Кинетическая энергия «Сапсана» на максимальной скорости — свыше 1500 мегаджоулей. Для полной остановки вся она должна быть рассеяна на тормозных устройствах
Было дело, просили меня поподробнее раскрыть эту тему именно здесь, на хабре. Здесь публикуется довольно много обзорных статей на железнодорожную тематику, однако данная тема еще не освящалась подробно. Думаю, что было бы довольно интересно написать об этом статью, а возможно и не одну. Поэтому прошу под кат тех, кому интересно как устроены тормозные системы железнодорожного транспорта, и по каким причинам они устроены именно так.
1. История появления пневматического тормоза
Задача управления любым транспортом включает в себя регулирование скорости его движения. Железнодорожный транспорт не является исключением, более того, его конструктивные особенности вносят в этот процесс существенные нюансы. Поезд состоит из большого количества сцепленных между собой экипажей, и получившаяся система имеет значительную длину и массу при весьма приличной скорости движения.
По определению, тормоза — комплекс устройств, предназначенных для создания искусственных, регулируемых сил сопротивления, используемых для управляемого снижения скорости движения транспортного средства.
Самый очевидный, лежащий на поверхности, способ создания тормозного усилия — использование силы трения. С самого начала и до сегодняшнего дня используется колодочный фрикционный тормоз. Специальные устройства — тормозные колодки, изготовленные из материала с высоким коэффициентом трения, механически прижимаются к поверхности катания колеса (либо к специальным дискам, установленным на оси колесной пары). Между колодками и колесом возникает сила трения, создающая тормозной момент.
Регулирование тормозного усилия выполняется за счет изменения силы прижатия колодок к колесу — тормозного нажатия. Вопрос только в том, какой привод используется для прижатия колодок, и, история тормозов, отчасти, есть история развития этого привода.
Первые железнодорожные тормоза были механическими и приводились в действие вручную, отдельно на каждом вагоне специальным людьми — тормозильщиками или кондукторами. Кондукторы находились на так называемых тормозных площадках, которыми был оборудован каждый вагон, и приводили в действие тормоза по сигналу машиниста локомотива. Обмен сигналами между машинистом и кондукторами осуществлялся с помощью специальной сигнальной веревки, протянутой вдоль всего поезда, приводившей в действие специальный свисток.
Старинный двухосный грузовой вагон с тормозной площадкой. Виден вороток ручного тормоза
Сам по себе тормоз с механическим приводом обладает малой мощностью. Величина тормозного нажатия зависела от силы и сноровки кондуктора. К тому же в работу такой тормозной системы вмешивался человеческий фактор — кондукторы не всегда верно выполняли свои обязанности. О высокой эффективности таких тормозов, а так же об увеличении скорости движения поездов, оборудованных ими говорить не приходилось.
Дальнейшее развитие тормозов требовало, во-первых, увеличения тормозного нажатия, и во-вторых — обеспечения возможности дистанционного управления им на всех вагонах с рабочего места машиниста.
Гидравлический привод, применяемый в автомобильных тормозах, получил широкое распространение за счет того, что обеспечивает высокое нажатие при компактности исполнительных устройств. Однако, при применении такой системы в поезде проявятся её основной недостаток: необходимость в специальном рабочем теле — тормозной жидкости, утечка которой недопустима. Большая протяженность тормозных гидравлических линий в поезде, в месте с высокими требованиями к их герметичности делают невозможным и нерациональным создание гидравлического железнодорожного тормоза.
Другое дело пневматический привод. Использование воздуха высокого давления позволяет получить высокие тормозные нажатия при приемлемых габаритах исполнительных устройств — тормозных цилиндров. Нет недостатка в рабочем теле — воздух вокруг нас, и даже если возникает утечка рабочего тела из тормозной системы (а она непременно возникает) её относительно легко можно восполнить.
Простейшей системой тормоза, использующего энергию сжатого воздуха является прямодействующий неавтоматический тормоз
Схема прямодействующего неавтоматического тормоза: 1 — компрессор; 2 — главный резервуар; 3 — питательная магистраль; 4 — поездной кран машиниста; 5 — тормозная магистраль; 6 — тормозной цилиндр; 7 — отпускная пружина; 8, 9 — механическая тормозная передача; 10 — тормозная колодка.
Для работы такого тормоза необходим запас сжатого воздуха, хранимый на локомотиве в специальном резервуаре, называемом главным резервуаром (2). Нагнетание воздуха в главный резервуар и поддержание в нем постоянного давления выполняется компрессором (1), приводимым в действие от энергетической установки локомотива. Подачу сжатого воздуха к приборам управления тормозами выполняют по специальному трубопроводу, называемому питательной (ПМ) или напорной магистралью (3).
