Бачу, що , історична частина моєї розповіді публіці сподобалася, а тому не гріх і продовжити.
Високошвидкісні поїзди, на зразок TGV, вже не обходяться пневматичним гальмуванням.
Сьогодні ми поговоримо про сучасність, а саме про те, які підходи до створення гальмівних систем рухомого складу використовуються в XXI столітті, який буквально через місяць розмінює свій третій десяток.
1. Класифікація гальм рухомого складу
Виходячи з фізичного принципу створення гальмівного зусилля, всі залізничні гальма можна розділити на два основні типи: фрикційні, що використовують силу тертя, та динамічні, що використовують тяговий привід для створення моменту, що гальмує.
До фрикційних гальм відносяться колодкові гальма всіх конструкцій, у тому числі дискові, а також. магніторельсове гальмо, який застосовується на високошвидкісному магістральному транспорті, переважно у Європі. На колії 1520 року цей вид гальма застосовувався виключно на електропоїзді ЕР200. Що стосується того ж «Сапсана», РЗ відмовилися від використання магніторельсового гальма на ньому, хоча прототип цього електропоїзда, німецький ICE3 таким гальмом оснащений.
Візок поїзда ICE3 з магніторельсовим гальмом
Візок поїзда «Сапсан»
До динамічних, а точніше електродинамічних гальм відносяться всі гальма, дія яких заснована на переведенні тягових електродвигунів у генераторний режим (рекуперативний и реостатне гальмо), а також гальмування противключенням
З рекуперативним і реостатним гальмом все відносно зрозуміло - двигуни тим чи іншим способом переводяться в генераторний режим, і у випадку з рекуперацією віддають енергію в контактну мережу, а у випадку з реостатом вироблена енергія спалюється на спеціальних резисторах. І те й інше гальмо застосовується як на поїздах з локомотивною тягою, так і на моторвагонному рухомому складі, де електродинамічний гальмо є основним робочим гальмом, через велику кількість тягових електродвигунів, розподілених по всьому поїзду. Єдиним недоліком електродинамічного гальмування (ЕДТ) є неможливість гальмування до зупинки. При зниженні ефективності ЕДТ виконується його автоматичне заміщення пневматичним фрикційним гальмом.
Що стосується гальмування противключенням, воно забезпечує гальмування до повної зупинки, оскільки воно полягає в реверсуванні тягового двигуна на ходу. Однак цей режим, в більшості випадків є аварійним - його штатне застосування може призвести до пошкодження тягового приводу. Якщо взяти, для прикладу, колекторний двигун, то при зміні полярності напруги, що подається на нього, проти-ЕРС, що виникає в двигуні, що обертається, не віднімається з напруги живлення а складається з ним - колеса як оберталися так і обертаються в ту ж сторону що і в тяговий режим! Це призводить до лавиноподібного наростання струму, і найкраще, що може статися — спрацюють електричні апарати захисту.
З цієї причини на локомотивах та електропоїздах вживаються всі заходи щодо недопущення реверсування двигунів на ходу. Реверсивна рукоятка механічно блокується при знаходженні контролера машиніста на ходових положеннях. А на тих же «Сапсанах» та «Ластівках» поворот реверсивного перемикача при швидкості понад 5 км/год призведе до негайного екстреного гальмування.
Однак деякі вітчизняні локомотиви, наприклад електровоз ВЛ65, використовують реверсивне гальмування як штатний режим на малих швидкостях руху.
Реверсивне гальмування - штатний режим гальмування на електровозі ВЛ65, що забезпечується системою управління.
Треба сказати, що незважаючи на високу ефективність електродинамічного гальмування, будь-який поїзд завжди підкреслюю — завжди оснащується пневматичним гальмом автоматичної дії, тобто спрацьовує за рахунок випуску повітря з гальмівної магістралі. Як у Росії, так і в усьому світі старі-добрі колодкові фрикційні гальма стоять на варті безпеки руху.
За функціональним призначенням гальма фрикційного типу поділяються на
- Стоянкові, ручні або автоматичні
- Поїздні - пневматичні (ПТ) або електропневматичні (ЕПТ) гальма, що встановлюються на кожну одиницю рухомого складу в поїзді та керовані централізовано з кабіни машиніста
- Локомотивні - пневматичні прямодіючі гальма, призначені для загальмовування локомотива, без загальмовування складу. Управляються вони окремо від поїзних.
