Правда о железнодорожных тормозах: часть 3 — приборы управления
Пришло время поговорить об устройствах, предназначенных для управления тормозами. Эти устройства называются «кранами», хотя долгий путь эволюции увел их достаточно далеко от кранов в привычном нам бытовом смысле, превратив в достаточно сложные устройства пневмоавтоматики.
Старый-добрый золотниковый кран 394 до сих пор используется на подвижном составе
По определению
Поездной кран машиниста — устройство (или комплекс устройств), предназначенное для управления величиной и темпом изменения давления в тормозной магистрали поезда
Поездные краны машиниста, используемые в настоящее время можно разделить на приборы непосредственного управления, и краны с дистанционным управлением.
Приборы непосредственного управления это классика жанра, установленные на подавляющем большинстве локомотивов, моторвагонных поездов, а так же подвижном составе специального назначения (разные дорожные машины, автомотрисы и прочее) краны машиниста усл. №394 и усл. №395. Первый из них, изображенный на КДПВ, устанавливается на грузовые локомотивы, второй — на пассажирские.
В пневматическом смысле эти краны не отличаются друг от друга вообще никак. То есть абсолютно идентичны. Кран 395 на верхней части имеет, отлитый вместе с ней, прилив с двумя резьбовыми отверстиями, куда устанавливается «банка» контроллера управления электропневматическим тормозом
395-й кран машиниста в естественной среде обитания
Эти приборы, чаще всего, окрашиваются в ярко-красный цвет, что свидетельствует об их исключительной важности и особому вниманию, которое должна уделять им как локомотивная бригада, так и технологический персонал, обслуживающие локомотив. Еще одно напоминание о том, что тормоза на поезде это всё.
К этим приборам непосредственно подводятся трубопроводы питательной (ПМ) и тормозной магистрали (ТМ) и, посредством поворота рукоятки, осуществляется непосредственное управление потоком воздуха.
В кранах с дистанционным управлением на пульте машиниста установлен не сам кран, а так называемый контроллер управления, передающий по цифровому интерфейсу команды на отдельную электропневмопанель, которая устанавливается в машинном отделении локомотива. На отечественном подвижном составе используется многострадальный кран машиниста усл. №130, довольно долго пробивавший себе дорогу на подвижной состав.
Контроллер крана усл. №130 на пульте электровоза ЭП20 (справа, рядом с панелью манометров)
Пневмопанель в машинном отделении электровоза ЭП20
Для чего сделано именно так? Для того, чтобы помимо ручного управления тормозами появилась штатная возможность управления автоматического, например от системы автоведения поезда. На локомотивах, оборудованных 394/395 краном для этого требовалась установка на кран специальной приставки. По задумке, 130-й кран интегрируется в систему управления поездом по шине CAN, которая применяется на отечественном подвижном составе.
Почему я назвал этот прибор многострадальным? Потому, что был непосредственным свидетелем его первого появления на подвижном составе. Такие приборы устанавливались на первые номера новых российских электровозов: 2ЭС5К-001 «Ермак», 2ЭС4К-001 «Дончак» и ЭП2К-001.
В 2007 году я участвовал в сертификационных испытаниях электровоза 2ЭС4К-001. На этой машине устанавливался именно 130-й кран. Однако уже тогда пошли разговоры о его низкой надежности, более того, это чудо техники могло самопроизвольно отпустить тормоза. Поэтому от него очень скоро отказались и «Ермаки», «Дончаки» и ЭП2К пошли в серию с 394-ми и 395-ми кранами. Прогресс был отложен до доработки нового устройства. На новочеркасские локомотивы этот кран вернулся только с началом выпуска электровоза ЭП20 в 2011 году. А «Ермаки», «Дончаки» и ЭП2К новую версию этого крана так и не получили. ЭП2К-001 кстати, со 130-м краном, гниет сейчас на базе запаса, как я узнал недавно из видео одного фаната ж/д заброшки.
Однако, полного доверия подобной системе у железнодорожников нет, поэтому все локомотивы, оснащаемые краном 130 оснащаются так же и кранами резервного управления, позволяющими, в упрощенном режиме, непосредственно управлять давлением в тормозной магистрали.
