2.9. Перспективы совершенствования тормозных устройств

Поскольку совершенствование тормозной техники в нашей стране, как правило, происходило вследствие изменения условий эксплуатации подвижного состава — это вызывало определенную временную паузу до создания необходимых по характеристикам тормозных приборов. Так как в течение нескольких лет при этом приходилось пользоваться устаревшими тормозными устройствами, снижалась безопасность движения поездов.

Так произошло, например, в 40—50-е годы 20 столетия при переходе с паровой на тепловую и электрическую виды тяги. Используемые тогда на грузовых паровозах краны машиниста Казанцева № 183, 184 имели диаметр питающего тормозную магистраль отверстия 7 мм и не позволяли водить поезда длиной более 600—700 м по условиям устойчивого отпуска тормозов.

Однако до разработки нового крана машиниста № 222 с высокими питающими способностями и постановки его на серийное производство в 1957 г., вынужденно пользовались предыдущими конструкциями этого прибора, указанными выше. Это снижало управляемость тормозами поездов и затрудняло их эксплуатацию.

Аналогичная проблема в этот период возникла и с двумя другими важными тормозными устройствами: краном вспомогательного тормоза локомотива 4 ВК и воздухораспределителем № 135. Первый не обладал свойством прямодействия, необходимым для надежного удержания поезда после остановки на спуске, а второй имел невысокую скорость тормозной волны и ограничивал длину составов по допустимым продольно-динамическим усилиям

Наконец, ненормальная ситуация возникла и продолжает существовать с тормозным оборудованием карьерных поездов, эксплуатируемых на открытых горных разработках со спусками до 50—60 %0. Несмотря на существенно отличные от магистрального транспорта условия торможения, на горнообогатительных комбинатах использовались те же тормозные устройства, что и на сети дорог: краны машиниста № 222, 394, воздухораспределители № 270-002, 270-005, 483, авторежимы № 265.

Поэтому, автором с группой специалистов для карьерного транспорта была проведена модернизация тормозного оборудования, направленная на ускорение темпов действия воздухораспределителей № 270-005 и 483, и согласованная с заводом изготовителем "Трансмаш". Указанное изменение характеристик воздухораспределителей используется в настоящее время на большинстве горнообогатительных комбинатов [б].

Таким образом, тормозные устройства не разрабатывались заблаговременно на перспективу, хотя во многих случаях она была достаточно очевидна. Первые электровозы и тепловозы, например, появились в нашей стране еще в 30-е годы прошлого века, а разработка тормозных устройств под их тяговые свойства произошла только через 20 лет.

Как показано выше, в настоящее время некоторые характеристики воздухораспределителей, в частности скорость тормозной волны (300 м/с), достигли своего физического предела. Это накладывает ограничения на длину грузовых поездов, которая при существующих автосцепках вряд ли может быть более 1400 м.

Для увеличения длины поезда можно усилить автосцепку и улучшить ее параметры, изменить характеристики тормозных колодок, удлинить приемо-отправочные пути и внести ряд других изменений, которые, однако, на ближайшую перспективу вряд ли оправданы. Скорее всего в грузовом движении при наибольшем весе составов 60—80 тыс. кН будет происходить постепенный рост скорости до 100 км/ч и более с широким использованием средств автоматизации процессов, в том числе тормозных, и возможным применением одно-проводного электропневматического тормоза.

Такая же перспектива, но с большими темпами роста скорости до 300—400 км/ч ожидает и пассажирские поезда. В них тормозное нажатие на диски должно регулироваться в зависимости от веса вагона, скорости его движения, а при экстренном торможении — силы сцепления колес с рельсами и ее максимальном использовании с применением специальных адаптивных алгоритмов управления скольжением.

Решение этих задач привычными пневмомеханическими средствами при наличии источников электропитания нецелесообразно, поэтому имеющаяся тормозная техника должна претерпеть существенные качественные изменения. Достаточно сказать, что наиболее сложный грузовой воздухораспределитель № 483 выполняет по существу несколько простейших функций и дальнейшее совершенствование подобных устройств наращиванием дополнительных элементов, как это происходило в течение последних 150 лет, является тупиковым направлением.

Перспективным в этом плане видится широкое применение в тормозных приборах электроники по аналогии с серийно выпускаемыми системами САУТ, УЗОТ, УКВР и т.д. С учетом этого на каждом локомотиве или пассажирском вагоне должен быть размещен специализированный комплекс безопасности, включающий определенный набор тормозных и других устройств с возможностью его расширения в зависимости от условий эксплуатации.

В частности, на пассажирских локомотивах этот комплекс должен выполняться на базе современных высоконадежных микропроцессоров с включением электронных поездного и вспомогательного кранов машиниста, электронных автостопа, противоюзно-противо-боксовочного устройства, скоростного регулятора тормозного нажатия, сигнализатора обрыва и закупорки тормозной магистрали на базе расходомера, скоростемера с регистрацией всех интересующих процессов, встроенной диагностики, систем САУТ, УЗОТ и т.д. Эти устройства должны быть выполнены по единой технологии, увязаны между собой в общем блоке и размещены на локомотиве так, чтобы на начальных этапах их применения оставалась возможность перейти на ручной способ управления тормозами через краны машиниста № 395,254.