2. Гальмо стоянки
Ручне гальмо з механічним приводом нікуди не поділося з рухомого складу, воно встановлюється як на локомотивах, так і на вагонах — просто змінило спеціальність, а саме перетворилося на гальмо стоянки, що дозволяє виключити мимовільний рух рухомого складу у разі виходу повітря з його пневмосистеми. Червоне колесо, схоже на корабельний штурвал - привід ручного гальма, один із варіантів його виконання.
Штурвал ручного гальма стоянки в кабіні електровоза ВЛ60пк
Ручне гальмо в тамбурі пасажирського вагона
Ручне гальмо на сучасному вантажному вагоні
Ручне гальмо за допомогою механічного приводу притискає до колес ті ж колодки, що використовуються при звичайному гальмуванні.
На сучасному рухомому складі, зокрема на електропоїздах ЕВС1/ЕВС2 «Сапсан», ЕС1 «Ластівка», а також на електровозі ЕП20, гальмо стоянки автоматичне і притискання колодок до гальмівним диском там виконується пружинними енергоакумуляторами. Частина кліщових механізмів, що притискають колодки до гальмівних дисків, забезпечена потужними пружинами, причому такими потужними, що відпустка виконується пневматичним приводом тиском 0,5 МПа. Пневмопривід, в даному випадку, протидіє пружинам, що притискають колодки. Управління таким гальмом стоянки виконується кнопками на пульті машиніста.
Кнопки керування стоянковим пружинним гальмом (СПТ) на електропоїзді ЕС1 «Ластівка»
За своїм пристроєм таке гальмо аналогічне тому, що застосовується на потужних вантажівках. Але як основне гальмо в поїздах така система абсолютно непридатна, А чому, я докладно поясню після розповіді про роботу поїзних пневматичних гальм.
3. Пневматичні гальма вантажного типу
Кожен вантажний вагон оснащується наступним комплексом гальмівного обладнання
Гальмівне обладнання вантажного вагона: 1 - гальмівний сполучний рукав; 2 - кінцевий кран; 3 - стоп-кран; 5 - пиловловлювач; 6, 7, 9 - модулі повітророзподільника ум. №483; 8 - роз'єднувальний кран; ВР - розподільник повітря; ТМ - гальмівна магістраль; ЗР - запасний резервуар; ТЦ - гальмівний циліндр; АР - вантажний авторежим
Гальмівна магістраль (ТМ) — труба діаметром 1,25», що йде вздовж усього вагона, на кінцях вона забезпечена кінцевими кранами, для роз'єднання гальмівної магістралі під час розчеплення вагона перед роз'єднанням гнучких з'єднувальних рукавів. У гальмівній магістралі у нормальному режимі підтримується, так зване зарядний тиск величиною 0,50 - 0,54 МПа, так що роз'єднувати рукави без перекриття кінцевих кранів заняття сумнівне, яке в прямому значенні слова може позбавити вас голови.
Запас повітря, що безпосередньо подається в гальмівні циліндри зберігається в запасному резервуарі (ЗР), обсяг якого в більшості випадків дорівнює 78 літрам. Тиск у запасному резервуарі точно дорівнює тиску в гальмівній магістралі. Але ні, це не 0,50 - 0,54 МПа. Справа в тому, що такий тиск буде у гальмівній магістралі на локомотиві. І чим далі від локомотива, тим менший тиск у гальмівній магістралі, тому що в ній неминуче є нещільності, що призводять до витоків повітря. Тож тиск у гальмівній магістралі останнього вагона в поїзді буде дещо меншим за зарядний.
Гальмовий циліндра на більшості вагонів він один, при наповненні його із запасного резервуара, через гальмівну важільну передачу притискає до коліс усі наявні на вагоні колодки. Об'єм гальмівного циліндра близько 8 літрів, тому при повному гальмуванні в ньому встановлюється тиск не більше 0,4 МПа. До тієї ж величини знижується тиск у запасному резервуарі.
Головною «дійовою особою» у цій системі є повітророзподільник. Цей прилад реагує на зміну тиску у гальмівній магістралі, виконуючи ту чи іншу операцію залежно від напрямку та темпу зміни тиску.
При зниженні тиску у гальмівній магістралі відбувається гальмування. Але не за будь-якого зниження тиску — зменшення тиску має відбуватися певним темпом, який називається темпом службового гальмування. Цей темп забезпечується краном машиніста у кабіні локомотива і становить від 0,01 до 0,04 МПа на секунду. При зниженні тиску меншим темпом гальмування не відбувається. Зроблено це для того, щоб гальма не спрацьовували при нормативних витоках з гальмівної магістралі, а також не спрацьовували при ліквідації надзарядного тиску, про що ми поговоримо пізніше.
