Виждам, че , историческата част на моя разказ на публиката се хареса, затова не е грях и да продължим.
Високоскоростните влакове, като TGV, вече не разчитат на пневматични спирачки
Днес ще говорим за съвременността, а именно какви подходи за създаване на спирачни системи за подвижен състав се използват в XXI век, буквално месец след като навършим трийсет.
1. Класификация на спирачките на подвижния състав
Според физическия принцип на създаване на спирачно усилие, всички железопътни спирачки могат да се разделят на два основни типа: фрикционни, използващи сила на триене, и динамични, използващи тягово задвижване за създаване на спирачен момент.
К фрикционните спирачки принадлежат накладъчни спирачки от всякакви конструкции, включително дискови, а също така магниторелсовата спирачка, която се прилага в високоскоростния магистралния транспорт, основно в Западна Европа. На колея 1520 този тип спирачка беше използвана изключително на електрическия влак ER200. Що се отнася до „Сапсан“, РЖД се отказаха от използването на магниторелсовата спирачка на него, въпреки че прототипът на този електрически влак, немският ICE3, е снабден с такава спирачка.
Шаси на влака ICE3 с магниторелсова спирачка
Шаси на влака „Сапсан“
К динамичните, а по-точно електродинамични спирачки принадлежат всички спирачки, чието действие се основава на превключването на тяговите електродвигатели в генераторен режим (рекуперативна и реостатна спирачка), а също и спиране чрез контрапривключване
С рециркулиращи и реостатни спирачки всичко е сравнително ясно — двигателите се превключват в генераторен режим по един или друг начин, а в случая на рециркулацията отдават енергия в контактната мрежа, докато при реостата, произведената енергия се изразходва на специални резистори. И двата вида спирачки се използват както при влакове с локомотивно задвижване, така и при мотрисен подвижен състав, където електродинамичната спирачка е основната работна спирачка, поради голямото количество тягова електрически мотори, разпределени из целия влак. Единственият недостатък на електродинамичното спиране (ЕДС) е, че не може да спре напълно. При намалена ефективност на ЕДС се извършва автоматичното му заместване с пневматична фрикционна спирачка.
Що се отнася до спирането с обратно включване, то то осигурява спиране до пълно спиране, тъй като се състои в реверсиране на тягова двигателя по време на движение. Въпреки това, този режим в повечето случаи е аварийно — нормалното му използване е съпроводено с риск от повреда на тягова система. Например, при колекторния двигател, при промяна на полярността на напрежението, подадено на него, обратно ЕДС, възникваща в въртящия се двигател, не се изважда от захранващото напрежение, а се добавя към него — колелата продължават да се въртят в същата посока, както при тягова работа! Това води до лавинообразно нарастване на тока и най-доброто, което може да се случи, е задействането на електрическите защитни устройства.
По тази причина на локомотивите и електропоездите се предприемат всички мерки да се предотврати реверсирането на двигателите по време на движение. Реверсивната ръкохватка се блокира механично, когато контролера на машиниста е в позициите за движение. А на същите «Сапсани» и «Ласточки» завъртането на реверсивния превключвател при скорост над 5 км/ч ще доведе до незабавно спешно спиране.
Въпреки това, някои местни локомотиви, например електровоз ВЛ65, използват реверсивно спиране като стандартен режим при ниски скорости на движение.
Реверсивното спиране е стандартен режим, осигуряван от системата за управление на електровоз ВЛ65.
Трябва да се каже, че въпреки високата ефективност на електродинамичното спиране, всеки влак, подчертавам — винаги е оборудван с пневматични спирачки с автоматично действие, т.е. сработващи за сметка на освобождаването на въздух от спирачната магистрала. Как в Русия, така и в целия свят, старите добри колодкови фрикционни спирачки стоят на стража на безопасността на движението.
Според функционалното назначение фрикционните спирачки се подразделят на
- Паркинг, ръчни или автоматични
- Влакови — пневматични (ПТ) или електропневматични (ЕПТ) спирачки, които се инсталират на всяка единица подвижен състав във влака и се управляват централизирано от кабината на машината.
- Локомотивни — пневматични пряко действащи спирачки, предназначени за спиране на локомотива, без да спират състава. Те се управляват отделно от влаковите спирачки.
