Виждам, че първата, историческата част на моя разказ се хареса на публиката, така че не е罪 да продължим.

Високоскоростни влакове, подобни на TGV, вече не използват пневматични спирачки

Днес ще говорим за съвременността, а именно за това какви подходи за създаване на спирачни системи за подвижен състав се използват в XXI век, който буквално след месец навършва своите тридесет години.

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 силата на триене, и динамични, използващи тяговия привод за създаване на спирачен момент.

К фрикционните спирачки се отнасят накладъчните спирачки от всички конструкции, включително и дисковите, а също и магниторелсовата спирачка, която се използва в високоскоростния магистралски транспорт, основно в Западна Европа. На релси 1520 този вид спирачка е използвана изключително на електрическия влак ER200. Що се отнася до същия "Сапсан", РЖД се отказали от използването на магниторелсовата спирачка на него, въпреки че прототипът на този електрически влак, немският ICE3, е оборудван с такава спирачка.

Вагон на влак ICE3 с магниторелсова спирачка

Вагон на влак "Сапсан"

К динамичните, а по-точно електродинамичните спирачки се отнасят всички спирачки, чиято работа е основана на превключване на тяговите електродвигатели в генераторен режим (рекуперативна и резисторна спирачка), а също и спиране с противопоставяне

С възстановително и реостатно спиране всичко е относително ясно – двигателите по един или друг начин преминават в режим на генератор, а в случая с възстановяването, предават енергия в контактната мрежа, докато при реостата, произведената енергия се изразходва на специални резистори. И двата вида спиране се прилагат както на влакове с локомотивно вместо, така и на електрически мотрисни единици, където електродинамичното спиране е основното работно спиране, поради голямото количество на тягови електродвигатели, разпределени из целия влак. Единственият недостатък на електродинамичното спиране (ЕДТ) е невъзможността да спре напълно. При намалена ефективност на ЕДТ, автоматично се активира пневматичното фрикционно спиране.

Що се отнася до спиране при противовключване, то то осигурява спиране до пълна спирка, тъй като се състои в реверсирането на тяговия двигател в движение. Въпреки това, този режим в повечето случаи е аварийно – стандартното му прилагане е свързано с риск от повреда на тяговия привод. Ако вземем за пример колекторния двигател, то при смяна на полярността на напрежението, подавано на него, противо-ЕДС, възникваща в реверсиращия двигател, не се изважда от захранващото напрежение, а се събира с него – колелата продължават да се въртят в същата посока, както и в режим на тяга! Това води до лавинообразно нарастване на тока и най-доброто, което може да се случи, е да сработят електрическите защитни устройства.

По тази причина локомотивите и електрическите влакове предприемат всички мерки за предотвратяване на реверсирането на двигателите по време на движение. Реверсивната ръчка е механически блокирана, когато контролерът на машиниста е в позиции за движение. А на същите „Сапсани“ и „Ласточки“, завъртането на реверсивния ключ при скорости над 5 км/ч ще доведе до незабавно екстрено спиране.

Въпреки това, някои домашни локомотиви, например електровоз ВЛ65, използват реверсивно спиране като стандартен режим при ниски скорости на движение.

Реверсивното спиране е стандартен режим, предоставен от системата за управление на електровоз ВЛ65.

Трябва да се каже, че въпреки високата ефективност на електродинамичното спиране, всеки влак, подчертавам — всеки, е оборудван с пневматични спирачки с автоматично действие, тоест спирачки, които сработват чрез освобождаване на въздуха от спирачната магистрала. Както в Русия, така и в целия свят, стари добри колодкови фрикционни спирачки стоят на охрана на безопасността на движението.

По функционално назначение спирачките от фрикционен тип се подразделят на

1. Паркинг, ръчни или автоматични
2. Влакни спирачки — пневматични (ПТ) или електропневматични (ЕПТ) спирачки, които са инсталирани на всяка единична подвижна единица във влака и се управляват централизирано от кабината на машиниста.
3. Локомотивни — пневматични директни спирачки, предназначени за спиране на локомотива, без да спират състава. Те се управляват отделно от влаковите спирачки.

