Кінэтычная энергія "Сапсана" на максімальнай хуткасці – звыш 1500 мегаджоуляў. Для поўнага прыпынку ўся яна павінна быць рассеяна на тармазных прыладах
Была справа, менавіта тут, на Хабры. Тут публікуецца даволі шмат аглядных артыкулаў на чыгуначную тэматыку, аднак гэтая тэма яшчэ не асвятлялася падрабязна. Думаю, што было б даволі цікава напісаць пра гэта артыкул, а магчыма і не адзін. Таму прашу пад кат тых, каму цікава як уладкованыя тармазныя сістэмы чыгуначнага транспарта, і па якіх чынніках яны ўладкованыя менавіта так.
1. Гісторыя з'яўлення пнеўматычнага тормазу
Задача кіравання любым транспартам уключае ў сябе рэгуляванне хуткасці яго руху. Чыгуначны транспарт не з'яўляецца выключэннем, больш за тое, яго канструктыўныя асаблівасці ўносяць у гэты працэс істотныя нюансы. Цягнік складаецца з вялікай колькасці счэпленых паміж сабой экіпажаў, і атрыманая сістэма мае значную даўжыню і масу пры вельмі прыстойнай хуткасці руху.
Па вызначэнні, тормазы - комплекс прылад, прызначаных для стварэння штучных, якія рэгулююцца сіл супраціву, выкарыстоўваных для кіраванага зніжэння хуткасці руху транспартнага сродку.
Самы відавочны, які ляжыць на паверхні, спосаб стварэння тармазнога намаганні - выкарыстанне сілы трэння. З самага пачатку і да сённяшняга дня выкарыстоўваецца калодкавы фрыкцыйны тормаз. Адмысловыя прылады - тармазныя калодкі, вырабленыя з матэрыялу з высокім каэфіцыентам трэння, механічна прыціскаюцца да паверхні катання кола (або да адмысловых кружэлак, усталяваным на восі колавай пары). Паміж калодкамі і колам узнікае сіла трэння, якая стварае тармазны момант.
Рэгуляванне тармазнога намаганні выконваецца за кошт змянення сілы прыціскання калодак да кола тармазнога націску. Пытанне толькі ў тым, які прывад выкарыстоўваецца для прыціскання калодак, і, гісторыя тармазоў, збольшага, ёсць гісторыя развіцця гэтага прывада.
Першыя чыгуначныя тормазы былі механічнымі і прыводзіліся ў дзеянне ўручную, асобна на кожным вагоне спецыяльнымі людзьмі - тармазільшчыкамі або кандуктарамі. Кандуктары знаходзіліся на так званых тармазных пляцоўках, якімі быў абсталяваны кожны вагон, і прыводзілі ў дзеянне тормазы па сігнале машыніста лакаматыва. Абмен сігналамі паміж машыністам і кандуктарамі ажыццяўляўся з дапамогай спецыяльнай сігнальнай вяроўкі, працягнутай уздоўж усяго цягніка, якая прыводзіла ў дзеянне спецыяльны свісток.
Старадаўні двухвосевы грузавы вагон з тармазной пляцоўкай. Бачны варотак ручнога тормазу
Сам па сабе тормаз з механічным прывадам валодае малой магутнасцю. Велічыня тармазнога націску залежала ад сілы і спрыту кандуктара. Да таго ж у працу такой тармазной сістэмы ўмешваўся чалавечы фактар - кандуктары не заўсёды дакладна выконвалі свае абавязкі. Аб высокай эфектыўнасці такіх тармазоў, а таксама аб павелічэнні хуткасці руху цягнікоў, абсталяваных імі гаварыць не даводзілася.
Далейшае развіццё тармазоў патрабавала, па-першае, павелічэнні тармазнога націску, і па-другое забеспячэнні магчымасці дыстанцыйнага кіравання ім на ўсіх вагонах з працоўнага месца машыніста.