2. Паркингова спирачка
Ръчната спирачка с механично задвижване не е изчезнала от подвижния състав; тя се инсталира както на локомотиви, така и на вагони — просто е сменила специалността си, а именно е станала паркингова спирачка, позволяваща да се изключи самораздвижването на подвижния състав в случай на загуба на въздух от неговата пневмосистема. Червеното колело, приличащо на корабен кормил, е задвижването на ръчната спирачка, един от вариантите на нейното изпълнение.
Кормилото на ръчната паркингова спирачка в кабината на електровоза ВЛ60пк
Ръчната спирачка в тамбура на пътническия вагон
Ръчната спирачка на съвременен товарен вагон
Ръчната спирачка с механично задвижване прилага същите колодки, които се използват при обичайното спиране, към колелата.
На съвременния подвижен състав, в частност на електровлакове ЕВС1/ЕВС2 „Сапсан“, ЕС1 „Ласточка“, а също и на електровоза ЕП20, паркинговата спирачка е автоматична и притискането на колодките към спирачния диск там се извършва с пружинни енергийни акумулатори.. Част от механизма, който притиска накладките към спирачните дискове, е снабдена с мощни пружини, които са толкова силни, че освобождаването се извършва от пневматичен привод с налягане 0,5 МПа. Пневмоприводът в този случай противодейства на пружините, които притискат накладките. Управлението на този паркинг спирачка се осъществява чрез бутони на пулта на машиниста.
Бутони за управление на парковата пружинна спирачка (ППС) на електропоезд ЕС1 «Ласточка»
По същество, този тип спирачка е аналогична на тази, която се прилага при мощни товарни камиони. Но като основна спирачка в влакове такава система е напълно неподходяща, а защо, ще обясня подробно след разказа за работата на влаковите пневматични спирачки.
3. Пневматични спирачки от товарен тип
Всеки товарен вагон е оборудван със следния комплект спирачно оборудване
Спирачно оборудване на товарния вагон: 1 — спирачен свързващ маркуч; 2 — крайна спирателна клапа; 3 — стоп-клапан; 5 — прахоулавящо устройство; 6, 7, 9 — модули на въздушния разпределител усл. №483; 8 — разединителна клапа; ВР — въздушен разпределител; ТМ — спирачна магистрала; ЗР — запасен резервоар; ТЦ — спирачен цилиндър; АР — товарен автопреход
Спирачна магистрала (ТМ) — тръба с диаметър 1,25”, която минава по цялата дължина на вагона, на краищата е снабдена с крайни клапи, за разединяване на спирачната магистрала при отделяне на вагона преди разединяването на гъвкавите свързващи маркучи. В спирачната магистрала в нормален режим се поддържа така нареченото зарядно налягане от 0,50 — 0,54 МПа, така че отделянето на маркучи без затваряне на крайните клапи е съмнителна работа, която в прякия смисъл на думата може да ви лиши от главата.
Запасът от въздух, непосредствено подаван в спирачните цилиндри, се съхранява в запасния резервоар (ЗР), чийто обем в повечето случаи е равен на 78 литра. Налягането в резервната цистерна е точно равно на налягането в спирачната магистрала. Но не, това не е 0,50 — 0,54 MPa. Става дума за това, че такова налягане ще бъде в спирачната магистрала на локомотива. И колкото по-далеч е от локомотива, толкова по-ниско е налягането в спирачната магистрала, защото в нея неизбежно има уплътнения, водещи до изтичане на въздух. Така че налягането в спирачната магистрала на последния вагон в влака ще бъде малко по-ниско от зарядното.
Спирачен цилиндър, а в повечето вагони той е един, при запълване от резервната цистерна, чрез спирачната лостова предавка притиска към колелата всички налични на вагона накладки. Обемът на спирачния цилиндър е около 8 литра, така че при пълно спиране в него се установява налягане не по-високо от 0,4 MPa. До същата величина намалява налягането и в резервната цистерна.
Главният "действителен участник" в тази система е въздухораспределител. Този прибор реагира на промяна в налягането в спирачната магистрала, извършвайки съответната операция в зависимост от посоката и темпото на промяна на това налягане.
При намаляване на налягането в спирачната магистрала настъпва спиране. Но не при всяко намаление на налягането — намалението на налягането трябва да става с определено темпо, наречено темпо на служебно спиране. Това темпо се осигурява от кранчето на машиниста в кабината на локомотива и е от 0,01 до 0,04 MPa в секунда. При намаляване на налягане с по-ниско темпо спирането не настъпва. Направено е това, за да не сработват спирачките при нормативни изтичания от спирачната магистрала, както и да не сработват при ликвидиране на свръхналягането, за което ще говорим по-късно.