2. Паркинг спирачка

Ръчната спирачка с механичен привод не е изчезнала от подвижния състав, тя е инсталирана както на локомотивите, така и на вагоните — просто е сменила специалността си, преминавайки в паркинг спирачка, която позволява да се избегне спонтанното движение на подвижния състав в случай на освобождаване на въздуха от неговата пневмосистема. Червеното колело, приличащо на корабен штурвал — привод на ръчната спирачка, един от вариантите на нейното изпълнение.

Штурвал на ръчната паркинг спирачка в кабината на електровоза ВЛ60пк

Ръчна спирачка в тамбура на пътнически вагон

Ръчна спирачка на съвременен товарен вагон

Ръчната спирачка с механичен привод притиска към колелата същите тези колодки, които се използват при обикновеното спиране.

На съвременния подвижен състав, по-специално на електрическите влакове ЕВС1/ЕВС2 „Сапсан“, ЕС1 „Ласточка“, както и на електровоза ЕП20, паркинг спирачката е автоматична и притискането на колодките към спирачните дискове там се извършва с пружинни енергийни акумулатори. Част от механизмите, които притискат накладките към спирачните дискове, е оборудвана с мощни пружини, и то толкова мощни, че освобождаването се извършва от пневматичен привод с налягане 0,5 МПа. В този случай пневмоприводът противодейства на пружините, които притискат накладките. Управлението на такъв паркинг спирачка става чрез бутони на пулта на машиниста.

Бутони за управление на паркинг спирачката (ПС) на електрическите влакове ЕС1 «Ласточка»

По своята конструкция такава спирачка е аналогична на тази, която се използва на мощни камиони. Но като основна спирачка в влаковете 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 комплекс от спирачно оборудване

Спирачното оборудване на товарен вагон: 1 — спирачен свързващ маркуч; 2 — крайна спирателна клапа; 3 — стоп-клапан; 5 — прахоуловител; 6, 7, 9 — модули на разпределителя на въздух условно №483; 8 — разединителен клапан; ВР — разпределител на въздух; ТМ — спирачна магистрала; ЗР — резервен резервоар; ТЦ — спирачен цилиндър; АР — товарен автоматичен режим


Спирачна магистрала (ТМ) — тръба с диаметър 1,25», която минава по дължина на целия вагон, на краищата е снабдена с крайни клапи, за разединяване на спирачната магистрала при разкачване на вагона преди разделяне на гъвкавите свързващи маркучи. В спирачната магистрала в нормален режим се поддържа така нареченото зарядно налягане от 0,50 — 0,54 МПа, така че разединяването на маркучите без затваряне на крайните клапи е съмнително занимание, което в буквалния смисъл на думата може да те лиши от главата.

Запасът от въздух, който се подава директно в спирачните цилиндри, се съхранява в резервен резервоар (ЗР), чийто обем обикновено е 78 литра. Налягането в резервуара е точно равно на налягането в спирачната магистрала. Но не, това не е 0,50 — 0,54 МПа. Факт е, че такова налягане ще бъде в спирачната магистрала на локомотива. И колкото по-далеч от локомотива, толкова по-ниско налягане има в спирачната магистрала, защото в нея неизбежно има течове, водещи до загуба на въздух. Така че налягането в спирачната магистрала на последния вагон в влака ще бъде малко по-ниско от заряда.

Спирачен цилиндър, а при повечето вагони той е един, като при запълване от резервуара, чрез спирачния лост, притиска всички налични накладки към колелата. Обемът на спирачния цилиндър е около 8 литра, така че при пълно спиране в него не се установява налягане над 0,4 МПа. До същата стойност намалява налягането и в резервуара.

Главният "действуващ герой" в тази система е разпределител на въздуха. Този уред реагира на промяната в налягането в спирачната магистрала, извършвайки определена операция в зависимост от посоката и скоростта на промяната на това налягане.

