Что значит рабочие фрикционные тормозные механизмы
Тормоза сто лет назад: как барабаны оказались эффективнее дисков
Скоро исполнится сто лет с момента появления на автомобилях гидравлических тормозов – весьма почтенный возраст для технологии, применяемой до сих пор. Первый патент на технологию гидравлических тормозов на транспорте был взят Малькольмом Локхидом в 1917 году. А в 1921 году на Model A Duesenberg система уже ставилась серийно. Самое время для истории о появлении и развитии автомобильных тормозов.
Тормозная система появилась задолго до автомобилей – останавливать нужно было вагоны, телеги, кареты, различные приводные системы и многое другое оборудование. В наследство от времен, когда скорость в 30 километров в час уже считалась огромной, машинам достались и технологии торможения той эпохи. Колодочные тормоза с механическим приводом на одну ось и, под конец 19 века, ленточный тормоз.
Колодка на века и недолгий век ленты
Колодочные тормоза многие, наверное, видели на железной дороге, где отлично видна суть такой конструкции. Колодка просто прижимается к беговой поверхности колеса и останавливает его вращение. Нечто подобное применялось на телегах, но с поправкой на материалы. Колесо телеги обычно было деревянным или обитым стальным ободом, а колодку или же башмак изготавливали из дерева или кожи. Часто колодки как отдельного конструктивного элемента вообще не существовало, просто бревно-рычаг прижималось к колесу. Прижималась колодка к колесу с помощью обычного рычага, и работала такая система вполне исправно на протяжении многих сотен лет. Конечно, колодки надо было менять каждую сотню-другую километров, а на скоростях за 30 они могли сгореть от одного торможения, но в целом такая конструкция справлялась со своими задачами, пока не появились более скоростные локомобили и пневматические шины.
На фото: колодочный тормоз на телеге
Использование даже литых каучуковых покрышек резко уменьшало возможности работы таких тормозов: колодка должна быть мягче поверхности колеса, а что может быть мягче резины? Такая колодка сотрется моментально. В общем, если на грузовиках и машинах с деревянными и стальными ободными колесами колодочные тормоза еще немного задержались, то на сравнительно быстрых автомобилях с ДВС от них отказались в самом начале. Их еще можно застать на первом Motorwagen конструкции Бенца, но такая система почти не встречается на последующих конструкциях.
Ленточный тормоз получил свое название из-за использования в конструкции ленты или троса, обведенных вокруг вращающегося барабана. При затягивании петли тормоза барабан эффективно затормаживался, причем хорошо проявлялся эффект самоусиления – лента натягивалась самим вращением колеса. Подобная конструкция легко устанавливалась на ступицу или одну из осей машины (обычно заднюю) и позволяла тормозить на машинах с пневматическими шинами, причем с довольно высокой скорости.
На фото: принцип действия ленточного тормоза
Но, как и колодочные тормоза, она обладала малым ресурсом, не больше нескольких сотен километров, и легко перегревалась. Эффект самозатормаживания осложнял контроль торможения при движении в основном направлении и уменьшал эффективность тормозов при движении задним ходом. К тому же, ленты или тросы системы интенсивно загрязнялись и были подвержены коррозии. В целом, ленточный тормоз относится к семейству барабанных тормозов, ведь в данном случае колодка в виде ленты воздействует на тормозной барабан.
К нему же относят и дисковые тормоза, но в дальнейшей классификации будет употребляться разделение по существенным конструктивным признакам, и под барабанным будет подразумеваться только одно из конструктивных исполнений.
Барабаны ранних машин часто изготавливали из дерева, а лента могла быть не только металлической, но еще и текстильной или кожаной. А на машине Готлиба Даймлера в 1899 году были установлены тормозные механизмы с деревянным барабаном и стальной лентой. Кстати, первые специальные тормозные материалы для сухопутных машин были изготовлены именно для ленточных тормозов: Герберту Фруду приписывают изобретение первых тормозных лент из фрикционной смеси на основе волоса и битума.