При сработване на въздухораспределителя за спиране, той извършва допълнително разтоварване на спирачната магистрала със служебното темпо с величина 0,05 MPa. Това се прави, за да се осигури устойчиво намаляване на налягането по цялата дължина на влака. Ако не се извърши допълнително разтоварване, то последните вагони на дълъг влак може и да не спрат изобщо. Допълнителното разтоварване на спирачната магистрала се извършва от всичко съвременни въздухораспределители, включително и пътнически.
При задействване на спирачките, въздушният разпределител прекъсва връзката между резервуара и спирачната магистрала и я свързва със спирачния цилиндър. Процесът на напълване на спирачния цилиндър продължава точно толкова време, колкото е необходимо за спад на налягането в спирачната магистрала. Когато спадът на налягането в спирачната магистрала спре, и напълването на спирачния цилиндър също спира. Настъпва режим на прекъсването. Налягата, натрупано в спирачния цилиндър, зависи от два фактора:
- дълбочината на разреждане на спирачната магистрала, тоест величината на спада на налягането в нея относно зареждащия
- режим на работа на въздушния разпределител.
Грузовият въздушен разпределител има три режима на работа: натоварен (Н), среден (С) и празен (П). Тези режими се различават по максималното налягане, което се натрупва в спирачните цилиндри. Превключването между режимите се извършва ръчно чрез завъртане на специален ръкохватка за режимите.
В обобщение, зависимостта на налягането в спирачния цилиндър от дълбочината на разреждане на спирачната магистрала при 483-въздушен разпределител в различни режими изглежда така:
Недостатък на използването на режимния превключвател е, че работникът на вагоносъобщението трябва да премине по целия състав, да се качи под всеки вагон и да превключи режимния превключвател в необходимото положение. Според слуховете, идващи от експлоатацията, това не се прави винаги. Прекомерното напълване на спирачните цилиндри на празен вагон е свързано с блокиране, намаляване на ефективността на спирането и повреждане на колесните двойки. За да се излезе от подобна ситуация, на товарни вагони между въздушния разпределител и спирачния цилиндър се включва така нареченият автоматичен режим (АР), който механично определя масата на вагона и плавно регулира максималното налягане в спирачния цилиндър. Ако вагонът е оборудван с автоматичен режим, режимният превключвател на ВР се установява в положение „натоварен“.
Спирането обикновено се извършва стъпка по стъпка. Минималната стъпка на разреждане на спирачната магистрала за ВР483 ще бъде 0,06 — 0,08 МРа. При това в спирачните цилиндри се установява налягане от 0,1 МРа. В този момент машинистът поставя крана в положение на затваряне, при което в спирачната магистрала се запазва налягането, установено след спиране. Ако спирачната ефективност от една стъпка е недостатъчна, се извършва следващата стъпка. При това разпределителят на въздуха вече не се интересува с каква скорост се извършва разреждането — при намаляване на налягането с каквато и да е скорост, се извършва запълване на спирачните цилиндри пропорционално на степента на намаление на налягането.
Пълното отпускане на спирачките (пълно изпразване на спирачните цилиндри на целия влак) се извършва чрез увеличаване на налягането в спирачната магистрала над зарядното. Освен това, при товарни влакове се извършва значително завишаване на налягането в ТМ над зарядното, за да се осигури, че вълната на увеличаване на налягането достигне и до последните вагони. Пълното отпускане на спирачките в товарен влак е дълъг процес и може да отнеме до минута.
ВР483 има два режима на отпускане: равнинен и планински. В равнинния режим при увеличаване на налягането в спирачната магистрала се извършва пълно, безстъпково отпускане. В планинския режим е възможно стъпковото отпускане на спирачките, което не представлява пълно изпразване на спирачните цилиндри. Този режим се използва при движение по сложен терен с големи наклони.
Въздухораспределителят 483 е наистина много интересен уред. Подробното разглеждане на неговата конструкция и работа е тема за отделна голяма статия. Тук разгледахме общите принципи на работа на товарната спирачка.
