Тормоза для высокоскоростного подвижного состава

Поскольку кинетическая энергия движущегося поезда возрастает в квадратичной зависимости от скорости движения, то для быстрого перевода ее в тепловую и механическую требуются мощные и эффективные тормозные средства. Пара трения колодка-колесо при скоростях выше 150 км/ч не успевает отводить возникающее тепло, даже при чугунных тормозных колодках. Это вызывает необходимость ее переноса с поверхности катания колеса на специальные, хорошо вентилируемые диски, устанавливаемые обычно по два на одной оси колесной пары. Тормозные накладки прижимаются к этим дискам через клещевидную рычажную передачу, связанную с одним, небольшого диаметра, тормозным цилиндром.

В связи с тем, что при дисковом тормозе в отличие от колодочного не происходит очистки поверхности катания колес, коэффициент сцепления их с рельсами снижается в 1,5-2 раза, что увеличивает вероятность юза. Поэтому на высокоскоростных поездах обязательна установка противогазных устройств.

Первые из них, инерционно-механические, срабатывали при окружных замедлениях колес более 3-4 м/с, после проворота маховика на оси колесной пары, и резко, за доли секунды, выпускали воздух из ТЦ, растормаживая весь вагон. Затем, после паузы в 1,5-2,0 с, давление в ТЦ вновь возрастало через сбрасывающий клапан до исходного. В расчете на периодическое срабатывание таких регуляторов объем запасных резервуаров на каждом вагоне увеличивался в 4-5 раз.

Эти устройства выполняли простейшую функцию по исключению повреждения колес при юзе, и алгоритм их действия являлся "защитным". Тем не менее они позволяли реализовать уровень сцепления колес с рельсами на 15-20 % выше, по сравнению с обычными пассажирскими поездами.

Поскольку замедление вращения колеса в этих приборах не является признаком, гарантирующим отсутствие юза, возникали случаи их блокирования и повреждения при так называемом "медленном" юзе, с низким темпом потери окружной скорости. Однако, оставаясь в рамках пневматических конструкций противогазных устройств, реализовать другие алгоритмы выявления и ликвидации юза довольно сложно.

В этой связи в нашей стране и за рубежом для эффективного использования свойств сцепления при поосном, или потележечном торможении, были созданы быстродействующие электронные противогазные регуляторы, позволяющие при экстренном торможении вести колеса в режиме небольшого периодического проскальзывания.

В пределах одного вагона, или локомотива, эти устройства сравнивают скорость вращения колес, определяя величину их скольжения, и резким изменением давления в ТЦ на небольшую величину в большую или меньшую сторону, удерживают индивидуально проскальзывание колесных пар в диапазоне 10-15 %. Это позволяет повысить уровень реализуемого сцепления при торможении на 60-70 %.

Совершенствование электронных противогазных устройств в нашей стране привело к созданию так называемых регуляторов управления скольжением с адаптивным алгоритмом действия. При этом функции защиты колесных пар от повреждения являются безусловно обязательными, но второстепенными. На первое место выдвигаются требования по максимальному использованию сил сцепления колес рельсами при торможении, что и вызвало применение функций подстройки (адаптации) регулятора под условия движения.

Один из перспективных алгоритмов действия таких регуляторов представлен на рис. 2.12 [4, 5]. При экстренном торможении давление в ТЦ первой оси поезда Рц1 вырастает до тех пор, пока не наступит юз (скольжение колеса более 2 %) в момент и. Этот уровень давления Р, запоминается в устройстве, и оно выполняет антиблокировочный цикл (г:-г4), снижая давление в ТЦ до тех пор, пока колесо не прекратит замедляться (момент г3).

В течение периода /3-/4 давление воздуха остается неизменным, а колесо выходит из юза, увеличивая скорость вращения. Когда это произойдет (момент г4), давление в ТЦ вновь вырастает, но до уровня на АР меньше того, при котором юз начался (момент г5).

Как показали исследования свойств сцепления [1, 2], несмотря на его вероятностные свойства, на однородном участке пути без посторонних включений на рельсах оно изменяется в пределах 5 % на расстоянии около 100 м. Поэтому, определив предельный уровень сцепления через давление в ТЦ (Р,), можно после антиблокировочного цикла подстроиться под него и двигаться, эффективно тормозя, на расстоянии Д51.

Если на этом отрезке пути самопроизвольного срыва колес в юз не произошло, устройство вновь поднимает давление в ТЦ до потери сцепления (момент и) и определения нового уровня Р2, с дальнейшей автоматической подстройкой под него после антиблокировочного цикла и т.д. Поскольку следующие за первой колесные пары двигаются в лучших

Рис. 2.12. Адаптивный алгоритм регулятора управления скольжением

по сцеплению условиях, то уровень давления в их тормозных цилиндрах сразу подстраивается под известный, определенный при ее юзе.

Таким образом, остальные колесные пары не вводятся в режим повышенного скольжения, реализуя силу сцепления, близкую к максимальной (см. диаграммы давлений Р„ на рис. 2.12 и характеристику сцепления на рис. 2.3). Это позволяет в десятки раз уменьшить износ колесных пар и расход сжатого воздуха по сравнению с рассмотренным выше алгоритмом, а самое главное, использовать потенциальное сцепление колес с рельсами практически полностью. Расчетная тормозная эффективность поездов, оборудованных адаптивными регуляторами управления скольжением, по сравнению с обычными пассажирскими возрастает почти в два раза.

Дальнейшее повышение тормозной эффективности требует применения тормоза, не зависящего от сил сцепления колес с рельсами. Таким тормозом является магнитно-рельсовый, в котором на каждой тележке между колесными парами установлены два тормозных электромагнитных башмака.

При экстренном торможении пневматическими устройствами башмаки переводятся в рабочее положение и в их индукционные обмотки подается электрический ток от аккумуляторных батарей вагона. Электромагнитными силами каждый башмак прижимается к рельсу с усилием около 100 кН, создавая значительные силы трения и сокращая дополнительно тормозной путь на 30-40 %. Кроме скоростных пассажирских поездов такие тормоза применяют на трамваях и тяговых агрегатах промышленного транспорта.