Кран резервного управления тормозами в кабине ЭП20
На локомотивах устанавливается так же и второй прибор управления — кран вспомогательного тормоза (КВТ), предназначенный для управления тормозами локомотива, независимо от тормозов состава. Вот он, слева от поездного крана
Кран вспомогательного тормоза усл. №254
На фото классический кран вспомогательного тормоза, усл. №254. Устанавливается он много где до сих пор, как на пассажирских, так и на грузовых локомотивах. В отличие от тормозов вагона, на локомотиве тормозные цилиндры никогда не наполняются непосредственно из запасного резервуара. Хотя и запасный резервуар, и воздухораспределитель на локомотиве установлены. Вообще, схема тормозов локомотива более сложная, из-за того, что на локомотиве больше тормозных цилиндров. Суммарный их обхем существенно выше 8 литров, поэтому наполнить их из запасного резервуара до давления в 0,4 МПа не получится — надо увеличивать объем запасного резервуара, а это увеличит время его зарядки по сравнению с вагонными ЗР.
На локомотиве ТЦ наполняются из главного резервуара, либо через кран вспомогательного тормоза, либо через реле давления, на которое воздействует воздухораспределитель, приводимый в действие от поездного крана машиниста.
Кран 254 имеет ту особенность, что он сам может работать как реле давления, допуская отпуск (ступенчатый!) тормозов локомотива при заторможенном составе. Такая схема называется схемой включения КВТ в качестве повторителя и применяется на грузовых локомотивах.
Кран вспомогательного тормоза используется при маневровых передвижениях локомотива, а так же для закрепления поезда после остановки и во время стоянки. Сразу после остановки поезда этот кран ставят в самое последнее тормозное положение, а тормоза в поезде отпускают. Тормоза локомотива способны удержать и локомотив и состав на достаточно серьезном уклоне.
На современных электровозах, таких как ЭП20, устанавливают другие КВТ, например усл. №224
Кран вспомогательного тормоза усл. №224 (справа на отдельной панели)
Итак, наш герой старый, проверенный временем и миллионами километров пути кран 394 (и 395, но он аналогичен, поэтому я буду говорить об одном из приборов, имея в виду и второй). Почему он, а не современный 130-й? Во-первых, 394 кран более распространен на сегодняшний день. А во-вторых, 130-й кран, вернее его пневмопанель, по принципу своего действия аналогична старичку 394.
Кран машиниста усл. №394: 1 — цоколь хвостовика выпускного клапана; 2 — корпус нижней части; 3 — уплотнительная манжета; 4 — пружина; 5 — выпускной клапан; 6 — втулка с седлом выпускного клапана; 7 — уравнительный поршень; 8 — уплотнительная резиновая манжета; 9 — уплотнительное латунное кольцо; 10 — корпус средней части; 11 — корпус верхней части; 12 — золотник; 13 — рукоятка управления; 14 — фиксатор рукоятки; 15 — гайка; 16 — прижимной винт; 17 — стержень; 18 — пружина золотника; 19 — прижимная шайба; 20 — монтажные шпильки; 21 — штифт-фиксатор; 22 — фильтр; 23 — пружина питательного клапана; 24 — питательный клапан; 25 — втулка с седлом питательного клапана; 26 — диафрагма редуктора; 30 — регулировочная пружина редуктора; 31 — регулировочный стакан редуктора
Как вам? Серьезный прибор. Этот прибор состоит из верхней (золотниковой) части, средней (промежуточной) части, нижней (уравнительной) части, стабилизатора и редуктора. Редуктор показан справа внизу на рисунке, стабилизатор покажу отдельно
Стабилизатор крана машиниста усл. №394: 1 — пробка; 2 — пружина дроссельного клапана;3 — дроссельный клапан; 4 — седло дроссельного клапана; 5 — калиброванное отверстие диаметром 0,45 мм; 6 — диафрагма; 7 — корпус стабилизатора; 8 — упор; 10 — регулировочная пружина; 11 — регулировочный стакан.
Режим работы крана задается поворотом рукоятки, которая вращает золотник, плотно притертый (и тщательно смазаный!) к зеркалу в средней части крана. Положений семь, их принято обозначать римскими цифрами
- I — отпуск и зарядка
- II — поездное
- III — перекрыша без питания утечек в тормозной магистрали
- IV — перекрыша с питанием утечек из тормозной магистрали
- Va — торможение замедленным темпом
- V — торможение служебным темпом
- VI — экстренное торможение
В режиме движения в тяге, на выбеге и на стоянке, когда не нужно приводить в действие тормоза поезда, рукоятку крана устанавливают во второе, поездное положение.
