этим можно было как-то мириться, то в грузовом возникали проблемы. Помните о тормозной волне? Так вот, тормоз Вестингауза не обладал средствами увеличения её скорости, и в длинном поезде снижение давления в ТМ на последнем вагоне могло начаться слишком поздно, да и темпом, существенно ниже, чем в голове поезда, что создавало дикую неравномерность срабатывания тормозных приборов по составу.

Надо сказать, что вся деятельность фирмы «Вестингауз», как в России того времени, так и во всем мире насквозь пропитана капиталистическим душком патентных войн и недобросовестной конкуренции. Это и обеспечило столь несовершенной системе столь долгую жизнь, по крайней мере в тот исторический период.

При всем при этом следует признать — тормоз Вестингауза заложил основы тормозной науки и принцип его действия остался неизменным в современных тормозах подвижного состава.

2. От тормоза Вестингауза к тормозу Матросова — становление отечественной тормозной науки.

Практически сразу после появления тормоза Вестингауза и осознания его недостатков возникли попытки совершенствования этой системы, либо создания другой, принципиально новой. Наша страна не являлась исключением. На начало XX века Россия обладала развитой сетью железных дорог, игравших значительную роль в обеспечении экономического развития и обороноспособности страны. Повышение эффективности транспорта связано с увеличением скорости его движения и массы единовременно перевозимого груза, а значит остро поднимались вопросы совершенствования тормозных систем.

Существенным толчком к развитию тормозной науки в РСФСР а позже СССР послужило снижение влияние крупного западного капитала, в частности фирмы «Вестингауз», на развитие отечественной железнодорожной отрасли после октября 1917 года.

Ф.П. Казанцев (слева) и И.К. Матросов (справа) — создатели отечественного железнодорожного тормоза
 

Первой ласточкой, первым серьезным достижением молодой отечественной тормозной науки, стали разработки инженера Флорентия Пименовича Казанцева. В 1921 году Казанцев предложил систему прямодействующего автоматического тормоза. Приведенная ниже схема описывает все основные идеи, привнесенные не только Казанцевым, и её задача — объяснить основные принципы работы усовершенствованного автоматического тормоза

Прямодействующий автоматический тормоз: 1 — компрессор; 2 — главный резервуар; 3 — питательная магистраль; 4 — поездной кран машиниста; 5 — устройство питания утечек тормозной магистрали; 6 — тормозная магистраль; 7 — соединительные тормозные рукава; 8 — концевой кран; 9 — стоп-кран; 10 — обратный клапан; 11 — запасный резервуар; 12 — воздухораспределитель; 13 — тормозной цилиндр; 14 — тормозная рычажная передача.

Итак, первой основной идеей является то, что управление давлением в ТМ осуществляется опосредованно — через снижение/повышение давления в специальном резервуаре, называемом уравнительным резервуаром (УР). Он показан на рисунке справа от крана машиниста (4) и сверху от устройства питания утечек из ТМ (5). Плотность этого резервуара обеспечить технически гораздо легче чем плотность тормозной магистрали — трубы длиной достигающей километровых порядков и идущей через весь поезд. Относительная стабильность давления в УР позволяет поддерживать давление в ТМ, используя давление в УР как задающее. И правда, поршень в устройстве (5) при снижении давления в ТМ опускается вниз, открывая клапан, наполняющий ТМ из питательной магистрали, тем самым поддерживая в ТМ давление, равное давлению в УР. Этой идее предстоял ещё длинный путь развития, но теперь давление в ТМ не зависело от наличия внешних утечек из неё (до известных пределов). Устройство 5 перекочевало в кран машиниста и остается в нем, в модифицированном виде, и по сей день.

Другой важной идеей, лежащей в основе конструкции данного типа тормоза, является питание ЗР от ТМ через обратный клапан 10. При превышении давления в ТМ над давлением в ЗР этот клапан открывается, наполняя ЗР из ТМ. Таким образом происходит непрерывное пополнение утечек из запасного резервуара и обеспечивается неистощимость тормоза.