На пассажирских вагонах в комплекс безопасности могут включаться, например, электропневматические тормоза, электронные противогазные, скоростные и авторежимные регуляторы, датчики нагрева букс, пожарная сигнализация, регуляторы температуры и влажности, встроенная диагностика и т.д. При этом каждое устройство, являясь автономным, должно, в сочетании с другими, реализовывать оптимальные зависимости управления соответствующим процессом с возможностью адаптации под него. Важнейшей особенностью и отличием таких приборов от существующих является способность подстройки и оптимизация регулируемого процесса, информация о котором накапливается в их электронной памяти при эксплуатации подвижного состава.

На тормозную магистраль при этом остаются возложенными две важные функции: доставка сжатого воздуха в запасный резервуар каждого вагона и реализация свойства автоматичности тормозов при возможном обрыве поезда. Последнее может обеспечить простой прибор, выполненный, например, в виде ускорителя экстренного торможения.

В зависимости от категории поезда локомотивы и вагоны могут оснащаться различным набором устройств или их алгоритмов в комплексе безопасности, которые должны легко стыковаться через специальные разъемы и иметь индивидуальный источник электрического питания. Кроме оптимальных зависимостей по регулированию процессов в памяти электронных устройств должен быть предусмотрен контроль их исправного состояния с автоматической заменой вышедших из строя узлов для обеспечения высокой надежности комплексов.

Грузовые поезда в перспективе, также как и пассажирские, должны получить электрическое питание на каждый вагон от локомотива и, таким образом, на них будут использованы аналогичные комплексы безопасности с оценкой состояния ходовых частей, автосцепок, тормозного оборудования и управления важнейшими процессами. Применение электронной техники на подвижном составе, в особенности на пассажирских и грузовых вагонах, принципиально меняет привычные способы конструирования и внешний вид тормозных приборов, таких как воздухораспределители, авторежимы, противогазные устройства и т.д.

Воспринимающая или измерительная часть в них должна состоять из электрических датчиков, логическая или обрабатывающая из миниатюрного микропроцессора, а исполнительная из электропневматических вентилей, резервуара и реле давления (повторителя). Быстродействие и точность, а также компактность и надежность таких устройств должны быть весьма высокими, что существенно улучшит качество процессов регулирования. Проблемы защиты электроники от дестабилизирующих воздействий, в частности перепадов температур, особенно на грузовых вагонах, со временем будут решены схемотехническими способами.

3. МЕХАНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ТОРМОЗА

Механическая часть тормоза предназначена для передачи усилия, развиваемого на штоке тормозного цилиндра или штурвале ручного тормоза, к тормозным колодкам или накладкам дискового тормоза. Она включает тормозную рычажную передачу, автоматический регулятор и тормозные башмаки с колодками. Рычажная передача состоит из системы рычагов, тяг, валиков, подвесок, кронштейнов, серег и других элементов.

Механическая часть тормоза должна удовлетворять следующим основным требованиям:

— передавать усилие на тормозные колодки равномерно и с минимальными потерями;

— сохранять силу нажатия на тормозные колодки, практически не зависящую от выхода штока ТЦ и наклона рычагов;

— удерживать выход штока ТЦ и зазор между колесами и тормозными колодками в установленных пределах, несмотря на износ последних;

— иметь, по возможности, меньший удельный вес, приходящийся на одну колодку;

— обеспечивать отвод тормозных колодок от колес на расстояние 5—8 мм при отпуске,

— не изменять своих параметров и не требовать частых регулировок в течение длительного времени;

— позволять легко переходить с одного типа тормозных колодок на другой.

Чтобы предотвратить падение массивных частей рычажной передачи на путь, предусматриваются предохранительные и поддерживающие скобы и угольники. Для обеспечения нормального выхода штока ТЦ по мере износа колодок применяются автоматические регуляторы рычажных передач.

Так как тормоз пассажирских вагонов по сравнению с грузовыми действует в несколько раз быстрее (как по времени наполнения и опорожнения ТЦ, так и по длительности непрерывного торможения), то, с учетом вероятности получения недопустимого ползуна, для первых применяют почти вдвое большее нажатие колодок, чем для вторых. Поэтому в пассажирских вагонах применяют более сложные рычажные передачи с двухсторонним нажатием тормозных колодок на колесо, а в грузовых - с односторонним.

Рычажные передачи локомотивов имеют большое разнообразие, определяемое, в основном, проблемами размещения на колесных парах одновременно тяговой и тормозной аппаратуры. Поскольку на тяговом подвижном составе из-за двигателей, в большинстве

случаев, не удается связать попарно тормозные колодки с помощью балок, то приходится делать их фигурными (гребневыми) и применять несимметричные рычажные передачи, расположенные с одной стороны локомотива и действующие от отдельных ТЦ

Тип рычажной передачи и ее расположение на транспортном средстве зависят от многих факторов и разрабатываются на последних этапах проектирования транспортного средства, исходя из сложившихся условий. Общий вид рычажной передачи, как правило, задается или подбирается из ряда типовых.

