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 второй десяток.
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 случится — 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
- Стояночные, ручные или автоматические
- Поездные — пневматические (ПТ) или электропневматические (ЭПТ) тормоза, устанавливаемые на каждую единицу подвижного состава в поезде и управляемые централизовано из кабины машиниста
- Локомотивные — пневматические прямодейтсвующие тормоза, предназначенные для затормаживания локомотива, без затормаживания состава. Управляются они отдельно от поездных.
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.
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:
- глубины разрядки тормозной магистрали, то есть величины падения давления в ней относительно зарядного
- режима работы воздухораспределителя
Грузовой воздухораспределитель имеет три режима работы: груженый (Г), средний © 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.
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 приобразователь 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) не является автоматическим. 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 0,04 — 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.
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!