Третьей важной идеей, предложенной Казанцевым, является конструкция воздухораспределителя, который работает на разности не двух давлений, а трех — давления в тормозной магистрали, давления в тормозном цилиндре, и давления в специальной рабочей камере (РК), которая при отпуске питается давлением от тормозной магистрали, вместе с запасным резервуаром. В режиме торможения РК разобщается с запасным резервуаром и тормозной магистралью, сохраняя величину изначального зарядного давления. Это свойство широко используется в тормозах подвижного состава как для обеспечения ступенчатого отпуска, так и для управления равномерностью наполнения ТЦ вдоль поезда в грузовых составах, ибо рабочая камера служит эталоном изначального зарядного давления. Исходя из его величины можно обеспечить и ступенчатый отпуск и организовать более раннее наполнение ТЦ в хвостовых вагонах. Подробное описание этих вещей оставлю для других статей по этой теме, пока лишь скажу, что работы Казанцева послужили стимулом для развития в нашей стране научной школы, приведшей к разработке оригинальных систем тормоза подвижного состава.

Другим советским изобретателем, кардинально повлиявшим на развитие отечественных тормозов подвижного состава стал Иван Константинович Матросов. Его идеи, принципиально не отличались от идей Казанцева, однако последовавшие позже эксплуатационные испытания систем тормозов Казанцева и Матросова (вкупе с другими системами тормоза) показали существенное превосходство второй системы в части эксплуатационных характеристик при применении, прежде всего, на грузовых поездах. Таким образом тормоз Матросова с воздухораспределителем усл. № 320 стал основой для дальнейшей разработки и проектирования тормозного оборудования железных дорог колеи 1520 миллиметров. Современный автоматический тормоз, используемый в России и странах СНГ, по праву может носить имя тормоза Матросова, так как впитал, на начальном этапе своего развития, идеи и конструкторские решения Ивана Константиновича.

Высокоскоростные поезда, вроде TGV уже не обходятся пневматическим торможением

Сегодня мы поговорим о современности, а именно о том, какие подходы к созданию тормозных систем подвижного состава используются в XXI веке, буквально через месяц разменяющему свой третий десяток.

1. Классификация тормозов подвижного состава

Исходя из физического принципа создания тормозного усилия все железнодорожные тормоза можно разделить на два основных типа: фрикционные, использующие силу трения, и динамические, использующие тяговый привод для создания тормозящего момента.

К фрикционным тормозам относятся колодочные тормоза всех конструкций, в том числе и дисковые, а также магниторельсовый тормоз, который применяется на высокоскоростном магистральном транспорте, в основном в Западной Европе. На колее 1520 этот вид тормоза применялся исключительно на электропоезде ЭР200. Что касается того же «Сапсана», РЖД отказались от использования магниторельсового тормоза на нем, хотя прототип этого электропоезда, немецкий ICE3 таким тормозом оснащен.

Тележка поезда ICE3 с магниторельсовым тормозом

Тележка поезда «Сапсан»

К динамическим, а точнее электродинамическим тормозам относятся все тормоза, действие которых основано на переводе тяговых электродвигателей в генераторный режим (рекуперативный и реостатный тормоз), а так же торможение противовключением

С рекуперативным и реостатным тормозом все относительно понятно — двигатели тем или иным способом переводятся в генераторный режим, и в случае с рекуперацией отдают энергию в контактную сеть, а в случае с реостатом, выработанная энергия сжигается на специальных резисторах. И тот и другой тормоз применяется как на поездах с локомотивной тягой, так и на моторвагонном подвижном составе, где электродинамический тормоз является основным рабочим тормозом, в виду большого количества тяговых электродвигателей, распределенных по всему поезду. Единственным недостатком электродинамического торможения (ЭДТ) является невозможность торможения до полной остановки. При снижении эффективности ЭДТ выполняется его автоматические замещение пневматическим фрикционным тормозом.

Что касается торможения противовключением, то оно обеспечивает торможение до полной остановки, так как заключается оно в реверсировании тягового двигателя на ходу. Однако этот режим, в большинстве случаев является аварийным — его штатное применение чревато повреждением тягового привода. Если взять, для примера, коллекторный двигатель, то при изменении полярности напряжения, подаваемого на него, противо-ЭДС, возникающая во вращающемся двигателе, не вычитается из питающего напряжения а складывается с ним — колеса как вращались так и вращаются в туже сторону что и в тяговом режиме! Это приводит к лавинообразному нарастанию тока, и самое лучшее что может случиться — сработают электрические аппараты защиты.

По этой причине на локомотивах и электропоездах принимаются все меры к недопущению реверсирования двигателей на ходу. Реверсивная рукоятка блокируется механически при нахождении контроллера машиниста на ходовых положениях. А на тех же «Сапсанах» и «Ласточках» поворот реверсивного переключателя при скорости выше 5 км/ч приведет к немедленному экстренному торможению.