При спрацьовуванні розподільника повітря на гальмування він виконує додаткову розрядку гальмівної магістралі службовим темпом на величину 0,05 МПа. Це робиться для того, щоб забезпечити стійке зниження тиску по всій довжині поїзда. Якщо додаткової розрядки не робити, останні вагони довгого поїзда можуть і не загальмувати в принципі. Додаткову розрядку гальмівної магістралі виконують всі сучасні розподільники повітря, в тому числі і пасажирські.
При спрацьовуванні на гальмування, розподільник повітря відключає запасний резервуар від гальмівної магістралі і підключає його до гальмівного циліндра. Відбувається заповнення гальмівного циліндра. Відбувається воно стільки часу, скільки триває падіння тиску в гальмівній магістралі. При припиненні зниження тиску ТМ наповнення гальмівного циліндра припиняється. Настає режим перекриші. Тиск, набраний у гальмівний циліндр, залежить від двох факторів:
- глибини розрядки гальмівної магістралі, тобто величини падіння тиску в ній щодо зарядного
- режиму роботи розподільника повітря
Вантажний розподільник повітря має три режими роботи: завантажений (Г), середній (С) і порожній (П). Розрізняються ці режими максимальним тиском, що набирається в гальмівні циліндри. Перемикання між режимами здійснюється вручну шляхом повороту спеціальної режимної рукоятки.
Якщо підсумувати, то залежність тиску в гальмівному циліндрі від глибини розрядки гальмівної магістралі при 483-повітророзподільнику на різних режимах виглядає так
Недоліком використання режимного перемикача є те, що працівник вагонного господарства повинен пройти вздовж усього складу, залізти під кожен вагон і переключити режимний перемикач у потрібне положення. Робиться це, з чуток, що доходять з експлуатації, далеко не завжди. Надмірне наповнення гальмівних циліндрів на порожньому вагоні загрожує юзом, зниженням ефективності гальмування та псуванням колісних пар. Для виходу з подібної ситуації на вантажних вагонах між розподільником повітря і гальмівним циліндром включають так званий авторежим (АР), який механічно визначаючи масу вагона плавно регулює максимальний тиск у гальмівному циліндрі. Якщо вагон обладнаний авторежимом, режимний перемикач на ВР встановлюють у положення «вантажений».
Гальмування зазвичай виконують східчасто. Мінімальним щаблем розрядки гальмівної магістралі для ВР483 буде 0,06 - 0,08 МПа. При цьому в гальмівних циліндрах встановлюється тиск 0,1 МПа. При цьому машиніст ставить кран у положення перекриші, при якому гальмівної магістралі зберігається величина тиску, встановленого після гальмування. Якщо гальмівної ефективності від одного ступеня недостатньо, виконується наступний ступінь. При цьому розподільнику повітря все одно, яким темпом відбувається розрядка — при зниженні тиску будь-яким темпом відбувається наповнення гальмівних циліндрів пропорційно величині зниження тиску.
Повна відпустка гальм (повне спорожнення гальмівних циліндрів по всьому поїзді) виконується підвищенням тиску в гальмівній магістралі вище зарядного. Причому на вантажних поїздах виконується суттєве завищення тиску в ТМ над зарядним, щоб хвиля підвищення тиску дійшла до останніх вагонів. Повна відпустка гальм у вантажному поїзді процес тривалий і може тривати до хвилини.
ВР483 має два режими відпустки: рівнинний та гірський. У рівнинному режимі при підвищенні тиску в гальмівній магістралі відбувається повна, безступінчаста відпустка. У гірському режимі можлива ступінчаста відпустка гальм, що є не повним випорожненням гальмівних циліндрів. Застосовується цей режим під час руху складним профілем з великою величиною ухилів.
Розподільник повітря 483 взагалі дуже цікавий прилад. Детальний розбір його пристрою та роботи – це тема для окремої великої статті. Тут ми розглянули загальні принципи роботи вантажного гальма.