Гідраўлічны прывад, які ўжываецца ў аўтамабільных тормазах, атрымаў шырокі распаўсюд за кошт таго, што забяспечвае высокі націск пры кампактнасці выканаўчых прылад. Аднак, пры прымяненні такой сістэмы ў поездзе праявяцца яе асноўны недахоп: неабходнасць у спецыяльным рабочым целе — тармазной вадкасці, уцечка якой недапушчальная. Вялікая працягласць тармазных гідраўлічных ліній у цягніку, разам з высокімі патрабаваннямі да іх герметычнасці робяць немагчымым і нерацыянальным стварэнне гідраўлічнага чыгуначнага тормазу.
Іншая справа – пнеўматычны прывад. Выкарыстанне паветра высокага ціску дазваляе атрымаць высокія тармазныя націскі пры прымальных габарытах выканаўчых прылад - тармазных цыліндраў. Няма недахопу ў працоўным целе - паветра вакол нас, і нават калі ўзнікае ўцечка працоўнага цела з тармазной сістэмы (а яна абавязкова ўзнікае) яе адносна лёгка можна папоўніць.
Найпростай сістэмай тормазу, які выкарыстоўвае энергію сціснутага паветра з'яўляецца прамадзейны неаўтаматычны тормаз
Схема прамадзейнага неаўтаматычнага тормазу: 1 - кампрэсар; 2 - галоўны рэзервуар; 3 - пажыўная магістраль; 4 - цягніковы кран машыніста; 5 - тармазная магістраль; 6 - тармазны цыліндр; 7 - адпускная спружына; 8, 9 - механічная тармазная перадача; 10 - тармазная калодка.
Для працы такога тормазу неабходны запас сціснутага паветра, які захоўваецца на лакаматыве ў спецыяльным рэзервуары, званым. галоўным рэзервуарам (2). Нагнятанне паветра ў галоўны рэзервуар і падтрыманне ў ім сталага ціску выконваецца кампрэсарам (1), прыводным у дзеянне ад энергетычнай усталёўкі лакаматыва. Падачу сціснутага паветра да прыбораў кіравання тормазамі выконваюць па спецыяльным трубаправодзе, званым. пажыўнай (ПМ) або напорнай магістраллю (3).
Кіраванне тормазамі вагонаў і падача ў іх сціснутага паветра вырабляецца пасродкам доўгага трубаправода, які ідзе праз увесь цягнік і званага. тармазной магістраллю (ТМ) (5). Пры падачы сціснутага паветра па ТМ ён напаўняе тармазныя цыліндры (ГЦ) (6) падлучаныя непасрэдна да ТМ. Сціснутае паветра душыць на поршань, прыціскаючы тармазныя калодкі 10 да колаў, як на лакаматыве, так і на вагонах. Адбываецца тармажэнне.
Для спынення тармажэння, гэта значыць водпуску тармазоў, неабходна выпусціць паветра з тармазной магістралі ў атмасферу, што прывядзе да вяртання тармазных механізмаў у зыходнае становішча за кошт намаганні адпускных спружын, устаноўленых у ГЦ.
Для тармажэння неабходна злучыць тармазную магістраль (ТМ) з пажыўнай (ПМ). Для адпачынку - злучыць тармазную магістраль з атмасферай. Гэтыя функцыі выконвае спецыяльны прыбор. цягніковы кран машыніста (4) - пры тармажэнні ён злучае ПМ і ТМ, пры адпачынку - раз'ядноўвае гэтыя трубаправоды, адначасова выпускаючы паветра з ТМ у атмасферу.
У такой сістэме існуе і трэцяе, прамежкавае становішча крана машыніста. перакрыша калі ПМ і ТМ раз'яднаныя, але і выпуск паветра з ТМ у атмасферу не адбываецца - кран машыніста цалкам ізалюе яе. Набранае ў ТМ і ГЦ ціск захоўваецца і час яго падтрымання на ўсталяваным узроўні вызначаецца велічынёй уцечак паветра праз розныя няшчыльнасці, а гэтак жа тэрмічнай устойлівасцю тармазных калодак, якія награваюцца пры трэнні аб бандажы колаў. Пастаноўка ў перакрыш як пры тармажэнні так і пры адпачынку дазваляе рэгуляваць тармазны высілак прыступкамі. Такі тормаз забяспечвае як ступеністае тармажэнне, так і ступеністы водпуск.