На фото: Daimler 8 HP «Phoenix» Phaeton
Век ленточного тормоза был короток – он оказался немногим лучше колодочного, и надолго задержался на автомобилях только в качестве стояночного, а еще массово применяется в классических планетарных АКПП, где его способность к самозатягиванию и простота конструкции пришлись очень кстати. Основная масса автопроизводителей перестала использовать ленточные тормоза еще до начала Первой мировой.
Барабаны против дисков, раунд первый
Изобретение барабанного тормоза с колодками почему-то принято приписывать господину Майбаху, но если внимательно прочитать описание конструкции, то станет понятно, что нажатие колодок на барабан сбоку – это, скорее, шаг к дисковым тормозам. В его конструкции ролики прижимали неподвижный диск к торцу барабана, закрепленного на задней оси. Конструкция, мягко говоря, крайне далека от оптимальной, и потому тоже осталась лишь забавным техническим курьезом. Но зато появилась в 1901-м, на год раньше варианта барабанных тормозов от Луи Рено, который создал ту конструкцию, которую все еще можно встретить на многих машинах.
В ней две колодки прижимались к внутренней поверхности барабана, причем одна колодка была установлена так, что создавала эффект самоусиления торможения при любом направлении вращения. Такой вариант тормозного механизма оказался куда удачнее всех остальных. Грязь, вода и масло почти не попадали на тормозную поверхность барабана и на сам механизм, расположенный внутри, а значит, ресурс колодок увеличивался даже при применении несовершенных материалов.
К тому же барабан можно было делать большего диаметра и большей ширины, тем самым неплохо масштабируя конструкцию по тормозной мощности. И даже небольшое максимальное усилие прижатия колодок к барабану оказалось большим плюсом, ведь привод тормозов тогда был тросовым или рычажным, а значит, не позволял получить большое усилие.
Как ни странно, дисковые тормоза были запатентованы примерно в то же время, а на машинах стали устанавливаться даже раньше, с начала 1902 года. Патент взял Фредерик Ланчестер, он же устанавливал дисковые тормозные механизмы на машины собственного производства. Сложно сказать, был ли он изобретателем или патентным троллем, но патентовал он много и часто, благо работал в Патентном Бюро Лондона. К тому моменту дисковые тормоза уже применялись на велосипедах, так что возможно, что изобретатель «подсмотрел» основную идею. Но в то время возможность выдерживать большее усилие при торможении и лучшее охлаждение такого механизма оказались невостребованными. А загрязнялась рабочая поверхность такого тормоза очень сильно, что повышало требования к материалу тормозных колодок. В общем, без гидропривода, для эксплуатации по грунтовым дорогам да на двенадцатисильных «болидах» дисковые тормоза оказались не очень приспособлены.
Кстати, Майбах был не первым, кто пытался прижать к барабану сбоку тормозную колодку в форме диска. В 1898 году Элмер Амброуз оснастил электромобиль своей конструкции электромагнитным тормозом: в нем к поверхности тормозного диска пружины прижимали тормозные диски-накладки, а для растормаживания конструкции применялись электромагниты. Для остановки достаточно было убрать питание с тормозов, и машина останавливалась.
Такая конструкция может считаться еще более ранним вариантом дискового тормоза, чем майбаховская, ведь колодки прижимались с двух сторон к барабану в форме диска, и к тому же, срабатывание при пропадании питания являлось важным шагом в направлении повышения безопасности движения. Применение аналогичной технологии к пневматическим тормозам много позже заметно повысило безопасность их использования.
Как видим, конструкторская мысль на рубеже веков фонтанировала, причем некоторые элементы решений оказались очень перспективными, но совершенно бесполезными в момент разработки.
Тормозить всеми лапами
И кстати, первый полноприводный автомобиль Spyker HP 60/80 1903 года является одновременно и первой машиной с тормозами на всех колесах. Подавляющее большинство остальных машин тормозило только задней осью, причем не очень эффективно. Следом за голландцами последовали шотландцы. Модель Arrol-Johnston 1910 года они тоже оснастили тормозами всех четырех колес. В том же году Isotta Fraschini запатентовала тормозную систему всех колес, а с 1911 по 1914 выпускали модель Tipo KM4, оснащенную такой системой. Кстати, тормоза на этой машине были барабанными и с водяным охлаждением, да еще и с раздельным приводом. Передний тормоз приводился рычагом, а задний –педалью. Да-да, конструкция раздельных тормозов у мотоциклов «растет» именно оттуда.