3. Пневматични спирачки тип за пътници
Спирално оборудване на пасажирски вагон: 1 — свързващ маркуч; 2 — крайна спирачка; 3, 5 — свързващи кутии на линията на електропневматични спирачки; 4 — стоп-кран; 6 — тръба с окабеляване на електропневматичната спирачка; 7 — изолирано окачване на свързващия маркуч; 8 — прахоуловител; 9 — отклонение към въздушния разпределител; 10 — разделителен кран; 11 — работна камера на електровъздушния разпределител; ТМ — спирачна магистрала; ВР — въздушен разпределител; ЕВР — електровъздушен разпределител; ТЦ — спирачен цилиндър; ЗР — резервен резервоар
В очите веднага улавя повече оборудване, започвайки от това, че тук има три стоп-крана (по един във всеки тамбур и един в купето на проводника), завършвайки с факта, че отечествените пасажирски вагони са оборудвани както с пневматични, така и с електропневматични спирачки (ЕПТ).
Внимателният читател веднага ще забележи основния недостатък на пневматичното управление на спирачките — крайна скорост на разпространение на спирачната вълна, ограничена отгоре със скоростта на звука. На практика обаче тази скорост е по-ниска и е 280 м/с при служебно, и 300 м/с при извънредно спиране. Освен това тази скорост зависи силно от температурата на въздуха и през зимата, например, тя е по-ниска. Затова вечният спътник на пневматичните спирачки — неравномерността на тяхното сработване в зависимост от състава.
Неравномерността на сработването води до две неща — възникването на значителни надлъжни реакции в влака, а също и увеличаване на спирачния път. Първото не е толкова характерно за пътническите влакове, макар да не радва никого, когато рязаните на масата в купето с чай и други напитки скачат. Увеличението на спирачния път представлява сериозен проблем, особено в пътническото движение.
В допълнение, нашият местен пътнически въздушен разпределител – както старият тип №292, така и новият тип №242 (които, между другото, в парка на пътническите вагони стават все повече) – и двете устройства са пряко наследство на триплекс клапана на Уестингаус и работят на разлика между две налягания – в спирачната магистрала и в резервния резервоар. От триплекс клапаните ги отличава наличието на режим на затваряне, което означава възможност за стъпкови спирания; наличието на допълнително разреждане на спирачната магистрала при спиране; наличието на конструктивен ускорител за спешно спиране. Тези въздушни разпределители не осигуряват стъпково освобождаване – те предоставят веднага пълно освобождаване, щом налягането в спирачната магистрала надвиши налягането в запасния резервоар, установило се там след спирането. А стъпковото освобождаване е много полезно при регулиращи спирания за точна спирачка на платформата за качване.
И двете проблеми – неравномерност на задействането на спирачките и липса на стъпково освобождаване, на метража 1520 мм, се решават чрез инсталиране на вагони с въздушен разпределител с електрическо управление – електровъздушен разпределител (ЕВР), тип №305.
Нашият местен ЕПТ – електропневматичната спирачка – е директен, неавтоматичен механизъм. На пътническите влакове с локомотивно теглене ЕПТ работи по двужичен схема.
Структурна схема на двужичния ЕПТ: 1 – контролер за управление на крана на машиниста; 2 – акумулаторна батерия; 3 – статичен преобразувател на захранването; 4 – панел с контролни лампи; 5 – блок за управление; 6 – клемна кутия; 7 – свързващи глави на маркучите; 8 – изолирано окачване; 9 – полупроводников вентил; 10 – вентил за електромагнитно освобождаване; 11 – спирачен електромагнитен вентил.
През целия влак преминават два проводника: №1 и №2 на изображението. На последния вагон тези проводници са електрически свързани помежду си и по получената линия пускаме променлив ток с честота 625 Hz. Това се прави за контрол на целостта на управлението на ЕПТ. При скъсване на проводника веригата на променливия ток се прекъсва и машиністът получава сигнал под формата на изгасване на контролна лампа "О" (освобождаване) в кабината.
Управлението се извършва с постоянен ток с различна полярност. При това проводът с нулево потенциал е релсата. Когато на проводника на ЕПТ се подаде положително (относително към релсите) напрежение, се активират и двете електромагнитни вентили, разположени в електровъздушния разпределител: отпускният (ОВ) и спирачният (ТВ). Първият от тях изолира работната камера (РК) на електровъздушния разпределител от атмосферата, а вторият я напълва от резервния резервоар. След това влиза в действие реленето налягане, поставено в ЕВР, което работи на основата на разликата в налягането между работната камера и спирачния цилиндър. При превишаване на налягането в РК над налягането в ТЦ, последният се напълва с въздух от резервния резервоар до налягането, което е било натрупано в работната камера.