Золотник, и зеркало золотника содержат каналы и калиброванные отверстия, через которые, в зависимости от положения рукоятки, воздух перетекает из одной части прибора в другую. Так выглядит золотник и его зеркало
Кроме того, крану машиниста 394 подключают так называемый уравнительный резервуар (УР) объемом 20 литров. Этот резервуар является задатчиком давления в тормозной магистрали (ТМ). То давление, которое установлено в уравнительном резервуаре, будет поддерживаться уравнительной частью крана машиниста и в тормозной магистрали (кроме положений I, III и VI рукоятки).
Давления в уравнительном резервуаре и тормозной магистрали выводятся на контрольные манометры, установленные на приборной панели, обычно рядом с краном машиниста. Часто используют двухстрелочный манометр, например вот такой
Красная стрелка показывает давление в тормозной магистрали, черная — в уравнительном резервуаре
Итак, когда кран стоит в поездном положении, в уравнительном резервуаре устанавливается и поддерживается так называемое зарядное давление. Для моторвагонного подвижного состава и пассажирских поездов с локомотивной тягой его величина обычно 0,48 — 0,50 МПа, для грузовых поездов 0,50 — 0,52 МПа. Но чаще всего это 0,50 МПа, такое же давление используется на «Сапсане» и «Ласточке».
Устройствами, поддерживающими в УР зарядное давление являются редуктор и стабилизатор крана, работающие совершенно независимо друг от друга. Что делает стабилизатор? Он постоянно выпускает воздух из уравнительного резервуара через калиброванное отверстие диаметром 0,45 мм, имеющееся в его корпусе. Постоянно, не прерывая этот процесс ни на мгновение. Выпуск воздуха через стабилизатор идет строго постоянным темпом, который поддерживается дроссельным клапаном внутри стабилизатора — чем меньше будет давление в уравнительном резервуаре, тем сильнее приоткрывается дроссельный клапан. Этот темп намного ниже темпа служебного торможения, и он может регулироваться поворотом регулировочного стакана на корпусе стабилизатора. Делается это для ликвидации в уравнительном резервуаре сверхзарядного (то есть превышающего зарядное) давления.
Если воздух из уравнительного резервуара постоянно уходит через стабилизатор, то ведь он рано или поздно уйдет весь? Ушел бы, да не даст редуктор. При падении давления в УР ниже зарядного, в редукторе открывается питательный клапан, сообщающий уравнительный резервуар с питательной магистралью, пополняя запас воздуха. Таким образом в уравнительном резервуаре, во II-м положении рукоятки крана постоянно поддерживается давление 0,5 МПа.
Лучше всего этот процесс иллюстрируется такой схемой
Действие крана машиниста во II (поездном) положении: ГР — главный резервуар; ТМ — тормозная магистраль; УР — уравнительный резервуар; Ат — атмосфера
А что же тормозная магистраль? Давление в ней поддерживается равным давлению в уравнительном резервуаре с помощью уравнительной части крана, которая состоит из уравнительного поршня (в центре схемы), питательного и выпускного клапана, приводимых в действие поршнем. Полость над поршнем сообщается с уравнительным резервуаром (желтая область), а под поршнем — с тормозной магистралью (красная область). При повышении давления в УР поршень опускается вниз, сообщая тормозную магистраль с питательной, вызывая повышение давление в ней, до тех пор, пока давление в ТМ и давление в УР не станут равны.
При снижении давления в уравнительном резервуаре, поршень перемещается вверх, открывая выпускной клапан, через который воздух из тормозной магистрали выходит в атмосферу, до тех пор, опять таки, когда давления над поршнем и под ним не уравняются.
Таким образом, в поездном положении давление в тормозной магистрали поддерживается равным зарядному. При этом питаются и утечки из неё, так как, и я постоянно об этом говорю, в ней однозначно и всегда имеются неплотности. Такое же давление устанавливается и в запасных резервуарах вагонов и локомотива, так же с отпиткой утечек.
Для того, чтобы привести в действие тормоза, машинист ставит ручку крана в V положение — торможение служебным темпом. При этом происходит выпуск воздуха из уравнительного резервуара через калиброванное отверстие, обеспечивающее темп падения давления 0,01 — 0,04 МПа в секунду. Процесс контролируется машинистом по манометру уравнительного резервуара. Пока рукоятка крана стоит в V положении, воздух выходит из уравнительного резервуара. Срабатывает уравнительный поршень, поднимаясь вверх и открывая выпускной клапан, сбрасывая давление из тормозной магистрали.