Пры ўсёй прастаце такой сістэмы тормазы ў яе маецца фатальны недахоп пры расчапленні цягніка адбываецца парыў тармазной магістралі, паветра з яе выходзіць і цягнік застаецца без тармазоў. Менавіта па гэтай прычыне такі тормаз не можа быць ужыты на чыгуначным транспарце, занадта вялікі кошт яго адмовы. Нават без разрыву цягніка, пры наяўнасці буйной уцечкі паветра эфектыўнасць тормазу будзе зніжана.
Зыходзячы з вышэйсказанага ўзнікае патрабаванне, каб тармажэнне цягніка ініцыявалася не ўзрастаннем, а паніжэннем ціску ў ТМ. Але як тады напоўніць тармазныя цыліндры? Гэта дае другое патрабаванне - на кожнай рухомай адзінцы ў цягніку павінен захоўваецца запас сціснутага паветра, якія неабходна аператыўна папаўняць пасля кожнага тармажэння.
Да падобных высноў прыйшла інжынерная думка канца XIX стагоддзі, што выявілася ў стварэнні Джорджам Вестынгаўзам у 1872 году першага аўтаматычнага чыгуначнага тормазу.
Прылада тормазу Вестынгаўза: 1 - кампрэсар; 2 - галоўны рэзервуар; 3 - пажыўная магістраль; 4 - цягніковы кран машыніста; 5 - тармазная магістраль; 6 - паветраразмеркавальнік (трайны клапан) сістэмы Вестынгаўза; 7 - тармазны цыліндр; 8 - запасны рэзервуар; 9 - стоп-кран.
На рысунку паказана ўстройства гэтага тормазу (малюнак а — работа тормазу пры водпуску; б — работа тормазу пры тармажэнні). Галоўным элементам тормазу Вестыгаўза стаў тармазны паветраразмеркавальнік ці, як яго яшчэ часам завуць, трайны клапан. Гэты паветраразмеркавальнік (6) мае адчувальны орган - поршань, які працуе на рознасці двух ціскаў - ва ў тармазной магістралі (ТМ) і запасным рэзервуары (ЗР). Калі ціск у ТМ становіцца менш чым у ЗР, то поршань ссоўваецца налева, адчыняючы шлях паветра з ЗР у ГЦ. Калі ціск у ТМ становіцца больш ціску ў ЗР - поршань ссоўваецца направа, паведамляючы ГЦ з атмасферай, і адначасова паведамляючы ТМ і ЗР, забяспечваючы напаўненне апошняга сціснутым паветрам з ТМ.
Такім чынам, пры зніжэнні ціску ў ТМ па любой прычыне, няхай гэта будзе дзеянні машыніста, празмерная ўцечка паветра з ТМ або разрыў цягніка - тормазы спрацуюць. Гэта значыць такія тормазы валодаюць аўтаматычнасцю дзеяння. Гэтая ўласцівасць тормазу дазволіла дадаць яшчэ адну магчымасць па кіраванні тормазамі цягніка, якая выкарыстоўваецца на пасажырскіх цягніках і дагэтуль — экстраны прыпынак цягніка пасажырам, шляхам паведамлення тармазной магістралі з атмасферай праз адмысловы клапан. стоп-кран (9).
Тым да таго знаёмы з гэтай асаблівасцю тармазной сістэмы цягніка смешна глядзець фільмы, дзе злодзеі-каўбоі ліха адчапляюць ад цягніка вагон з золатам. Для таго, каб падобнае можна было ажыццявіць, каўбоі павінны, перад адчэпкай, перакрыць канцавыя краны на тармазной магістралі, якія раз'ядноўваюць тармазную магістраль ад злучальных рукавоў паміж вагонамі. Але яны ніколі не робяць гэтага. З іншага боку, перакрытыя канцавыя краны не раз паслужылі прычынай страшных катастроф, звязаных з адмовай тормазу, як у нас (Каменск у 1987 годзе, Ерал-Сімская ў 2011), так і за мяжой.