Однако, некоторые отечественные локомотивы, например электровоз ВЛ65, используют реверсивное торможение как штатный режим на малых скоростях движения.

Реверсивное торможение — штатный, обеспечиваемый системой управления режим торможения на электровозе ВЛ65

Надо сказать, что несмотря на высокую эффективность электродинамического торможения, любой поезд, всегда, подчеркиваю — всегда оснащается пневматическим тормозом автоматического действия, то есть срабатывающего за счет выпуска воздуха из тормозной магистрали. Как в России, так и во всем мире старые-добрые колодочные фрикционные тормоза стоят на страже безопасности движения.

По функциональному назначению тормоза фрикционного типа подразделяются на

1. Стояночные, ручные или автоматические
2. Поездные — пневматические (ПТ) или электропневматические (ЭПТ) тормоза, устанавливаемые на каждую единицу подвижного состава в поезде и управляемые централизовано из кабины машиниста
3. Локомотивные — пневматические прямодейсвующие тормоза, предназначенные для затормаживания локомотива, без затормаживания состава. Управляются они отдельно от поездных.

2. Стояночный тормоз

Ручной тормоз с механическим приводом никуда не делся с подвижного состава, он устанавливается как на локомотивах, так и на вагонах — просто сменил специальность, а именно превратился в стояночный тормоз, позволяющий исключить самопроизвольное движение подвижного состава в случае выхода воздуха из его пневмосистемы. Красное колесо, похожее на корабельный штурвал — привод ручного тормоза, один из вариантов его исполнения.

Штурвал ручного стояночного тормоза в кабине электровоза ВЛ60пк

Ручной тормоз в тамбуре пассажирского вагона

Ручной тормоз на современном грузовом вагоне

Ручной тормоз с помощью механического привода прижимает к колесам те же самые колодки, что используются при обычном торможении.

На современном подвижном составе, в частности на электропоездах ЭВС1/ЭВС2 «Сапсан», ЭС1 «Ласточка», а так же на электровозе ЭП20, стояночный тормоз автоматический и прижатие колодок к тормозным диском там выполняется пружинными энергоаккумуляторами. Часть клещевых механизмов, прижимающих колодки к тормозным дискам снабжена мощными пружинами, причем такими мощными, что отпуск выполняется пневматическим приводом давлением 0,5 МПа. Пневмопривод, в данном случае, противодействует пружинам, прижимающим колодки. Управление таким стояночным тормозом выполняется кнопками на пульте машиниста.

Кнопки управления стояночным пружинным тормозом (СПТ) на электропоезде ЭС1 «Ласточка»

По своему устройству такой тормоз аналогичен тому, что применяется на мощных грузовиках. Но в качестве основного тормоза в поездах такая система совершенно непригодна, а почему, я подробно объясню после рассказа о работе поездных пневматических тормозов.

3. Пневматические тормоза грузового типа

Каждый грузовой вагон оснащается следующим комплексом тормозного оборудования

Тормозное оборудование грузового вагона: 1 — тормозной соединительный рукав; 2 — концевой кран; 3 — стоп-кран; 5 — пылеуловитель; 6, 7, 9 — модули воздухораспределителя усл. №483; 8 — разобщительный кран; ВР — воздухораспределитель; ТМ — тормозная магистраль; ЗР — запасный резервуар; ТЦ — тормозной цилиндр; АР — грузовой авторежим

Тормозная магистраль (ТМ) — труба диаметром 1,25'' идущая вдоль всего вагона, на концах она снабжена концевыми кранами, для разобщения тормозной магистрали при расцепке вагона перед разъединением гибких соединительных рукавов. В тормозной магистрали в нормальном режиме поддерживается, так называемое зарядное давление величиной 0,50 — 0,54 МПа, так что разъединять рукава без перекрытия концевых кранов занятие сомнительное, которое в прямом смысле слова может лишить вас головы.

Запас воздуха, непосредственно подаваемого в тормозные цилиндры хранится в запа́сном резервуаре (ЗР), объем которого в большинстве случаев равен 78 литрам. Давление в запасном резервуаре в точности равно давлению в тормозной магистрали. Но нет, это не 0,50 — 0,54 МПа. Дело в том, что такое давление будет в тормозной магистрали на локомотиве. И чем дальше от локомотива, тем меньше давление в тормозной магистрали, потому что в ней неизбежно имеются неплотности приводящие к утечкам воздуха. Так что давление в тормозной магистрали последнего вагона в поезде будет несколько меньше зарядного.