3. Пневматичні гальма пасажирського типу
Гальмівне обладнання пасажирського вагона: 1 - сполучний рукав; 2 - кінцевий кран; 3, 5 - сполучні коробки лінії електропневматичного гальма; 4 - стоп-кран; 6 - трубка з проводкою електропневматичного гальма; 7 - ізольована підвіска сполучного рукава; 8 - пиловловлювач; 9 - відведення до повітророзподільника; 10 - роз'єднувальний кран; 11 - робоча камера електроповітророзподільника; ТМ - гальмівна магістраль; ВР - розподільник повітря; ЕВР - електроповітророзподільник; ТЦ - гальмівний циліндр; ЗР - запасний резервуар
В очі відразу впадає більша кількість обладнання, починаючи з того, що тут аж три стоп-крани (по одному в кожному тамбурі, і один у купе провідника), закінчуючи тим, що вітчизняні пасажирські вагони обладнані як пневматичним, так і електропневматичним гальмом (ЕПТ).
Уважний читач одразу відзначить головний недолік пневматичного керування гальмами — кінцева швидкість поширення гальмівної хвилі, обмежена зверху швидкістю звуку. Насправді ж ця швидкість нижче і становить 280 м/с при службовому, і 300 м/с при екстреному гальмуванні. До того ж ця швидкість сильно залежить від температури повітря та взимку, наприклад, вона нижча. Тому споконвічний супутник пневматичних гальм — нерівномірність їх спрацьовування за складом.
Нерівномірність спрацьовування призводить до двох речей - виникнення значних поздовжніх реакцій у поїзді, а також збільшення гальмівного шляху. Перше не таке характерне для пасажирських поїздів, хоча ємності з чаєм та іншими напоями, що стрибають на столику в купе, нікого не потішать. Збільшення гальмівного шляху є серйозною проблемою, особливо в пасажирському русі.
До того ж, вітчизняний пасажирський розподільник повітря — як старий ум. №292, і новий ум. №242 (яких, до речі, у парку пасажирських вагонів стає дедалі більше), обидва ці прилади — прямі спадкоємці того самого потрійного клапана Вестингауза, і працюють вони на різниці двох тисків — у гальмівній магістралі та запасному резервуарі. Від потрійного клапана їх відрізняє наявність режиму перекрыши, тобто можливість гальмування ступінчастого; наявність додаткової розрядки гальмівної магістралі при гальмуванні; наявність у конструкції прискорювача екстреного гальмування. Ці повітророзподільники не забезпечують ступінчастої відпустки — вони дають одразу повну відпустку, як тільки тиск у гальмівній магістралі перевищить тиск у запасному резервуарі, що встановився там після гальмування. А ступінчаста відпустка дуже корисна при регулювальних гальмуваннях для точної зупинки біля посадкової платформи.
Обидві проблеми — нерівномірність спрацьовування гальм та відсутність ступінчастої відпустки, на колії 1520 мм вирішуються установкою на вагони розподільника повітря з електричним керуванням. електроповітрярозподільника (ЕВР), ум. №305.
Вітчизняний ЕЛТ - електропневматичний гальмо - прямодіючий, неавтоматичної дії. На пасажирських поїздах із локомотивною тягою ЕЛТ працює за двопровідною схемою.
Структурна схема двопровідного ЕЛТ: 1 - контролер управління на крані машиніста; 2 - акумуляторна батарея; 3 - статичний перетворювач харчування; 4 - панель контрольних ламп; 5 - блок управління; 6 - клемна колодка; 7 - сполучні головки на рукавах; 8 - ізольована підвіска; 9 - напівпровідниковий вентиль; 10 - відпускний електромагнітний вентиль; 11 - гальмівний електромагнітний вентиль.
Уздовж усього поїзда простягаються два дроти: №1 та №2 на малюнку. На хвостовому вагоні ці дроти електрично з'єднані між собою і по петлі, що вийшла, пускають змінний струм частотою 625 Гц. Робиться це контролю цілісності лінії управління ЭЛТ. При розриві дроту ланцюг змінного струму розривається, машиніст отримує сигнал як погасання в кабіні контрольної лампи «О» (відпустка).
Управління ж ведеться постійним струмом різної полярності. При цьому дротом з нульовим потенціалом є рейки. При подачі на провід ЕЛТ позитивної (щодо рейок) напруги спрацьовують обидва електромагнітні вентилі, встановлені в електроповітрярозподільнику: відпускний (ОВ), і гальмівний (ТВ). Перший із них ізолює робочу камеру (РК) електроповітророзподільника від атмосфери, другий — наповнює її із запасного резервуара. Далі у справу вступає встановлене в ЕВР реле тиску, що працює на різниці тисків у робочій камері та гальмівному циліндрі. При перевищенні тиску в РК над тиском ТЦ відбувається наповнення останнього повітрям із запасного резервуара, до тиску, яке було набрано в робочу камеру.