Когато на проводника се подаде отрицателен потенциал, спирачният вентил се изключва, тъй като токът към него се прекъсва от диода. Активен остава само отпускният вентил, който поддържа налягането в работната камера. Така се реализира положението на прехода.
При сваляне на напрежението, отпускният вентил губи захранване и отваря работната камера към атмосферата. При спадане на налягането в работната камера реленето налягане освобождава въздуха и от спирачните цилиндри. Ако след краткотрайно освобождаване отново се постави крана на машината в положение на прехода, падането на налягането в работната камера ще спре и освобождаването на въздуха от спирачния цилиндър. Така се постига възможност за стъпково освобождаване на спирачките.
Какво ще се случи при прекъсване на проводника? Правилно — ЕПТ ще се освободи. Следователно тази спирачка (на отечествения подвижен състав) не е автоматична. При повреда на ЕПТ, машинистът има възможност да премине на пневматично управление на спирачките.
EPT се отличава с едновременно запълване на спирачните цилиндри и тяхното изпразване по целия влак. Темпът на запълване и изпразване е сравнително висок — 0,1 MPa в секунда. EPT е неизчерпаема спирачка, тъй като при неговата работа обикновеното въздушно разпределение е в режим на отпуск и захранва резервните резервоари от спирачната магистрала, която от своя страна се захранва от крана на машиниста на локомотива от главните резервоари. Следователно EPT може да спира с всяка необходима честота за оперативно управление на спирачките. Възможността за стъпков отпуск позволява да се управлява скоростта на влака много точно и плавно.
Пневматичното управление на спирачките на пътническия влак не се различава много от товарната спирачка. Има разлика в методите на управление, например отпускането на пневматичната спирачка се извършва до зарядното налягане, без да се завишава. Изобщо прекомерните завишения на налягането в спирачната магистрала на пътническия влак крият неприятности, затова при пълен отпуск EPT налягането в ТМ се завишава максимум на 0,02 MPa над стойността на установеното зарядно налягане.
Минималната дълбочина на разрядка на ТМ при спиране на пътническата спирачка е 0,04 — 0,05 MPa, като в спирачните цилиндри се създава налягане от 0,1 — 0,15 MPa. Максималното налягане в спирачния цилиндър на пътническия вагон е ограничено от обема на резервния резервоар и обикновено не надвишава 0,4 MPa.
Заключение
Сега искам да се обърна към някои коментатори, които са учудени (а според мен даже и възмутени, но не мога да твърдя) от сложността на влаковата спирачка. В коментарите се предлага да се приложи автомобилна схема с енергийни акумулатори. Разбира се, от дивана или компютърния стол в офиса, през прозореца на браузъра много проблеми изглеждат по-видими и очевидни са техните решения, но позволете ми да отбележа, че повечето технически решения, прилагани в реалния свят, имат ясна обосновка.
Както вече беше споменато, основният проблем на пневматичната спирачка в влака е крайното скоростно движение при спад на налягането по дългата (до 1,5 км в влака с 100 вагона) тръба на спирачната магистрала — спирачната вълна. За ускоряване на тази спирачна вълна е необходимо допълнително разряждане, извършвано от въздухоразпределителя. Ако няма въздухоразпределител, няма и допълнително разряждане. Тоест спирачките на енергийни акумулатори ще бъдат очевидно значително по-слаби по характеристиките на равномерността на задействането, връщайки ни в епохата на Уестингаус. Товарен влак не е товарен автомобил, тук са различни мащаби, а следователно и различни принципи на управление на спирачките. Уверен съм, че това не е случайно и посоката на световната спирачна наука не е избрана случайно, за да ни доведе до такъв тип конструкции. Точка.
Тази статия е своеобразен преглед на съществуващите към момента спирачни системи в подвижния състав. По-нататък, в други статии от този цикъл, ще се спра по-подробно на всяка от тях. Ще разберем какви устройства се използват за управление на спирачките, как са изградени въздухоразпределителите. По-подробно ще разгледаме въпросите на рекуперативното и реостатното спиране. И разбира се, ще разгледаме спирачките на високоскоростния транспорт. До нови срещи и благодаря за вниманието!
P.S.: Приятели! Специално благодаря за многото лични съобщения с указание на грешки и печатни грешки в статията. Да, аз съм грешник, който не се справя с българския език и бърка на клавиатурата. Опитах се да поправя вашите забележки.
Източник: habr.com