Тормозной цилиндр, а на большинстве вагонов он один, при наполнении его из запасного резервуара, через тормозную рычажную передачу прижимает к колесам все имеющиеся на вагоне колодки. Объем тормозного цилиндра около 8 литров, поэтому при полном торможении в нем устанавливается давление не более 0,4 МПа. До той же величины снижается давление и в запасном резервуаре.

Главным «действующим лицом» в этой системе является воздухораспределитель. Этот прибор реагирует на изменение давления в тормозной магистрали, выполняя ту или иную операцию в зависимости от направления и темпа изменения этого давления.

При снижении давления в тормозной магистрали происходит торможение. Но не при любом снижении давления — уменьшение давления должно происходить определенным темпом, называемым темпом служебного торможения. Этот темп обеспечивается краном машиниста в кабине локомотива и составляет от 0,01 до 0,04 МПа в секунду. При снижении давления меньшим темпом торможение не происходит. Сделано это для того, чтобы тормоза не срабатывали при нормативных утечках из тормозной магистрали, а так же не срабатывали при ликвидации сверхзарядного давления, о чем мы поговорим попозже.

При срабатывании воздухораспределителя на торможение он выполняет дополнительную разрядку тормозной магистрали служебным темпом на величину 0,05 МПа. Делается это для того, чтобы обеспечить устойчивое снижение давления по всей длине поезда. Если дополнительной разрядки не делать, то последние вагоны длинного поезда могут и не затормозить в принципе. Дополнительную разрядку тормозной магистрали выполняют все современные воздухораспределители, в том числе и пассажирские.

При срабатывании на торможение, воздухораспределитель отключает запасный резервуар от тормозной магистрали и подключает его к тормозному цилиндру. Происходит наполнение тормозного цилиндра. Происходит оно ровно столько времени, сколько продолжается падение давления в тормозной магистрали. При прекращении снижения давления в ТМ наполнение тормозного цилиндра прекращается. Наступает режим перекрыши. Давление, набранное в тормозной цилиндр зависит от двух факторов:

1. глубины разрядки тормозной магистрали, то есть величины падения давления в ней относительно зарядного
2. режима работы воздухораспределителя

Грузовой воздухораспределитель имеет три режима работы: груженый (Г), средний (С) и порожний (П). Различаются эти режимы максимальным давлением, набираемым в тормозные цилиндры. Переключение между режимами осуществляется вручную путем поворота специальной режимной рукоятки.

Если подытожить, то зависимость давления в тормозном цилиндре от глубины разрядки тормозной магистрали при 483-воздухораспределителе на различных режимах выглядит так

Недостатком использования режимного переключателя является то, что работник вагонного хозяйства должен пройти вдоль всего состава, залезть под каждый вагон и переключить режимный переключатель в нужное положение. Делается это, по слухам, доходящим из эксплуатации, далеко не всегда. Чрезмерное наполнение тормозных цилиндров на порожнем вагоне чревато юзом, снижением эффективности торможения и порчей колесных пар. Для выхода из подобной ситуации на грузовых вагонах между воздухораспределителем и тормозным цилиндром включают так называемый авторежим (АР), который, механически определяя массу вагона плавно регулирует максимальное давление в тормозном цилиндре. Если вагон оборудован авторежимом, то режимный переключатель на ВР устанавливают в положение «груженый».

Торможение обычно выполняют ступенчато. Минимальной ступенью разрядки тормозной магистрали для ВР483 будет 0,06 — 0,08 МПа. При этом в тормозных цилиндрах устанавливается давление в 0,1 МПа. При этом машинист ставит кран в положение перекрыши, при котором в тормозной магистрали сохраняется величина давления, установленного после торможения. Если тормозной эффективности от одной ступени недостаточно, выполняется следующая ступень. При этом воздухораспределителю уже все равно, каким темпом происходит разрядка — при снижении давления любым темпом происходит наполнение тормозных цилиндров пропорционально величине снижения давления.

Полный отпуск тормозов (полное опорожнение тормозных цилиндров на всем поезде) выполняется повышением давления в тормозной магистрали выше зарядного. Причем, на грузовых поездах выполняется существенное завышение давления в ТМ над зарядным, для того чтобы волна повышения давления дошла до самых последних вагонов. Полный отпуск тормозов в грузовом поезде процесс длительный и может занимать до минуты.