Расчет механической части тормоза начинают с определения рекомендуемой силы нажатия на тормозную колодку К1

Автоматические тормоза подвижного соостава. В.Р.Асадченко

где б — коэффициент действительного тормозного нажатия (задается для всех видов подвижного состава);

т., — число колодок, действующих на одну колесную пару.

Полученное значение К, проверяется по допустимым удельным давлениям р по неравенству

Автоматические тормоза подвижного соостава. В.Р.Асадченко

где Рк — площадь тормозной колодки, см2.

Затем рассчитывается передаточное число рычажной передачи п как сумма передаточных чисел к каждой колодке и„ (паре колодок) с учетом потерь из-за угла наклона колодки а

Автоматические тормоза подвижного соостава. В.Р.Асадченко

Диаметр тормозного цилиндра я?ц находят с использованием формул:

Автоматические тормоза подвижного соостава. В.Р.Асадченко

где ■— необходимое усилие на штоке ТЦ, кН; т — число колодок, связанных с данным ТЦ; т]и — кпд рычажной передачи;

Автоматические тормоза подвижного соостава. В.Р.Асадченко

где Т7,, Т7,, Р3 — усилие соответственно отпускной пружины, пружины авторегулятора рычажной передачи и наружной пружины, приведенные к штоку ТЦ, кН,

г|„ — кпд тормозного цилиндра;

— усилие предварительного натяга, кН;

Ж, — жесткость отпускной пружины, кН/мм;

Ьт — выход штока ТЦ, мм.

Полученное значение диаметра ТЦ округляют до ближайшего выпускаемого промышленностью и определяют реализуемое при этом нажатие тормозной колодки по выражению

Автоматические тормоза подвижного соостава. В.Р.Асадченко

Вычисленное таким образом нажатие проверяют по условию безъюзового торможения (2.9), удельному давлению (3.2) и рекомендованному значению 5 (3.1). Если какие-либо из перечисленных проверок не проходят, то варьируют диаметром ТЦ так, чтобы все указанные требования выполнялись. На этом расчет механической части тормоза заканчивают.

Одним из важнейших элементов механической части тормоза являются тормозные колодки. К ним предъявляются следующие основные требования:

— коэффициент трения колодок должен мало зависеть от их нажатия, скорсти движения и температуры нагрева;

— фрикционные свойства колодок не должны изменяться в различных погодных условиях, особенно от попадания на них влаги;

— при торможении колодки не должны вызывать перегрева и повреждения колес, их повышенного износа, образования трещин.

Кроме того, недопустимо создание на поверхности катания колес токонепроводящих пленок и снижение силы сцепления колес с рельсами от тормозных колодок, а также образование вредных для человека продуктов износа.

На подвижном составе применяются чугунные, композиционные и фосфористые (чугунные с повышенным содержанием фосфора) тормозные колодки. Первые в основном используют на локомотивах и пассажирских вагонах, вторые — на грузовых и пассажирских, особенно скоростных вагонах, а третьи — на электропоездах. Чугунные колодки хорошо проводят тепло, их коэффициент трения не снижается при попадании влаги, но значительно уменьшается от роста скорости движения, и они недостаточно износостойки. Композиционные тормозные колодки обладают более стабильным от скорости и высоким коэффициентом трения, имеют в 3—4 раза меньший износ, чем чугунные, но хуже их отводят тепло, фрикционные свойства их снижа-

ются при увлажнении. Фосфористые чугунные колодки имеют повышенную износостойкость и коэффициент трения по отношению к стандартным чугунным, однако создают искрение при длительном торможении и не могут применяться на подвижном составе с деревянными конструкциями.

Износ чугунных тормозных колодок АН по толщине можно рассчитать по следующему выражению:

Автоматические тормоза подвижного соостава. В.Р.Асадченко

где Р — геометрическая площадь трения колодки, действующей на колесо; см2;

ак — коэффициент распределения теплового потока в колодке (0,2-0,3 при одностороннем нажатии колодок на колесо; 0,35 и 0,45 при двухстороннем нажатии соответственно одинарных и секционных колодок;

? —длительность торможения, с;

В, — средняя тормозная сила, действующая в течение времени г, от колодок на колесо, кгс;

У0 — средняя скорость движения, м/с;

рк — коэффициент качества колодок (при соответствии требованиям стандарта равен 1).

Критическое время непрерывного торможения /КР| после которого возникает катастрофически быстрый износ чугунных колодок, находится по формуле:

Автоматические тормоза подвижного соостава. В.Р.Асадченко

Это время для обычных условий торможения на затяжных спусках составляет, как правило, несколько десятков минут

Предыдущая Оглавление Следующая

Рекомендуемый контент: