Железнодорожный тормоз

Железнодорожный тормоз — устройство, позволяющее создать искусственное сопротивление движению с целью регулирования скорости или полной остановки поезда.

Виды тормозов

• По реакции на обрыв управляющего канала:
  • автоматические — срабатывают на торможение при разрыве поезда и останавливают все его части без участия машиниста;
  • неавтоматические — при разрыве поезда не срабатывают на торможение, а в заторможенном состоянии производят отпуск.
• По способу создания тормозного эффекта:
  • фрикционные — используют силу трения;
  • электрические — преобразуют механическую энергию поезда в электрическую, которая возвращается в контактную сеть или преобразуется в тепловую энергию и рассеивается.
• По способу восполнять утечки в тормозных цилиндрах и запасных резервуарах:
  • прямодействующие (неистощимые) — восполняют утечки на каждой единице подвижного состава из главного резервуара локомотива;
  • непрямодействующие (истощимые) — снижение давления в запасных резервуарах и тормозных цилиндрах не компенсируется.
• По характеру действия:
  • нежесткие — работают с любого зарядного давления, не реагируют на медленное снижение давления в тормозной магистрали (темп мягкости), производят полный отпуск при небольшом повышении давления в тормозной магистрали (на 0,02—0,03 МПа);
  • полужесткие — работают с любого зарядного давления, не реагируют на снижение давления в тормозной магистрали темпом мягкости, производят ступенчатый отпуск, при котором каждой величине повышения давления в тормозной магистрали соответствует определённая величина снижения давления в тормозных цилиндрах;
  • жесткие тормоза — настраиваются на определённое давление в тормозной магистрали и при его изменении в любом темпе устанавливают соответствующее давление в тормозных цилиндрах.
• По темпу изменения давления в тормозных цилиндрах:
  • медленнодействующие грузовые;
  • быстродействующие пассажирские.

Пневматический тормоз

Тормозной цилиндр, грузовой воздухораспределитель и запасной резервуар тормозной системы полувагона

Самыми распространёнными являются пневматические тормоза, которые приводятся в действие сжатым воздухом. В них воздух поступает в тормозные цилиндры и давит на поршень, который преобразует давление воздуха в усилие, передающееся через тормозную рычажную передачу на тормозные колодки, прижимая их к ободу колеса, либо к тормозному диску на оси. Впервые пневматический тормоз был предложен в 1869 году Вестингаузом и с тех пор постоянно совершенствовался. Тормоз Вестингауза имеет только два режима — торможение и отпуск, в настоящее время он ещё используется в поездах метрополитена. В отличие от него, современные пневматические тормоза позволяют регулировать тормозную силу, меняя давление воздуха в тормозных цилиндрах. Машинист управляет тормозами, изменяя давление в тормозной магистрали, при помощи крана машиниста — производит разрядку тормозной магистрали (торможение), поддерживает установленное давление (перекрыша) и заряжает тормозную магистраль (отпуск тормозов). Пневматическая схема локомотива также включает в себя кран вспомогательного тормоза, позволяющий управлять тормозами локомотива независимо от тормозов состава.

На каждой единице подвижного состава к тормозной магистрали через тройник и разобщительный кран подключен воздухораспределитель, соединённый с тормозным цилиндром и запасным резервуаром. На грузовых вагонах между воздухораспределителем и тормозным цилиндром может включаться грузовой авторежим. Зарядное давление в тормозной магистрали зависит от типа поезда, так для пассажирского поезда оно составляет 4,5—5,2 кг/см² (около 0,44—0,51 МПа). При снижении давления в тормозной магистрали воздухораспределитель наполняет тормозной цилиндр сжатым воздухом из запасного резервуара. Давление в тормозном цилиндре устанавливается в зависимости от величины разрядки тормозной магистрали, режима работы воздухораспределителя (порожний, средний, гружёный) и загрузки вагона при использовании авторежима. В режиме перекрыши в прямодействующих тормозах утечки воздуха из тормозного цилиндра компенсируются из запасного резервуара, а запасной резервуар может пополняться из тормозной магистрали через обратный клапан. В непрямодействующих тормозах утечки воздуха из тормозных цилиндров не компенсируются. При повышении давления в тормозной магистрали тормозной цилиндр разряжается в атмосферу либо полностью, при равнинном (нежестком) режиме работы воздухораспределителя, либо на ступень, пропорциональную повышению давления в тормозной магистрали при горном (полужестком) режиме работы и происходит дозарядка запасного резервуара. В случае повреждения тормозной магистрали (в том числе при разрыве поезда) и выходе воздуха из неё в атмосферу, воздухораспределитель напрямую соединяет запасной резервуар с тормозным цилиндром. В этом случае происходит экстренное торможение — воздух поступает в цилиндры под максимальным давлением, благодаря чему реализуется максимальная тормозная сила. Экстренное торможение можно вызвать и принудительно — постановкой ручки крана машиниста в положение «Экстренное торможение», либо открытием стоп-крана — в этом случае тормозная магистраль также напрямую соединяется с атмосферой.