ВР483 имеет два режима отпуска: равнинный и горный. В равнинном режиме при повышении давления в тормозной магистрали происходит полный, бесступенчатый отпуск. В горном режиме возможен ступенчатый отпуск тормозов, что есть не полное опорожнение тормозных цилиндров. Применяется этот режим при движении по сложному профилю с большой величиной уклонов.

Воздухораспределитель 483 вообще очень интересный прибор. Подробный разбор его устройства и работы это тема для отдельной большой статьи. Здесь же мы рассмотрели общие принципы работы грузового тормоза.

3. Пневматические тормоза пассажирского типа

Тормозное оборудование пассажирского вагона: 1 — соединительный рукав; 2 — концевой кран; 3, 5 — соединительные коробки линии электропневматического тормоза; 4 — стоп-кран; 6 — трубка с проводкой электропневматического тормоза; 7 — изолированная подвеска соединительного рукава; 8 — пылеуловитель; 9 — отвод к воздухораспределителю; 10 — разобщительный кран; 11 — рабочая камера электровоздухораспределителя; ТМ — тормозная магистраль; ВР — воздухораспределитель; ЭВР — электровоздухораспределитель; ТЦ — тормозной цилиндр; ЗР — запасный резервуар

В глаза сразу бросается большее количество оборудования, начиная с того что тут аж три стоп-крана (по одному в каждом тамбуре, и один в купе проводника), заканчивая тем, что отечественные пассажирские вагоны оборудованы как пневматическим, так и электропневматическим тормозом (ЭПТ).

Внимательный читатель сразу отметит главный недостаток пневматического управления тормозами — конечная скорость распространения тормозной волны, ограниченная сверху скоростью звука. На практике же эта скорость ниже и составляет 280 м/с при служебном, и 300 м/с при экстренном торможении. К тому же эта скорость сильно зависит от температуры воздуха и зимой, например, она ниже. Поэтому извечный спутник пневматических тормозов — неравномерность их срабатывания по составу.

Неравномерность срабатывания приводит к двум вещам — возникновению значительных продольных реакций в поезде, а так же увеличению тормозного пути. Первое не столь характерно для пассажирских поездов, хотя прыгающие на столике в купе емкости с чаем и другими напитками никого не обрадуют. Увеличение же тормозного пути является серьезной проблемой, особенно в пассажирском движении.

К тому же, отечественный пассажирский воздухораспределитель — как старый усл. №292, так и новый усл. №242 (которых, к слову, в парке пассажирских вагонов становится всё больше), оба эти прибора — прямые наследники того самого тройного клапана Вестингауза, и работают они на разности двух давлений — в тормозной магистрали и запасном резервуаре. От тройного клапана их отличает наличие режима перекрыши, то есть возможность ступенчатого торможения; наличие дополнительной разрядки тормозной магистрали при торможении; наличие в конструкции ускорителя экстренного торможения. Эти воздухораспределители не обеспечивают ступенчатого отпуска — они дают сразу полный отпуск как только давление в тормозной магистрали превысит давление в запасном резервуаре, установившееся там после торможения. А ступенчатый отпуск очень полезен при регулировочных торможениях для точной остановки у посадочной платформы.

Обе проблемы — неравномерность срабатывания тормозов и отсутствие ступенчатого отпуска, на колее 1520 мм решаются установкой на вагоны воздухораспределителя с электрическим управлением — электровоздухораспределителя (ЭВР), усл. №305.

Отечественный ЭПТ — электропневматический тормоз — прямодействующий, неавтоматического действия. На пассажирских поездах с локомотивной тягой ЭПТ работает по двухпроводной схеме.

Структурная схема двухпроводного ЭПТ: 1 — контроллер управления на кране машиниста; 2 — аккумуляторная батарея; 3 — статический преобразователь питания; 4 — панель контрольных ламп; 5 — блок управления; 6 — клемная колодка; 7 — соединительные головки на рукавах; 8 — изолированная подвеска; 9 — полупроводниковый вентиль; 10 — отпускной электромагнитный вентиль; 11 — тормозной электромагнитный вентиль.

Вдоль всего поезда протягиваются два провода: №1 и №2 на рисунке. На хвостовом вагоне эти провода электрически соединены между собой и по получившейся петле пускают переменный ток частотой 625 Гц. Делается это для контроля целостности линии управления ЭПТ. При разрыве провода цепь переменного тока разрывается, машинист получает сигнал в виде погасания в кабине контрольной лампы «О» (отпуск).