З-за таго, што напаўненне тармазных цыліндраў адбываецца ад другаснай крыніцы сціснутага паветра (запаснога рэзервуара), без магчымасці яго сталага папаўнення, такі тормаз завецца непрамадзейным. Зарадка ЗР сціснутым паветрам адбываецца толькі пры адпачынку тормазу, што прыводзіць да таго, што пры частых тармажэннях з наступным водпускам, пры недастатковай вытрымцы часу пасля адпачынку, ЗР не паспеюць зарадзіцца да патрэбнага ціску. Гэта можа прывесці да поўнага знясілення тормазу і страты кіравання тормазамі цягніка.
Пнеўматычны тормаз валодае і іншым недахопам, звязаным з тым, што падзенне ціску ў тармазной магістралі, як і любое абурэнне, у паветраным асяроддзі распаўсюджваецца з вялікай, але ўсё ж канчатковай хуткасцю - не больш за 340 м/с. Чаму не больш? Таму што хуткасць гуку - гэта ідэальны варыянт. Але ў пнеўмасістэме цягніка існуе шэраг перашкод, якія зніжаюць хуткасць распаўсюджвання скачка зніжэння ціску, звязаных з супрацівам плыні паветра. Таму, калі не прымаць спецыяльных мер, хуткасць зніжэння ціску ў ТМ будзе тым ніжэйшай, чым далей ад лакаматыва знаходзіцца вагон. У выпадку з тормазам Вестынгаўза хуткасць так званай тармазной хвалі не перавышае 180 - 200 м / с.
Тым не менш, з'яўленне пнеўматычнага тормазу дазволіла падвысіць як магутнасць тармазоў, так і аператыўнасць кіравання імі непасрэдна з працоўнага месца машыніста. росту працягласці чыгуначных ліній ва ўсім свеце.
Джордж Вэстынгаўз быў не толькі вынаходнікам, але і прадпрымальным дзялком. Сваё вынаходства ён запатэнтаваў яшчэ 1869 году, што дазволіла яму разгарнуць масавую вытворчасць тармазнога абсталявання. Даволі хутка тормаз Вестынгаўза атрымаў шырокае распаўсюджванне ў ЗША, Заходняй Еўропе і ў Расійскай Імперыі.
У Расіі тормаз Вестынгаўза непадзельна панаваў да Кастрычніцкай рэвалюцыі, ды і даволі доўгі час пасля яе. Фірма "Вестынгаўз" пабудавала ў Пецярбургу свой тармазны завод, а гэтак жа ўмела выцесніла з расійскага рынку канкурэнтаў. Аднак, тормаз Вестынгаўза валодаў побач прынцыповых недахопаў.
Па-першае, гэты тормаз забяспечваў толькі два рэжымы працы: тармажэнне да поўнага напаўнення тармазных цыліндраў, і адпачынак - апаражненне тармазных цыліндраў. Стварыць прамежкавую велічыню тармазнога націску з яго працяглым падтрыманнем было немагчыма, гэта значыць у тормазе Весцінгаўза адсутнічаў рэжым перакрышы. Гэта не дазваляла рэалізаваць дакладнае кіраванне хуткасцю цягніка.
Па-другое, тормаз Вестынгаўза дрэнна працаваў у доўгіх цягніках, і калі ў пасажырскім руху з гэтым можна было неяк мірыцца, то ў грузавым узнікалі праблемы. Памятаеце аб тармазной хвалі? Дык вось, тормаз Весцінгаўза не валодаў сродкамі павелічэння яе хуткасці, і ў доўгім цягніку зніжэнне ціску ў ТМ на апошнім вагоне магло пачацца занадта позна, ды і тэмпам, істотна ніжэй, чым у галаве цягніка, што стварала дзікую нераўнамернасць спрацоўвання тармазных прыбораў па складзе.