Управление тормозами вагонов и подача в них сжатого воздуха производится посредством длинного трубопровода, идущего через весь поезд и называемого тормозной магистралью (ТМ) (5). При подаче сжатого воздуха по ТМ он наполняет тормозные цилиндры (ТЦ) (6) подключенные непосредственно к ТМ. Сжатый воздух давит на поршень, прижимая тормозные колодки 10 к колесам, как на локомотиве, так и на вагонах. Происходит торможение.
Для прекращения торможения, то есть отпуска тормозов, необходимо выпустить воздух из тормозной магистрали в атмосферу, что приведет к возврату тормозных механизмов в исходное положение за счет усилия отпускных пружин, установленных в ТЦ.
Для торможения необходимо соединить тормозню магистраль (ТМ) с питательной (ПМ). Для отпуска — соединить тормозную магистраль с атмосферой. Эти функции выполняет специальный прибор — поездной кран машиниста (4) — при торможении он соединяет ПМ и ТМ, при отпуске — разобщает эти трубопроводы, одновременно выпуская воздух из ТМ в атмосферу.
В такой системе существует и третье, промежуточное положение крана машиниста — перекрыша когда ПМ и ТМ разобщены, но и выпуск воздуха из ТМ в атмосферу не происходит — кран машиниста полностью изолирует её. Набранное в ТМ и ТЦ давление сохраняется и время его поддержания на установленном уровне определяется величиной утечек воздуха через различные неплотности, а так же термической стойкостью тормозных колодок, нагревающихся при трении о бандажи колес. Постановка в перекрышу как при торможении так и при отпуске позволяет регулировать тормозное усилие ступенями. Такой тормоз обеспечивает как ступенчатое торможение, так и ступенчатый отпуск.
При всей простоте такой системы тормоза у неё имеется фатальный недостаток — при расцеплении поезда происходит разрыв тормозной магистрали, воздух из неё выходит и поезд остается без тормозов. Именно по этой причине такой тормоз не может быть применен на железнодорожном транспорте, слишком велика цена его отказа. Даже без разрыва поезда, при наличии крупной утечки воздуха эффективность тормоза будет снижена.
Исходя из вышесказанного возникает требование, чтобы торможение поезда инициировалось не возрастанием, а понижением давления в ТМ. Но как тогда наполнить тормозные цилиндры? Это дает второе требование — на каждой подвижной единице в поезде должен хранится запас сжатого воздуха, которые необходимо оперативно пополнять после каждого торможения.
К похожим выводам пришла инженерная мысль конца XIX века, что выразилось в создании Джорджем Вестингаузом в 1972 году первого автоматического железнодорожного тормоза.
Устройство тормоза Вестингауза: 1 — компрессор; 2 — главный резервуар; 3 — питательная магистраль; 4 — поездной кран машиниста; 5 — тормозная магистраль; 6 — воздухораспределитель (тройной клапан) системы Вестингауза; 7 — тормозной цилиндр; 8 — запасный резервуар; 9 — стоп-кран.
На рисунке показано устройство этого тормоза (рисунок а — работа тормоза при отпуске; б — работа тормоза при торможении). Главным элементом тормоза Вестигауза стал тормозной воздухораспределитель или, как его еще иногда называют, тройной клапан. Этот воздухораспределитель (6) имеет чувствительный орган — поршень, работающий на разности двух давлений — в в тормозной магистрали (ТМ) и запасном резервуаре (ЗР). Если давление в ТМ становится меньше чем в ЗР, то поршень смещается влево, открывая путь воздуху из ЗР в ТЦ. Если давление в ТМ становится больше давления в ТМ — поршень смещается вправо, сообщая ТЦ с атмосферой, и одновременно сообщая ТМ и ЗР, обеспечивая наполнение последнего сжатым воздухом из ТМ.
Таким образом, при снижении давление в ТМ по любой причине, будь то действия машиниста, чрезмерная утечка воздуха из ТМ или разрыв поезда — тормоза сработают. То есть такие тормоза обладают автоматичностью действия. Это свойство тормоза позволило добавить еще одну возможность по управлению тормозами поезда, используемую на пассажирских поездах и поныне — экстренная остановка поезда пассажиром, путем сообщения тормозной магистрали с атмосферой через специальный клапан — стоп-кран (9).
Тем к то знаком с этой особенностью тормозной системы поезда смешно смотреть фильмы, где воры-ковбои лихо отцепляют от поезда вагон с золотом. Для того, чтобы подобное можно было осуществить, ковбои должны, перед отцепкой, перекрыть концевые краны на тормозной магистрали, разобщающие тормозную магистраль от соединительных рукавов между вагонами. Но они никогда этого не делают. С другой стороны, перекрытые концевые краны не раз послужили причиной страшных катастроф, связанных с отказом тормоза, как у нас (Каменск в 1987 году, Ерал-Симская в 2011), так и за рубежом.