При намаляване на налягането в спирачната магистрала настъпва спиране. Но не при всяко намаление на налягането — намалението трябва да става с определена скорост, известна като темп на служебно спиране. Тази скорост се осигурява от кран на машиниста в кабината на локомотива и е между 0,01 и 0,04 МПа в секунда. При намаляване на налягането с по-ниска скорост, спирането не настъпва. Това е направено, за да се предотврати сработването на спирачките при нормални течове от спирачната магистрала, както и да не сработват при отстраняване на свръхналягане, за което ще говорим по-късно.

При сработване на разпределителя на въздуха за спиране, той извършва допълнително разреждане на спирачната магистрала с служебна скорост на налягане от 0,05 МПа. Това се прави, за да се осигури стабилно намаляване на налягането по цялата дължина на влака. Ако не се извърши допълнително разреждане, последните вагони на дълъг влак могат да не спрат изобщо. Допълнителното разреждане на спирачната магистрала се извършва от всичко съвременни разпределители на въздуха, включително и пътнически.

При активация на спирачка, въздушният разпределител изключва резервния резервоар от спирачната магистрала и го свързва със спирачния цилиндър. Започва напълването на спирачния цилиндър. Това става точно толкова време, колкото продължава спадът на налягането в спирачната магистрала. Когато спре намалението на налягането в СМ, напълването на спирачния цилиндър спира. Настъпва режим на затваряне. Налягането, получено в спирачния цилиндър, зависи от два фактора:

1. дълбочината на разреждане на спирачната магистрала, тоест величината на спад на налягането в нея спрямо зареждащия
2. 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, получавано в спирачните цилиндри. Превключването между режимите се осъществява ръчно чрез завъртане на специален контролен показалец.

Ако обобщим, зависимостта на налягането в спирачния цилиндър от дълбочината на разреждане на спирачната магистрала при 483-въздушния разпределител в различни режими изглежда така

Недостатъкът на използването на режимния превключвател е, че работникът по вагоните трябва да мине по целия състав, да влезе под всеки вагон и да регулира режимния превключвател в необходимото положение. По слухове, които идват от експлоатацията, това далеч не винаги се прави. Прекомерното напълване на спирачните цилиндри на празен вагон води до износване, намаляване на ефективността на спирането и повреждане на колелата. За да се излезе от подобна ситуация, в товарните вагони между въздушния разпределител и спирачния цилиндър се включва така нареченият автоматичен режим (АР), който, механично определяйки масата на вагона, плавно регулира максималното налягане в спирачния цилиндър. Ако вагонът е оборудван с автоматичен режим, режимният превключвател на ВР се поставя в положение „натоварен“.

Тормозенето обикновено се изпълнява на етапи. Минималната степен на разрядка на спирачната магистрала за ВР483 ще бъде 0,06 — 0,08 МПа. При това налягането в спирачните цилиндри е 0,1 МПа. В този момент машинистът поставя крана в позиция за отрязване, при която в спирачната магистрала се запазва величината на налягането, установена след спиране. Ако ефективността на спиране от една степен е недостатъчна, се изпълнява следващата степен. При това въздухораспределителят не се влияе от темпото на разрядка — при намаляване на налягането с каквото и да е темпо, запълването на спирачните цилиндри става пропорционално на величината на намаляване на налягането.

Пълното освобождаване на спирачките (пълно изпразване на спирачните цилиндри на целия влак) се извършва чрез повишаване на налягането в спирачната магистрала над зарядното. При това, при товарни влакове, се извършва значително повишаване на налягането в спирачната система над зарядното, за да се осигури, че вълната на повишаване на налягането достига до най-задните вагони. Пълното освобождаване на спирачките в товарен влак е дълъг процес и може да отнеме до минута.

ВР483 има два режима на освобождаване: равнинен и планински. В равнинния режим при повишаване на налягането в спирачната магистрала настъпва пълно, безстъпково освобождаване. В планинския режим е възможно стъпаловидно освобождаване на спирачките, което не представлява пълно изпразване на спирачните цилиндри. Този режим се прилага при движение по сложен профил с големи наклони.