Основной недостаток пневматического тормоза заключается в том, что скорость распространения воздействия от крана машиниста к воздухораспределителям, а следовательно и срабатывания тормозов по составу, не может превышать скорости звука (331 м/с). Распространение области пониженного давления по тормозной магистрали называется воздушной волной, её скорость близка к скорости звука. Процесс распространения по составу поезда нарастающего давления в тормозных цилиндрах называется тормозной волной. Скорость тормозной волны зависит от конструкции воздухораспределителей, температуры воздуха, зарядного давления. Для поддержания скорости тормозной волны воздухораспределителями производится дополнительная разрядка тормозной магистрали. Скорость тормозной волны может достигать 280 м/с при служебном торможении и 300 м/с — при экстренном.. Неодновременность срабатывания тормозов может привести к продольным толчкам, что в пассажирских поездах приводит к дискомфорту пассажиров, а в длинных грузовых — к разрыву поезда. Поэтому на пассажирских, а также грузовых длинносоставных поездах используют электропневматические тормоза. В этом случае параллельно тормозной магистрали идёт электрический провод, по которому и передаются сигналы на воздухораспределители (последний при этом называется электровоздухораспределителем, из-за наличия в конструкции электрической части). Преимущество такого типа тормоза заключается в практически одновременном срабатывании тормозов по всей длине состава, что также позволяет сократить тормозной путь.

Для проверки работы пневматических тормозов, после завершения формирования поезда производят их полное опробование. При этом проверяется действие тормозов всех вагонов в составе, а также скорость утечки воздуха из тормозной магистрали. После полного опробования тормозов, осмотрщик вагонов вручает машинисту ведущего локомотива справку об обеспеченности поезда тормозами и их исправности. На моторвагонных поездах данные о полном опробовании тормозов заносятся в журнал технического состояния. На российских железных дорогах также производят сокращённое опробование тормозов, при этом проверяется действие тормозов лишь на последнем вагоне. Сокращённое опробование производят в следующих случаях: после прицепки поездного локомотива к составу, если предварительно на станции было выполнено полное опробование автотормозов от компрессорной установки (станционной сети) или локомотива, после смены локомотивных бригад, когда локомотив от поезда не отцепляется, при стоянке поезда больше 20 минут, после всякого разъединения рукавов в составе поезда или между составом и локомотивом (кроме отцепки подталкивающего локомотива, включенного в тормозную магистраль), соединения рукавов вследствие прицепки подвижного состава, а также после перекрытия концевого крана в составе, при падении давления в главных резервуарах ниже 5,5 кгс/см², при смене кабины управления или после передачи управления машинисту второго локомотива на перегоне после остановки поезда в связи с невозможностью дальнейшего управления движением поезда из головной кабины, в грузовых поездах, если при стоянке поезда произошло самопроизвольное срабатывание автотормозов или в случае изменения плотности более чем на 20 % от указанной в справке формы ВУ-45, в грузовых поездах после стоянки поезда более 30 мин, где имеются осмотрщики вагонов или работники, обученные выполнению операций по опробованию автотормозов, и на которых эта обязанность возложена. Также в пути следования в установленных местах производится проверка тормозов на эффективность — машинист торможением уменьшает скорость на определённую величину, при этом проверяется длина пути торможения.

Электрический тормоз

Основная статья: Электрическое торможение

На электропоездах, электровозах, а также тепловозах с электрической передачей помимо пневматических тормозов используют и электрические, которые преобразуют механическую энергию поезда в электрическую. В этом случае используют обратимость электродвигателя, то есть его возможность работы генератором. Полученная электроэнергия либо преобразуется в тепловую в реостатах (реостатное торможение), либо возвращается в контактную сеть (рекуперативное торможение), также возможно их сочетание (рекуперативно-реостатное торможение). Рекуперативное торможение позволяет повысить КПД электрической тяги за счёт возврата части электроэнергии, реостатное же обеспечивает полную автономность от внешних источников, что позволяет использовать его на тепловозах. Рекуперативным торможением оборудованы электровозы ВЛ8, ВЛ10, ВЛ80^р, ВЛ85, ЭП10, ЭП1^м. Реостатным тормозом оборудован тепловоз ТЭП70, электропоезда ЭР9Т, ЭР200, электровозы ВЛ80^с, ЧС2^т, ЧС4^т, ЧС8, ЧС7, ЧС200, а также трамвай, вагоны метрополитена и все высокоскоростные поезда. Рекуперативно-реостатным тормозом оборудованы электропоезда ЭР2Р, ЭР2Т, ЭТ2.