Из-за того, что наполнение тормозных цилиндров происходит от вторичного источника сжатого воздуха (запасного резервуара), без возможности его постоянного пополнения, такой тормоз называется непрямодействующим. Зарядка ЗР сжатым воздухом происходит только при отпуске тормоза, что приводит к тому, что при частых торможениях с последующим отпуском, при недостаточной выдержке времени после отпуска, ЗР не успеют зарядится до нужного давления. Это может привести к полному истощению тормоза и потере управления тормозами поезда.
Пневматический тормоз обладает и другим недостатком, связанным с тем, что падение давления в тормозной магистрали, как и любое возмущение, в воздушной среде распространяется с большой, но все же конечной скоростью — не более 340 м/с. Почему не более? Потому, что скорость звука — это идеальный вариант. Но в пневмосистеме поезда существует ряд препятствий, снижающих скорость распространения скачка снижения давления, связанных с сопротивлением течению воздуха. Поэтому, если не принимать специальных мер, скорость снижения давления в ТМ будет тем ниже, чем дальше от локомотива находится вагон. В случае с тормозом Вестингауза скорость так называемой тормозной волны не превышает 180 — 200 м/с.
Тем не менее, появление пневматического тормоза позволило повысить как мощность тормозов, так и оперативность управления ими непосредственно с рабочего места машиниста Это послужило мощным толчком к развитию железнодорожного транспорта, повышению скорости движения и веса поездов, и как следствие, колоссальному увеличению грузооборота на железной дороге, росту протяженности железнодорожных линий во всем мире.
Джоржд Вестингауз был не только изобретателем, но и предприимчивым дельцом. Свое изобретение он запатентовал еще 1869 году, что позволило ему развернуть массовое производство тормозного оборудования. Довольно быстро тормоз Вестингауза получил широкое распространение в США, Западной Европе и в Российской Империи.
В России тормоз Вестингауза безраздельно царил до Октябрьской революции, да и довольно долгое время после нее. Фирма «Вестингауз» построила в Петербурге свой тормозной завод, а так же умело вытеснила с российского рынка конкурентов. Однако, тормоз Вестингауза обладал рядом принципиальных недостатков.
Во-первых, этот тормоз обеспечивал только два режима работы: торможение до полного наполнения тормозных цилиндров, и отпуск — опорожнение тормозных цилиндров. Создать промежуточную величину тормозного нажатия с его длительным поддержанием было невозможно, то есть в тормозе Вестингауза отсутствовал режим перекрыши. Это не позволяло реализовать точное управление скоростью поезда.
Во-вторых, тормоз Вестингауза плохо работал в длинных поездах, и если в пассажирском движении с этим можно было как-то мирится, то в грузовом возникали проблемы. Помните о тормозной волне? Так вот, тормоз Вестингауза не обладал средствами увеличения её скорости, и в длинном поезде снижение давления в ТМ на последнем вагоне могло начаться слишком поздно, да и темпом, существенно ниже, чем в голове поезда, что создавало дикую неравномерность срабатывания тормозных приборов по составу.
Надо сказать, что вся деятельность фирмы «Вестингауз», как в России того времени, так и во всем мире насквозь пропитана капиталистическим душком патентных войн и недобросовестной конкуренции. Это и обеспечило столь несовершенной системе столь долгую жизнь, по крайней мере в тот исторический период.
При всем при этом следует признать — тормоз Вестингауза заложил основы тормозной науки и принцип его действия остался неизменным в современных тормозах подвижного состава.
2. От тормоза Вестингауза к тормозу Матросова — становление отечественной тормозной науки.
Практически сразу после появления тормоза Вестингауза и осознания его недостатков возникли попытки совершенствования этой системы, либо создания другой, принципиально новой. Наша страна не являлась исключением. На начало XX века Россия обладала развитой сетью железных дорог, игравших значительную роль в обеспечении экономического развития и обороноспособности страны. Повышение эффективности транспорта связано с увеличением скорости его движения и массы единовременно перевозимого груза, а значит остро поднимались вопросы совершенствования тормозных систем.
Существенным толчком к развитию тормозной науки в РСФСР а позже СССР послужило снижение влияние крупного западного капитала, в частности фирмы «Вестингауз», на развитие отечественной железнодорожной отрасли после октября 1917 года.