Чтобы прекратить процесс выпуска воздуха из уравнительного резервуара, машинист ставит ручку крана в положение перекрыши — III или IV. Процесс выпуска воздуха из уравнительного резервуара, а следовательно и из тормозной магистрали прекращается. Так выполняется ступень служебного торможения. При недостаточной эффективности тормозов выполняется еще одна ступень, для этого ручка крана машиниста снова переводится в положение V.
При штатном, служебном торможении максимальная глубина разрядки тормозной магистрали не должна превышать 0,15 МПа. Почему? Во-первых, глубже разряжать бессмысленно — из-за соотношения объемов запасного резервуара и тормозного цилиндра (ТЦ) на вагонах в ТЦ не наберется давление более 0,4 МПа. А разрядке на 0,15 МПа как раз соответствует давление в 0,4 МПа в тормозных цилиндрах. Во-вторых, глубже разряжать просто опасно — при низком давлении в тормозной магистрали увеличится время зарядки запасных резервуаров при отпуске тормоза, ведь они заряжаются именно от тормозной магистрали. То есть подобные действия чреваты истощением тормоза.
Пытливый читатель спросит —, а чем отличаются перекрыши в положениях III и IV?
В положении IV золотник крана перекрывает абсолютно все отверстия в зеркале. Редуктор не отпитывает уравнительный резервуар и давление в нем держится довольно стабильно, ибо утечки из УР крайне малы. Уравнительный поршень при этом продолжает работать, пополняя утечки из тормозной магистрали, поддерживая в ней то давление, которое установилось в уравнительном резервуаре после последнего торможения. Поэтому это положение носит название «перекрыша с питанием утечек из тормозной магистрали»
В III положении золотник крана сообщает между собой полости над и под уравнительным поршнем, что блокирует работу уравнительного органа — давления в обоих полостях падают одновременно темпом утечки. Подпитка этой утечки уравнительным органом не происходит. Поэтому III положение крана носит название «перекрыша без питания утечек из тормозной магистрали»
Почему таких положений два и какую перекрышу использует машинист? Обе, в зависимости от ситуации и рода службы локомотива.
При управлении пассажирскими тормозами, по инструкции, машинист обязан ставить кран в III положение (перекрыша без питания) в следующих случаях:
- При следовании под запрещающий сигнал
- При управлении ЭПТ после первой ступени регулировочного торможения
- При следовании по крутому спуску или в тупик
Во всех этих ситуациях недопустим самопроизвольный отпуск тормозов. А как он может произойти? Да очень просто — пассажирские воздухораспределители работают на разности двух давлений — в тормозной магистрали и запасном резервуаре. При повышении давления в тормозной магистрали происходит полный отпуск тормозов.
А теперь представим себе, что мы тормознули и поставили в IV положение, когда кран питает утечки из тормозной магистрали. И в это время какой-то идиот в тамбуре приоткрывает, а потом закрывает стоп-кран — балуется мерзавец. Кран машиниста отпитывает эту утечку, что приводит к повышению давления в тормозной магистрали, а чувствительный к этому пассажирский воздухораспределитель дает полный отпуск.
На грузовых используется главным образом IV положение — грузовой ВР не так чувствителен к повышению давления в ТМ и обладает более жестким отпуском. В III положение ставят только при подозрении о недопустимой неплотности тормозной магистрали.
А как производится отпуск тормозов? Для полного отпуска рукоятку крана машиниста ставят в положение I — отпуск и зарядка. При этом как уравнительный резервуар, так и тормозная магистраль соединяются непосредственно с питательной магистралью. Только наполнение уравнительного резервуара идет через калиброванное отверстие, быстрым, но достаточно умеренным темпом, позволяющим контролировать давление по манометру. А наполнение тормозной магистрали производится более широким каналом, так что давление там подскакивает сразу до 0,7 — 0,9 МПа (в зависимости от длины поезда) и держится таковым до того, как ручку крана не поставят во второе положение. Почему так?
Делается это для того, чтобы протолкнуть большое количества воздуха в тормозную магистраль, резко завысить в ней давление, что позволит отпускной волне гарантированно достичь последнего вагона. Этот эффект носит название импульсная сверхзарядка. Она позволяет как ускорить сам отпуск, так и обеспечить более быструю зарядку запасных резервуаров по всему поезду.
Наполнение уравнительного резервуара заданным темпом позволяет процесс отпуска контролировать. По достижении давления в нем зарядного (на пассажирских поездах) или с некоторым завышением, в зависимости от длины состава (на грузовых) рукоятку крана машиниста ставят во II поездное положение. Стабилизатор ликвидирует перезарядку уравнительного резервуара, а уравнительный поршень довольно быстро делает давление в тормозной магистрали равным давлению в уравнительном резервуаре. Вот как выгладит процесс полного отпуска тормозов до зарядного давления с точки зрения машиниста
Ступенчатый отпуск, в случае управления ЭПТ или на грузовых поездах при горном режиме работы воздухораспределителя выполняется постановкой рукоятки крана во II поездное положение, с последующим переводом в перекрышу.
А как происходит управление электропневматическим тормозом? ЭПТ управляют с того же крана машиниста, только 395-го, который оснащен контроллером ЭПТ. В этой «банке», одеваемой сверху на вал рукоятки, расположены контакты, которые через блок управления управляют подачей в провод ЭПТ положительного или отрицательного, относительно рельс, потенциала, а так же снимают этот потенциал, для отпуска тормозов.
При включенном ЭПТ торможение производится постановкой крана машиниста в положение Va — торможение замедленным темпом. При этом происходит наполнение тормозных цилиндров непосредственно от электровоздухораспределителя темпом 0,1 МПа в секунду. Контроль за процессом выполняется по манометру давления в тормозных цилиндрах. Разрядка уравнительного резервуара при этом происходит, но довольно медленно.
Отпуск ЭПТ может производится как ступенчато, постановкой крана в положение II, так и полностью, с постановкой в I положение и завышением давления в УР на 0,02 МПа над уровнем зарядного давления. Примерно так все выглядит с точки зрения машиниста
Как производится экстренное торможение? При постановке ручки крана машиниста в VI положение, золотник крана открывает широким каналом, напрямую, тормозную магистраль в атмосферу. Давление падает от зарядного до нуля за 3–4 секунды. Давление в уравнительном резервуаре так же снижается, но медленнее. При этом на воздухораспределителях срабатывают ускорители экстренного торможения — каждый ВР открывает тормозную магистраль в атмосферу. Из под колес летят искры, колеса юзят, не смотря на подсыпку под них песка…
За каждое такое «кинуть в шестое» машиниста ждет разбор в депо — были ли его действия оправданы предписаниями Инструкции по управлению тормозами и Правилами технической эксплуатации подвижного состава, а так же рядом местных инструкций. Не говоря уже о том стрессе, который он испытывает, «кидая в шестое».
Поэтому, если вы выходите на рельсы, проскакиваете под закрывающийся шлагбаум на переезд на автомобиле, помните о том, что за вашу ошибку, дурость, блажь и браваду, в конечном счете несет ответственность живой человек, машинист поезда. И те люди, которым потом придется сматывать кишки с осей колесных пар, снимать отрубленные головы с тяговых редукторов…
Не очень хочется кого-то пугать, но это правда — правда написанная кровью и колоссальным материальным ущербом. Поэтому и тормоза поезда не так просты, как могло бы показаться.
Работу крана вспомогательного тормоза я не буду рассматривать в этой статье. По двум причинам. Во-первых, данная статья перенасыщена терминологией и сухой инженерией и еле-еле укладывается в рамки научно-популярной. Второе — рассмотрение работы КВТ требует привлечения описания нюансов пневмосхемы тормозов локомотива, а это тема отдельного разговора.
Надеюсь, этой статьей я внушил читателям суеверный ужас… нет-нет, я шучу конечно. Без шуток же, думаю стало понятно, что тормозные системы поездов это целый комплекс взаимосвязанных и чрезвычайно сложных устройств, конструкция которых направлена на оперативное и безопасное управление подвижным составом. Кроме того, очень надеюсь, что отбил охоту прикалываться над локомотивной бригадой игрой со стоп-краном. По крайней мере у кого-нибудь…
В комментариях меня просят рассказать про «Сапсан». Будет «Сапсан», и будет он отдельной, хорошей и большой статьей, с очень тонкими подробностями. Этот электропоезд дал мне короткий, но очень насыщенный в творческом плане период в жизни, так что рассказать о нем я очень хочу, и обязательно исполню свое обещание.
Хочу выразить свою благодарность следующим людям и организациям:
- Роману Бирюкову (Ромыч РЖДУЗ) за фотоматериал по кабине ЭП20
- Сайту www.pomogala.ru — за схемы, взятые с их ресурса
- Еще раз Роме Бирюкову и Сергею Авдонину за консультации по тонким моментам работы тормозов
До новых встреч, дорогие друзья!