На фото: Spyker HP 60 1903 года
На автосалоне в Нью-Йорке 1923 года всего два автомобиля имели тормоза на всех колесах – отличились Duesenberg и Rickenbacker. Запомните перечисленные марки, именно они были быстрейшими машинами на трассах в начале века, а продвинутая тормозная система была знаком принадлежности к клубу самых мощных и быстрых авто на свете.
На фото: Rickenbacker Six Convertible Indy 500 Pace Car 1923 год
Ситуация начала меняться гораздо позже. В 1924 году 70% машин все еще имели тормоза только на задней оси, и только к 1929 году ситуация переломилась кардинально – 99% машин получили тормоза на все колеса.
Впрочем, тормозная система была все еще мало похожа на современные, хотя многие компоненты уже к тридцатым годам имели схожий с современным дизайн. Привод механизмов часто был механическим, усилители тормозов были редкой опцией, раздельные контуры механизмов появятся еще не скоро, даже регуляторы тормозного усилия все еще не появились. Не говоря уже об АБС и системах контроля устойчивости, которые изменят сам способ управления тормозами и их функциональность.
Обо всем этом мы поговорим во второй части статьи об автомобильных тормозах.
Устройство автомобилей
Тормозные механизмы
Тормозной механизм – устройство, непосредственно предназначенное для создания или изменения принудительного сопротивления движению автотранспортного средства.
В тормозных системах автомобилей в качестве тормозных механизмов наиболее часто используют фрикционные устройства, в которых искусственное сопротивление движению создается за счет сил трения между вращающимися деталями, связанными с колесом, и неподвижными деталями, связанными с ходовой частью, агрегатами трансмиссии или несущей системой автомобиля.
Исключение могут составлять вспомогательные тормозные системы, использующие для уменьшения скорости автомобиля естественные силы трения в трансмиссии и двигателе, а также противодавление в выпускной системе двигателя.
В качестве тормозной системы спортивных и гоночных автомобилей иногда применяются устройства, использующие внешние источники энергии, например, парашют. В массовом автомобилестроении такие тормозные системы не применяются.
В рабочих, стояночных и запасных тормозных системах автомобилей в подавляющем большинстве применяются барабанные и дисковые тормозные механизмы, поскольку они наиболее полно отвечают предъявляемым требованиям – надежность и эффективность, хороший отвод тепла от деталей и узлов, обеспечение плавности торможения и высокий КПД. Используемые в конструкциях многих дорожных и сельскохозяйственных машин ленточные тормозные механизмы, использующие трение между тормозной лентой (или ремнем) и шкивом, на автомобилях применение не нашли.
В барабанных тормозных механизмах (рис. 1) используются силы трения, возникающие между внутренней поверхностью цилиндрического барабана, вращающегося вместе с колесом или подвижным элементом трансмиссии, и тормозными колодками, шарнирно соединяемыми с неподвижными элементами ходовой части, несущей системы или трансмиссии.
В дисковых тормозных механизмах (рис. 2) используются силы трения, возникающие между боковыми поверхностями металлического диска, вращающегося вместе с колесом, и колодками, корпус которых крепится к неподвижным элементам ходовой части. Тормозной привод в обоих механизмах воздействует на тормозные колодки, прижимая их к поверхностям барабана или диска, создавая силу трения требуемой эффективности.
Достоинства и недостатки тормозных механизмов
К достоинствам барабанных тормозных механизмов следует отнести более высокую эффективность при одинаковом усилии на исполнительные элементы (колодки) по сравнению с дисковым тормозным механизмом при прочих равных условиях. Это достигается возможностью использования большей площади трения между барабаном и колодками, а также создавать полученной силой трения крутящий момент с бóльшим плечом, равным внутреннему радиусу барабана.