Въздухораспределител 483 е изключително интересен уред. Подробният анализ на неговата конструкция и работа е тема за отделна голяма статия. Тук разгледахме основните принципи на работа на товарните спирачки.

3. Пневматични спирачки от тип пасажерски

Спирачната система на пътническия вагон: 1 — свързваща тръба; 2 — крайна спирачка; 3, 5 — свързващи кутии на електропневматичната спирачна линия; 4 — стоп спирачка; 6 — тръба с проводка на електропневматичната спирачка; 7 — изолирано окачване на свързващата тръба; 8 — прахоулавяне; 9 — отклонение към въздушното разпределение; 10 — разделителна спирачка; 11 — работна камера на електрическия въздухоразпределител; ТМ — спирачна магистрала; ВР — въздушен разпределител; ЕВР — електровъздушен разпределител; ТЦ — спирачен цилиндър; ЗР — резервоар за резерви

На пръв поглед веднага се забелязва увеличеното количество оборудване, започвайки от това, че тук има три крайни спирачки (по една в всеки тамбур и една в купето на кондуктора), и завършвайки с факта, че родните пътнически вагони са оборудвани както с пневматични, така и с електропневматични спирачки (ЕПТ).

Внимателният читател веднага ще забележи основния недостатък на пневматичното управление на спирачките — крайната скорост на разпространение на спирачната вълна, която е ограничаваща, зададена от скоростта на звука. В практиката обаче тази скорост е по-ниска и е 280 м/с при служебно, и 300 м/с при спешно спиране. Освен това тази скорост силно зависи от температурата на въздуха, като зимата например е по-ниска. Затова вечният спътник на пневматичните спирачки е неравномерността на тяхната работа в състава.

Неравномерността на работата води до две неща — възникването на значителни надлъжни реакции в влака, както и увеличаване на спирачния път. Първото не е толкова характерно за пътническите влакове, въпреки че подскачащите чаши с чай и други напитки на масата в купето няма да зарадват никого. Увеличаването на спирачния път обаче е сериозен проблем, особено при пътническия трафик.

Освен това, отечественият пътнически въздухораспределител — както старият усл. №292, така и новият усл. №242 (които, между другото, все повече нарастват в парка на пътническите вагони) — и двете устройства са пряко наследство на същия тройния клапан на Вестингауз, и работят на разликата между две налягания — в спирачната магистрала и в резервния резервоар. От тройния клапан ги отличава наличието на режим на затваряне, тоест възможността за стъпаловидно спиране; наличието на допълнителна разрядка на спирачната магистрала при спиране; наличието в конструкцията на ускорител на екстреното спиране. Тези въздухораспределители не осигуряват стъпаловидно освобождаване — те дават веднага пълно отпускане, щом налягането в спирачната магистрала надвиши налягането в резервния резервоар, установено там след спиране. А стъпаловидното отпускане е много полезно при регулаторни спирания за точно спиране на платформата за качване.

И двете проблеми — неравномерното сработване на спирачките и отсъствието на стъпаловидно отпускане на колея 1520 мм се решават с инсталирането на въздухораспределители с електрическо управление на вагоните — електровъздушния разпределител (ЕВР), усл. №305.

Отечественият ЕПТ — електропневматичен спирач — е пряко действие, неавтоматично. На пътническите влакове с локомотивно теглене, ЕПТ работи по двужичен схема.

Структурната схема на двужичния ЕПТ: 1 — контролер за управление на крановете на машиниста; 2 — акумулаторна батерия; 3 — статичен преобразувател на захранване; 4 — панел с контролни лампи; 5 — блок за управление; 6 — клемна кутия; 7 — свързващи глави на маркучите; 8 — изолирана окачване; 9 — полупроводников вентил; 10 — отпускен електромагнитен вентил; 11 — спирачен електромагнитен вентил.

По протежение на целия влак преминават две жици: №1 и №2 на рисунка. На хвостовия вагон тези проводници са електрически свързани помежду си и по получената верига пускаме променлив ток с честота 625 Hz. Това се прави за контрол на целостта на управлението на ЕПТ. При счупване на проводника, веригата на променливия ток се разкъсва, машинистът получава сигнал под формата на изгасване на контролна лампа „О“ (отпуск).