Трэба сказаць, што ўся дзейнасць фірмы "Вестынгаўз", як у Расіі таго часу, так і ва ўсім свеце наскрозь прасякнута капіталістычным душком патэнтных войн і нядобрасумленнай канкурэнцыі. Гэта і забяспечыла такой недасканалай сістэме такое доўгае жыццё, прынамсі ў той гістарычны перыяд.
Пры гэтым варта прызнаць – тормаз Вестингауза заклаў асновы тармазной навукі і прынцып яго дзеяння застаўся сталым у сучасных тормазах рухомага складу.
2. Ад тормазу Вестынгаўза да тормазу Матросава - станаўленне айчыннай тармазной навукі.
Практычна адразу пасля з'яўлення тормазу Вестынгаўза і ўсведамлення яго недахопаў паўсталі спробы ўдасканалення гэтай сістэмы, або стварэння іншай, прынцыпова новай. Нашая краіна не з'яўлялася выключэннем. На пачатак XX стагоддзі Расея валодала развітой сеткай чыгунак, якія гулялі значную ролю ў забеспячэнні эканамічнага развіцця і абараназдольнасці краіны. Павышэнне эфектыўнасці транспарту звязана з павелічэннем хуткасці яго руху і масы груза, які адначасова перавозіўся, а значыць востра ўзнімаліся пытанні ўдасканалення тармазных сістэм.
Істотным штуршком да развіцця тармазной навукі ў РСФСР а пазней СССР паслужыла зніжэнне ўплыў буйнога заходняга капіталу, у прыватнасці фірмы "Вестынгаўз", на развіццё айчыннай чыгуначнай галіны пасля кастрычніка 1917 года.
Ф.П. Казанцаў (злева) і І.К. Матросаў (справа) - стваральнікі айчыннага чыгуначнага тормазу
Першай ластаўкай, першым сур'ёзным дасягненнем маладой айчыннай тармазной навукі, сталі распрацоўкі інжынера Фларэнція Піменавіча Казанцава. У 1921 годзе Казанцаў прапанаваў сістэму прамадзейнага аўтаматычнага тормазу. Прыведзеная ніжэй схема апісвае ўсе асноўныя ідэі, прыўнесеныя не толькі Казанцавым, і яе задача - растлумачыць асноўныя прынцыпы працы ўдасканаленага аўтаматычнага тормазу.
Прамадзейны аўтаматычны тормаз: 1 - кампрэсар; 2 - галоўны рэзервуар; 3 - пажыўная магістраль; 4 - цягніковы кран машыніста; 5 - прылада харчавання ўцечак тармазной магістралі; 6 - тармазная магістраль; 7 - злучальныя тармазныя рукавы; 8 - канцавы кран; 9 - стоп-кран; 10 - зваротны клапан; 11 - запасны рэзервуар; 12 - паветраразмеркавальнік; 13 - тармазны цыліндр; 14 - тармазная рычажная перадача.
Такім чынам, першай асноўнай ідэяй з'яўляецца тое, што кіраванне ціскам у ТМ ажыццяўляецца апасродкавана - праз зніжэнне / павышэнне ціску ў спецыяльным рэзервуары, званым ураўняльным рэзервуарам (УР). Ён паказаны на малюнку справа ад крана машыніста (4) і зверху ад прылады сілкавання ўцечак з ТМ (5). Шчыльнасць гэтага рэзервуара забяспечыць тэхнічна значна лягчэй чым шчыльнасць тармазной магістралі трубы даўжынёй якая дасягае кіламетровых парадкаў і ідучай праз увесь цягнік. Адносная стабільнасць ціску ў УР дазваляе падтрымліваць ціск у ТМ, выкарыстоўваючы ціск у УР як задае. І праўда, поршань у прыладзе (5) пры зніжэнні ціску ў ТМ апускаецца ўніз, адчыняючы клапан, які напаўняе ТМ з пажыўнай магістралі, тым самым падтрымліваючы ў ТМ ціск, роўнае ціску ў УР. Гэтая ідэя мела быць яшчэ доўгі шлях развіцця, але цяпер ціск у ТМ не залежаў ад наяўнасці знешніх уцечак з яе (да вядомых межаў). Прылада 5 перавандравала ў кран машыніста і застаецца ў ім, у мадыфікаваным выглядзе, і дагэтуль.