Плечо силы трения, создаваемой дисковым механизмом, меньше наружного диаметра диска, поскольку суммарная сила трения приложена к его боковой поверхности на некотором расстоянии от обода, т. е. смещена к оси колеса. По этой причине, при одинаковой силе трения и габаритах тормозного механизма, барабанные тормоза создают больший тормозящий момент, чем дисковые.
Тормозные колодки барабанных механизмов имеют бóльшую площадь трения, чем колодки дисковых тормозов, поэтому они изнашиваются менее интенсивно. Детали барабанного тормозного механизма лучше защищены от неблагоприятного воздействия внешней среды, поэтом меньше подвержены механическим повреждениям, коррозии и абразивному износу.
Кроме этого, барабанные тормозные механизмы имеют более жесткую конструкцию тормозящего элемента (барабана), благодаря чему он менее подвержен деформации, чем диск. Однако пространственная форма барабана усложняет его балансировку.
Такие качества, как создаваемый эффективный тормозной момент и прочностные достоинства барабана являются основной причиной широкого применения барабанных тормозных механизмов в системах торможения грузовых автомбилей и автобусов. В современных легковых автомобилях их применение ограничено из-за сравнительно большой массы и габаритов.
К достоинствам дисковых тормозных механизмов можно отнести малые габариты и массу, эффективное охлаждение деталей механизма из-за большой площади охлаждения и возможности вентилирования, независимость действия тормозов от износа накладок и возможность работы с малыми зазорами, более равномерное распределение давлений и высокую стабильность работы.
Дисковые тормозные механизмы проще обслуживать. Так, например, замена тормозных колодок дисковых тормозов занимает значительно меньше времени, чем в барабанных тормозных механизмах.
У дисковых тормозов зависимость коэффициента эффективности от коэффициента трения имеет более благоприятный (линейный) характер, чем у барабанных.
Благодаря перечисленным достоинствам дисковые тормозные механизмы в последние годы практически вытеснили барабанные механизмы в конструкциях тормозных систем легковых автомобилей, и все чаще применяются на грузовых автомобилях.
Тем не менее, и тот и другой тип тормозных механизмов может использоваться в конструкции всех типов автомобилей, при этом барабанные тормозные механизмы чаще применяются в тормозных системах грузовых автомобилей, дисковые – в тормозных системах легковых автомобилей.
Встречаются и комбинации таких механизмов на одном автомобиле, например, тормозные механизмы задних колес легкового автомобиля могут быть барабанными, передних колес – дисковыми.
Барабанные тормозные механизмы, размещенные на элементах трансмиссии, нередко используются в стояночных тормозных системах грузовых автомобилей малой и средней грузоподъемности.
Элементы тормозных механизмов
Тормозные барабаны могут быть литые, штампованные и комбинированные. Их отливают из чугуна с примесью меди, молибдена, никеля и титана, а также из алюминиевых сплавов. Штампованные барабаны обычно выполняются из листовой стали, при этом имеют внутренний слой из легированного чугуна.
Тормозные диски изготовляют, как правило, из чугуна. Применяют также биметаллические диски, которые выполняют с фрикционным слоем из серого чугуна, размещаемого на алюминиевом или медном основании.
Колодки тормозных механизмов выполняют чаще всего литыми из чугуна или легких сплавов, а также штампованными или сварными. К ним с помощью заклепок или клея крепят тормозные накладки. Колодки стяжными пружинами постоянно прижаты к разжимному устройству.
Устройство тормозных механизмов различных марок отечественных автомобилей можно изучить, пройдя по приведенным ниже ссылкам (схемы откроются в отдельном окне браузера):
Правда о железнодорожных тормозах: часть 2
Вижу, что первая, историческая часть моего повествования публике понравилась, а поэтому не грех и продолжить.
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
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:
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.
Данная статья — своего рода обзор существующих на современном подвижном составе тормозных систем. Дальше, в других статьях этого цикла я подробнее остановлюсь на каждой из них. Мы узнаем, какие приборы используются для управления тормозами, как устроены воздухораспределители. Подробнее рассмотрим вопросы рекуперативного и реостатного торможения. Ну и конечно рассмотрим тормоза высокоскоростного транспорта. До новых встреч и спасибо за внимание!