Управление же ведется постоянным током разной полярности. При этом проводом с нулевым потенциалом являются рельсы. При подаче на провод ЭПТ положительного (относительно рельс) напряжения срабатывают оба электромагнитных вентиля, установленных в электровоздухораспределителе: отпускной (ОВ), и тормозной (ТВ). Первый из них изолирует рабочую камеру (РК) электровоздухораспределителя от атмосферы, второй — наполняет её из запасного резервуара. Дальше в дело вступает установленное в ЭВР реле давления, работающее на разности давлений в рабочей камере и тормозном цилиндре. При превышении давления в РК над давлением в ТЦ происходит наполнение последнего воздухом из запасного резервуара, до давления, которое было набрано в рабочую камеру.

При подаче на провод отрицательного потенциала, тормозной вентиль выключается, так как ток к нему отрезается диодом. Остается активным только отпускной вентиль, удерживающий давление в рабочей камере. Так реализуется положение перекрыши.

При снятии напряжения отпускной вентиль теряет питание, открывает рабочую камеру в атмосферу. При снижении давления в рабочей камере реле давления выпускает воздух и из тормозных цилиндров. Если после кратковременного отпуска снова поставить кран машиниста в положение перекрыши, то падение давления в рабочей камере прекратится, прекратится и выпуск воздуха из тормозного цилиндра. Таким образом добиваются возможности ступенчатого отпуска тормоза.

Что произойдет при обрыве провода? Правильно — ЭПТ отпустит. Поэтому этот тормоз (на отечественном подвижном составе) является неавтоматическим. При выходе из строя ЭПТ машинист имеет возможность перейти на пневматическое управление тормозами.

ЭПТ отличается одновременным наполнением тормозных цилиндров и их опорожнением по всему поезду. Темп наполнения и опорожнения довольно высокий — 0,1 МПа за секунду. ЭПТ является неистощимым тормозом, так как при его работе обычный воздухораспределитель находится в режиме отпуска и питает запасные резервуары из тормозной магистрали, которая в свою очередь отпитывается краном машиниста на локомотиве из главных резервуаров. Поэтому тормозить ЭПТ можно с любой частотой, требуемой для оперативного управления тормозами. Возможность ступенчатого отпуска позволяет управлять скоростью поезда очень точно и плавно.

Пневматическое же управление тормозами пассажирского поезда мало чем отличается от грузового тормоза. Есть разница в приемах управления, например отпуск пневматического тормоза производится до зарядного давления, без завышения. Вообще же чрезмерные завышения давления в тормозной магистрали пассажирского поезда чреваты неприятностями, поэтому при полном отпуске ЭПТ давление в ТМ завышается максимум на 0,02 МПа над величиной установленного зарядного давления.

Минимальная глубина разрядки ТМ при торможении на пассажирском тормозе составляет 0,03 — 0,05 МПа, при этом в тормозных цилиндрах создается давление 0,1 — 0,15 МПа. Максимальное давление в тормозном цилиндре пассажирского вагона ограничивается объемом запасного резервуара и обычно не превышает 0,4 МПа.

Заключение

Теперь я обращусь к некоторым комментаторам, которых удивляет (а по-моему, даже и возмущает, но утверждать не берусь) сложность поездного тормоза. В комментариях предлагается применить автомобильную схему с энергоаккумуляторами. Оно, конечно, с дивана, или компьютерного кресла в офисе, через окно браузера многие проблемы виднее и очевиднее их решение, но позволю себе заметить, что большинство технических решений, принятых в реальном мире, имеют под собой четкое обоснование.

Как уже говорилось, главная проблема пневматического тормоза в поезде — конечная скорость движения скачка падения давления по длинной (до 1,5 км в поезде из 100 вагонов) трубе тормозной магистрали — тормозной волны. Для ускорения этой тормозной волны требуется дополнительная разрядка, выполняемая воздухораспределителем. Не будет воздухораспределителя, не будет и дополнительной разрядки. То есть тормоза на энергоаккумуляторах будут очевидно заметно хуже по характеристикам равномерности срабатывания, возвращая нас во времена Вестингауза. Грузовой поезд — это не грузовой автомобиль, тут другие масштабы, а значит и другие принципы управления тормозами. Уверен, что это не просто так, и направление мировой тормозной науки не случайно пошло по тому пути, который привел нас к такого рода конструкциям. Точка.

Источник