Іншы важнай ідэяй, ляжалай у аснове канструкцыі дадзенага тыпу тормазу, з'яўляецца сілкаванне ЗР ад ТМ праз зваротны клапан 10. Пры перавышэнні ціску ў ТМ над ціскам у ЗР гэты клапан адчыняецца, напаўняючы ЗР з ТМ. Такім чынам адбываецца бесперапыннае папаўненне ўцечак з запаснога рэзервуара і забяспечваецца невычарпальнасць тормазы.
Трэцяй важнай ідэяй, прапанаванай Казанцавым, з'яўляецца канструкцыя паветраразмеркавальніка, які працуе на рознасці не двух ціскаў, а трох - ціску ў тармазной магістралі, ціску ў тармазным цыліндры, і ціску ў спецыяльнай працоўнай камеры (РК), якая пры адпачынку сілкуецца ціскам ад тармазной магістралі , разам з запасным рэзервуарам. У рэжыме тармажэння РК раз'ядноўваецца з запасным рэзервуарам і тармазной магістраллю, захоўваючы велічыню першапачатковага зараднага ціску. Гэтая ўласцівасць шырока выкарыстоўваецца ў тормазах рухомага складу як для забеспячэння ступеністага адпачынку, так і для кіравання раўнамернасцю напаўнення ГЦ уздоўж цягнікі ў грузавых складах, бо працоўная камера служыць эталонам першапачатковага зараднага ціску. Зыходзячы з яго велічыні можна забяспечыць і ступеністы водпуск і арганізаваць больш ранняе напаўненне ГЦ у хваставых вагонах. Падрабязнае апісанне гэтых рэчаў пакіну для іншых артыкулаў па гэтай тэме, пакуль толькі скажу, што працы Казанцава паслужылі стымулам для развіцця ў нашай краіне навуковай школы, якая прывяла да распрацоўкі арыгінальных сістэм тормазы рухомага складу.
Іншым савецкім вынаходнікам, які кардынальна паўплываў на развіццё айчынных тармазоў рухомага складу стаў Іван Канстанцінавіч Матросаў. Яго ідэі, прынцыпова не адрозніваліся ад ідэй Казанцава, аднак якія рушылі пазней эксплуатацыйныя выпрабаванні сістэм тармазоў Казанцава і Матросава (разам з іншымі сістэмамі тормазу) паказалі істотную перавагу другой сістэмы ў частцы эксплуатацыйных характарыстык пры ўжыванні, перш за ўсё, на грузавых цягніках. Такім чынам тормаз Матросава з паветраразмеркавальнікам усл. № 320 стаў асновай для далейшай распрацоўкі і праектавання тармазнога абсталявання чыгунак каляіны 1520 міліметраў. Сучасны аўтаматычны тормаз, які выкарыстоўваецца ў Расіі і краінах СНД, па праве можа насіць імя тормазу Матросава, бо ўвабраў, на пачатковым этапе свайго развіцця, ідэі і канструктарскія рашэнні Івана Канстанцінавіча.
замест заключэння
А якое заключэнне? Праца над гэтым артыкулам пераканала мяне ў тым, што тэма вартая цыклу артыкулаў. У гэтым, пілотным артыкуле, мы закранулі гісторыю развіцця тармазоў рухомага складу. У наступных сыдзем у пікантныя падрабязнасці, закрануўшы не толькі айчынны тормаз, але і распрацоўкі калег з Заходняй Еўропы, асвятліўшы прыладу тармазоў розных тыпаў і роды службы рухомага складу. Так што, я спадзяюся, тэма будзе цікавай, і да новых сустрэч на хабры!
Дзякуй за вашу ўвагу!
Крыніца: habr.com