Магниторельсовый тормоз

Магниторельсовый тормоз трамвая

Также существует магниторельсовый тормоз. Он состоит из двух (реже — четырёх) башмаков, каждый из которых подвешен между колёсами и по конструкции представляет собой электромагнит. При торможении башмаки опускаются на рельсы, а на их катушки подаётся электрический ток. Возникшая магнитная сила прижимает башмаки к рельсам, тем самым увеличивая тормозную силу, тормозной путь при этом сокращается на 30—35 %. Применяется данный тормоз на трамваях, высокоскоростных поездах и тяговых агрегатах. Их основное преимущество — компактность, что позволяет вместе с ними использовать дисковые тормоза, которые занимают относительно большой объём от подвагонного пространства.

История введения автотормозов в России

Малые скорости движения грузовых поездов в России в XIX и начале XX веков не способствовали введению автоматических тормозов, пока в 1897 году не произошла катастрофа с воинским поездом на Александровской железной дороге. Тогда же была образована комиссия для выработки решения о порядке введения автоторможения в грузовом движении. На тот момент в пассажирском движении автотормоза применялись повсюду (начиная с 1878 года), и на различных дорогах насчитывалось порядка 9 различных систем тормозов, из которых тормоз Вестингауза занимал лидирующее положение. В 1899 году вышел приказ по казенным железным дорогам, в котором был указан порядок оборудования грузовых вагонов тормозом Вестингауза в 3 этапа, в Петербурге АО «Вестингауз» был построен завод по производству тормозов. Но Комиссия по автотормозам тогда так и не пришла к единому мнению, какой системе отдать предпочтение, поскольку к этому времени выявились серьёзные недостатки системы Вестингауза, особенно применительно к грузовому движению, и с 1901 года разрешила применять системы «Нью-Йорк» и Липковского. Но вскоре АО «Вестингауз» сумело разорить Липковского и закрыло его завод.

Подготовительный этап введения автотормозов затянулся, и тут началась Русско-японская война. В результате процесс оказался прерванным, а после войны на продолжение работ не было средств, и вопрос был снят. Однако начало было положено — большинство старых грузовых паровозов были оборудованы автотормозами, а новые комплектовались тормозным оборудованием сразу на заводе-изготовителе. Но вскоре этот вопрос встал уже более остро. По иронии судьбы этот вопрос собирались рассмотреть на внеочередном съезде инженеров тяги, который должен был состояться в 1914 году, но опять помешала война.

Первое после войны предложение новой системы тормозов сделал в 1921 году машинист Ф. П. Казанцев. Под его разработку тут же выделили в Москве завод (будущий МТЗ — Московский тормозной завод). Тормоз Казанцева испытывался с 1924 года, а после испытаний в 1925 году на Закавказской дороге нового однопроводного варианта тормоза Казанцева с наливными маршрутами, он был оставлен там в эксплуатации. В 1926 году поступило два предложения своей системы тормозов от изобретателя И. К. Матросова.. В последующие 2 года эти две системы тормозов активно доводились до совершенства. Одновременно в 1927—1928 годах поступили предложения своих систем тормозов от других изобретателей. А в конце 1930 года на Закавказской дороге были проведены сравнительные испытания трех систем автотормозов, в результате которых единогласно победила система Матросова. На основании этого коллегия НКПС от 8 февраля 1931 года постановила: принять тормоз Матросова (воздухораспределитель М-320) в качестве типового для грузового подвижного состава железных дорог СССР. И. К. Матросов был награжден за это орденом Ленина за № 35.

В начале 30-х годов доля вагонов, оборудованных автотормозами, составляла примерно 25 % товарного парка, причем эксплуатировались тормоза трех систем — Вестингауза, Казанцева и Матросова. Но благодаря энергичным действиям к началу 1941 года 93 % товарного парка было оборудовано автотормозами, основу которых составлял воздухораспределитель М-320, изобретенный Матросовым.

С 1947 года вагонный парк начал оснащаться автоматическими регуляторами тормозной рычажной передачи, а с 1966 года – грузовым авторежимом. С 1953 года стал выпускаться и устанавливаться на подвижной состав, запатентованный Матросовым в 1946 году новый воздухораспределитель МТЗ-135 для длинносоставных поездов. С 1959 года стали устанавливаться уже новые системы тормозов, воздухораспределители № 270, в разработке которых принимал участие И. К. Матросов, а с 1979 года № 483, находящиеся в эксплуатации по сей день.

Широкое применение электропневматических тормозов на электропоездах началось в 1948 году, а на пассажирских поездах с локомотивной тягой – с 1958 года.

Ссылки

• Книга «История грузовых железнодорожных перевозок в России XIX—XX века»