При подачі на провід негативного потенціалу гальмівний вентиль вимикається, оскільки струм до нього відрізається діодом. Залишається активним лише відпускний вентиль, який утримує тиск у робочій камері. Так реалізується становище перекрыши.
Під час зняття напруги відпускний вентиль втрачає живлення, відкриває робочу камеру в атмосферу. При зниженні тиску в робочій камері реле тиску випускає повітря з гальмівних циліндрів. Якщо після короткочасної відпустки знову поставити кран машиніста в положення перекриші, падіння тиску в робочій камері припиниться, припиниться і випуск повітря з гальмівного циліндра. Таким чином домагаються можливості ступінчастої відпустки гальма.
Що станеться під час обриву дроту? Правильно - ЕПТ відпустить. Тому це гальмо (на вітчизняному рухомому складі) не є автоматичним. При виході з ладу ЕЛТ машиніст може перейти на пневматичне управління гальмами.
ЕЛТ відрізняється одночасним наповненням гальмівних циліндрів та їх спорожненням по всьому поїзду. Темп наповнення та випорожнення досить високий – 0,1 МПа за секунду. ЕПТ є невичерпним гальмом, тому що при його роботі звичайний розподільник повітря знаходиться в режимі відпустки і живить запасні резервуари з гальмівної магістралі, яка в свою чергу відживається краном машиніста на локомотиві з головних резервуарів. Тому гальмувати ЕПТ можна з будь-якою частотою, необхідної для оперативного керування гальмами. Можливість ступінчастої відпустки дозволяє керувати швидкістю поїзда дуже точно та плавно.
Пневматичне ж керування гальмами пасажирського поїзда мало чим відрізняється від вантажного гальма. Є різниця в прийомах управління, наприклад, відпустка пневматичного гальма проводиться до зарядного тиску, без завищення. Загалом надмірні завищення тиску в гальмівній магістралі пасажирського поїзда загрожують неприємностями, тому при повній відпустці ЕПТ тиск у ТМ завищується максимум на 0,02 МПа над величиною встановленого зарядного тиску.
Мінімальна глибина розрядки ТМ при гальмуванні на пасажирському гальмі становить 0,04-0,05 МПа, при цьому в гальмівних циліндрах створюється тиск 0,1-0,15 МПа. Максимальний тиск у гальмівному циліндрі пасажирського вагона обмежується об'ємом резервного резервуара і зазвичай не перевищує 0,4 МПа.
Висновок
Тепер я звернуся до деяких коментаторів, яких дивує (а, на мою думку, навіть обурює, але стверджувати не беруся) складність поїздного гальма. У коментарях пропонується застосувати автомобільну схему з енергоакумуляторами. Воно, звичайно, з дивана, або комп'ютерного крісла в офісі, через вікно браузера багато проблем видніше і очевидніше за їх вирішення, але дозволю собі помітити, що більшість технічних рішень, прийнятих у реальному світі, мають під собою чітке обґрунтування.
Як уже говорилося, головна проблема пневматичного гальма в поїзді — кінцева швидкість руху стрибка падіння тиску довгою (до 1,5 км у поїзді зі 100 вагонів) труби гальмівної магістралі — гальмівної хвилі. Для прискорення цієї гальмівної хвилі потрібна додаткова розрядка, що виконується розподільником повітря. Не буде розподільника повітря, не буде і додаткової розрядки. Тобто гальма на енергоакумуляторах будуть помітно гіршими за характеристиками рівномірності спрацьовування, повертаючи нас за часів Вестингауза. Вантажний поїзд — це не вантажний автомобіль, тут інші масштаби, а отже й інші принципи керування гальмами. Впевнений, що це не просто так, і напрям світової гальмівної науки не випадково пішов тим шляхом, який привів нас до таких конструкцій. Крапка.
Ця стаття - свого роду огляд існуючих на сучасному рухомому складі гальмівних систем. Далі, в інших статтях цього циклу, я докладніше зупинюся на кожній з них. Ми дізнаємося, які прилади використовуються для керування гальмами, як влаштовані розподільники повітря. Докладніше розглянемо питання рекуперативного та реостатного гальмування. Ну і звісно розглянемо гальма високошвидкісного транспорту. До нових зустрічей і дякую за увагу!
PS: Друзі! Окреме спасибі хочу сказати за масу особистих повідомлень із зазначенням помилок та друкарських помилок у статті. Так, я грішник, який не дружить із російською мовою і плутається на клавішах. Намагався виправити ваші зауваження.
Джерело: habr.com