Ф.П. Казанцев (слева) и И.К. Матросов (справа) — создатели отечественного железнодорожного тормоза
Первой ласточкой, первым серьезным достижением молодой отечественной тормозной науки, стали разработки инженера Флорентия Пименовича Казанцева. В 1921 году Казанцев предложил систему прямодействующего автоматического тормоза. Приведенная ниже схема описывает все основные идеи, привнесенные не только Казанцевым, и её задача — объяснить основные принципы работы усовершенствованного автоматического тормоза
Прямодействующий автоматический тормоз: 1 — компрессор; 2 — главный резервуар; 3 — питательная магистраль; 4 — поездной кран машиниста; 5 — устройство питания утечек тормозной магистрали; 6 — тормозная магистраль; 7 — соединительные тормозные рукава; 8 — концевой кран; 9 — стоп-кран; 10 — обратный клапан; 11 — запасный резервуар; 12 — воздухораспределитель; 13 — тормозной цилиндр; 14 — тормозная рычажная передача.
Итак, первой основной идеей является то, что управление давлением в ТМ осуществляется опосредованно — через снижение/повышение давления в специальном резервуаре, называемом уравнительным резервуаром (УР). Он показан на рисунке справа от крана машиниста (4) и сверху от устройства питания утечек из ТМ (5). Плотность этого резервуара обеспечить технически гораздо легче чем плотность тормозной магистрали — трубы длиной достигающей километровых порядков и идущей через весь поезд. Относительная стабильность давления в УР позволяет поддерживать давление в ТМ, используя давление в УР как задающее. И правда, поршень в устройстве (5) при снижении давления в ТМ опускается вниз, открывая клапан, наполняющий ТМ из питательной магистрали, тем самым поддерживая в ТМ давление, равное давлению в УР. Этой идее предстоял ещё длинный путь развития, но теперь давление в ТМ не зависело от наличия внешних утечек из неё (до известных пределов). Устройство 5 перекочевало в кран машиниста и остается в нем, в модифицированном виде, и по сей день.
Другой важной идеей, лежащей в основе конструкции данного типа тормоза, является питание ЗР от ТМ через обратный клапан 10. При превышении давления в ТМ над давлением в ЗР этот клапан открывается, наполняя ЗР из ТМ. Таким образом происходит непрерывное пополнение утечек из запасного резервуара и обеспечивается неистощимость тормоза.
Третьей важной идеей, предложенной Казанцевым, является конструкция воздухораспределителя, который работает на разности не двух давлений, а трех — давления в тормозной магистрали, давления в тормозном цилиндре, и давления в специальной рабочей камере (РК), которая при отпуске питается давлением от тормозной магистрали, вместе с запасным резервуаром. В режиме торможения РК разобщается с запасным резервуаром и тормозной магистралью, сохраняя величину изначального зарядного давления. Это свойство широко используется в тормозах подвижного состава как для обеспечения ступенчатого отпуска, та и для управления равномерностью наполнения ТЦ вдоль поезда в грузовых составах, ибо рабочая камера служит эталоном изначального зарядного давления. Исходя из его величины модно обеспечить и ступенчатый отпуск и организовать более раннее наполнение ТЦ в хвостовых вагонах. Подробное описание этих вещей оставлю для других статей по этой теме, пока лишь скажу, что работы Казанцева послужили стимулом для развития в нашей стране научной школы, приведшей к разработке оригинальных систем тормоза подвижного состава.
Другим советским изобретателем, кардинально повлиявшим на развитие отечественных тормозов подвижного состава стал Иван Константинович Матросов. Его идеи, принципиально не отличались от идей Казанцева, однако последовавшие позже эксплуатационные испытания систем тормозов Казанцева и Матросова (вкупе с другими системами тормоза) показали существенное превосходство второй системы в части эксплуатационных характеристик при применении, прежде всего, на грузовых поездах. Таким образом тормоз Матросова с воздухораспределителем усл. № 320 стал основой для дальнейшей разработки и проектирования тормозного оборудования железных дорог колеи 1520 миллиметров. Современный автоматический тормоз, используемый в России и странах СНГ, по рпаву может носить имя тормоза Матросова, так как впитал, на начальном этапе своего развития, идеи и конструкторские решения Ивана Константиновича.
Вместо заключения
А какое заключение? Работа над этой статьей убедила меня в том, что тема достойна цикла статей. В этой, пилотной статье, мы коснулись истории развития тормозов подвижного состава. В следующих уйдем в пикантные подробности, затронув не только отечественный тормоз, но и разработки коллег из Западной Европы, осветив устройство тормозов разных типов и рода службы подвижного состава. Так что, я надеюсь, тема будет интересной, и до новых встреч на хабре! Спасибо за ваше внимание!
Автор: Дмитрий Притыкин