Управлението се извършва с постоянен ток с различна полярност. В този процес релсите служат като проводник с нулев потенциал. Когато на проводника на ЕПТ се подаде положително напрежение (относително към релсите), и двата електромагнитни вентила, разположени в електровоздухораспределителя, се задействат: отпускният (ОВ) и спирачният (ТВ). Първият от тях изолира работната камера (РК) на електровоздухораспределителя от атмосферата, а вторият я напълва със въздух от резервния резервоар. После влиза в действие реле за налягане, поставено в ЕВР, работещо на основата на разлика в налягането между работната камера и спирачния цилиндър. Когато налягането в РК надвиши налягането в ТЦ, последният започва да се пълни 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 прекриването.

При сваляне на напрежението отпускният вентил губи захранването си и отваря работната камера към атмосферата. При намаляване на налягането в работната камера, релето за налягане изпуска въздух и от спирачните цилиндри. Ако след кратковременен отпуск отново се постави крана на машиниста в положение на прекриване, спадът на налягането в работната камера ще спре, и ще се прекрати изпускането на въздух от спирачния цилиндър. По този начин се постига възможността за стъпков отпуск на спирачките.

Какво ще се случи при прекъсване на проводника? Правилно – ЕПТ ще се отпусне. Затова този спирачен механизъм (на местните подвижни състави) не е автоматичен. 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. Темпото на запълване и изпразване е доста високо — 0,1 MPa за 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 натоварва от крана на машиниста на локомотива от основните резервоари. Поради това спирането с EPT може да се извършва с всяка честота, необходима за оперативно управление на спирачките. Възможността за стъпаловидно отпускане позволява управлението на скоростта на влака да бъде 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 зарядно налягане, без повишаване. Всъщност, прекомерното повишаване на налягането в спирачната магистрала на пътническия влак може да доведе до неприятности, затова при пълно отпускане EPT налягането в ТМ нараства максимум с 0,02 MPa над установеното зарядно налягане.

Минималната дълбочина на разреждане на ТМ при спиране на пътническия спирач 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 ще се обърна към някои коментатори, които са изненадани (а според мен дори и недоволни, но не бих искал да твърдя) от сложността на спирачната система на влака. В коментарите се предлага да се приложи автомобилната схема с енергоакумулатори. Разбира се, от дивана или офисния компютър, през браузъра много проблеми изглеждат по-очевидни и решенията им са ясни, но позволете ми да отбележа, че повечето технически решения, приети в реалния свят, имат ясно обоснование зад себе си.

Както споменах, основният проблем на пневматичната спирачка в влака е крайната скорост на движението на скока на падението на налягането по дългата (до 1,5 км в влак с 100 вагона) тръба на спирачната магистрала — спирачната вълна. За да се ускори тази спирачна вълна е необходимо допълнително разреждане, извършвано от разпределителя на въздуха. Няма да има разпределител на въздуха, не ще има и допълнително разреждане. Тоест спирачките на енергийни акумулатори ще бъдат очевидно много по-лоши по отношение на равномерността на действие, връщайки ни обратно в епохата на Вестингауз. Товарният влак не е товарен автомобил, тук има други мащаби, а значи и други принципи на управление на спирачките. Уверен съм, че това не е случаен факт и посоката на световната спирачна наука не е избрана без причина, водеща ни до такъв тип конструкции. Точка.

Тази статия е своеобразен обзор на съществуващите в съвременния подвижен състав спирачни системи. В следващите 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 устроени разпределителите на въздуха. Ще разгледаме по-подробно въпросите на рекуперативната и реостатната спирачка. И разбира се, ще се спрем на спирачките на висскоростния транспорт. До нови срещи и благодаря за вниманието!

P.S.: Приятели! Специална благодарност искам да изразя за многото лични съобщения с указания за грешки и печатни грешки в статията. Да, аз съм грешник, който не е на "ти" с руския език и се бърка на клавиатурата. Опитах се да поправя вашите забележки.

Източник: habr.com