Исторические аспекты развития тормозных систем железнодорожного подвижного состава

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исторические аспекты развития тормозных систем железнодорожного подвижного состава

Тормозная техника совершенствуется, однако тормозные приборы на массовых видах подвижного состава остаются прежними или претерпевают некоторую реконструкцию. Необходимо учитывать, что перевозки осуществляются сотнями тысяч грузовых вагонов и десятками тысяч пассажирских, работающих на железных дорогах. Выпускаемые в настоящее время вагоны и локомотивы в большинстве своем оснащены тормозными приборами, которые будут работать еще не один десяток лет, но развитие тормозной техники идет, главным образом, пока в одном направлении - совершенствование воздухораспределителей. Более широко развиваются приборы управления тормозами на современных локомотивах. В данной статье рассмотрены основные этапы развития тормозных систем железнодорожного подвижного состава.

Развитие железнодорожного транспорта происходит быстрыми темпами. В настоящее время достигнуты высокие скорости движения пассажирских поездов на западноевропейских железных дорогах. Планируется повышение скоростей на железной дороге России. В связи с этим повышаются требования к тормозам железнодорожного подвижного состава, которые являются одним из главных средств обеспечения безопасности движения поездов. Они оказывают непосредственное влияние на уровень пропускной и провозной способностей железной дороги.

Достигнуть высоких показателей по пропускной и провозной способности железных дорог, увеличить скорость доставки грузов и пассажиров возможно за счет эффективного использования современных тормозных систем, которые так же влияют и на безопасность движения поездов.

Для торможения первых поездов в конце 19 в. применялись простые рычаги, которые прижимались к ободам колес и останавливали их вращение. Рычагом тормоза управлял кондуктор, находившийся на тормозной площадке. Позже рычаги были заменены штурвальным колесом с винтовым передаточным механизмом, что облегчило управление.

В 1804 г. в Англии, поезд из пяти груженых вагонов и паровоза, который изобрел Ричард Тревитик, был оборудован первыми ручными тормозами, скорость его движения была 8 км/ч.

В 1847 г. были разработаны первые конструкции автоматических непрерывных тормозов. Под автоматичностью понимается срабатывание тормоза на торможение при обрыве воздухопровода или тормозной магистрали поезда, а под непрерывными тормозами понимаются тормоза поезда, связанные в единую систему и управляемые с одного пульта (кабина машиниста).

Было создано много конструкций различных механических тормозов - цепных, канатных, пружинных. Патент на первый воздушный тормоз был выдан в России в 1859 г. инженеру О. Мартину, который не смог его реализовать практически. В 1869 г. патент на прямодействующий воздушный тормоз получил американский предприниматель Дж. Вестингауз, который занимался внедрением тормозов на подвижной состав и их производством, в том числе и на территории России.

В 1872 г. организация, получившая название в честь его фамилии, начала выпускать тормоза, оборудованные автоматическим управлением. Суть которого заключалась в применении воздухопровода, а именно тормозной магистрали с соединительными рукавами, что позволяло создать непрерывный пневматический канал. Таким образом, сжатый воздух поступал от локомотива к вагонам, тем самым создавая возможность использовать его энергию для управления процессом торможения за счет изменения давления в тормозной магистрали. Поэтому данной системой должен был быть оборудован весь подвижной состав.

Повышение эффективности использования тормозных средств и увеличение реализуемого сцепления между колесами поезда и рельсами при торможении привело к дальнейшему развитию тормозной техники.

Малые скорости движения грузовых поездов в России в 19 и начале 20 веков не требовали внедрения автоматических тормозов. Но в 1897 г. произошла серьезная авария на Александровской железной дороге с участием воинского поезда. В следствии чего была организована транспортная комиссия, которая должна была разработать алгоритм введения автоматической системы торможения в грузовом движении, которая применялась на пассажирском еще с 1878 г. На тот момент существовало около 9 различных систем тормозов, вестингаузский в данном списке лидировал.

В 1899 г. приказом железных дорог был определен порядок внедрения тормоза Вестингауза. К этому времени в Петербурге был построен завод, занимавшийся выпуском данных тормозов. Но созданная Комиссия так и не смогла остановить свой выбор на одних конкретных автоматических тормозах, так как выяснилось, что тормоз Вестингауза имеет ряд серьезных недостатков в грузовом движении. Поэтому с 1901 г. Комиссия разрешила применять еще две тормозные системы: «Нью-Йорк» и Липковского. Спустя некоторое время петербургский завод «Вестингауз» сумел обанкротить Липковского, что привело к исчезновению данных тормозов с рынка.

Из-за Русско-японской войны процесс внедрения автоматических тормозных систем был прерван, а после войны на осуществление данного мероприятия не было средств. Но уже на тот момент большая часть старого тягового подвижного состава была оборудована автотормозами, а новый производился с их использованием. В 1914 г. данный вопрос подняли снова для обсуждения на внеочередном съезде инженеров тяги, но его не суждено было рассмотреть из-за начавшейся войны.

В 1921 г. машинист Ф.П. Казанцев предложил новую тормозную систему и в Москве ему выделили завод под его разработку. Позже завод стал называться Московский тормозной завод. Уже в 1924 г. тормоз прошел первые испытания, а в 1925 г. после испытаний на Закавказской дороге его стали использовать на всех грузовых поездах, взамен тормозов фирмы «Вестингауз»

В 1926 г. И.К. Матросов предложил использовать две свои системы торможения, которые в последующие два года доводил до совершенства. Одновременно (1927-1928 гг.) поступили предложения от других изобретателей. После проведения испытания ряда испытаний предпочтение отдали тормозам Матросова. И с 1931 г. в тормозных системах выпускаемых в России грузовых вагонов и локомотивов стал использоваться воздухораспределитель, предложенный изобретателем И. К. Матросовым.

В начале 30-х годов 25 % грузовых вагонов были оборудованы автоматическими тормозными системами Вестингауза, Казанцева и Матросова. Но уже к началу 1941 г. эта доля составляла 93 %, причем большая часть это были тормоза Матросова.

В 1947 г. начали применяться автоматические регуляторы тормозной рычажной передачи. В 1948 г. повсеместно использовались электропневматические тормоза на электропоездах, а с 1958 г. на пассажирских поездах с локомотивной тягой.

В 1952 г. начато изготовление воздухораспределителя для длинно составных и тяжеловесных поездов; с 1959 г. грузовые вагоны и локомотивы оборудуются усовершенствованным воздухораспределителем высокой чувствительности, наиболее совершенная модификация которых (№ 483) серийно производится с 1976 г.

В конце 1970-х годов научными сотрудниками кафедры «Электрическая тяга» Уральского электромеханического института инженеров железнодорожного транспорта (УЭМИИТ), ныне Уральского государственного университета путей сообщения (УрГУПС) были разработаны первые опытные образцы принципиально новых электро-пневматических тормозных устройств, которые со временем только совершенствовались, а затем уже начали применяться на сети дорог и стали выпускаться серийно. В настоящее время УрГУПС ведет работы по апробации и внедрению новой тормозной системы, а именно беспроводных электро-пневматических тормозов.

Таким образом, процесс развития тормозной системы железнодорожного подвижного состава проходил в три основных этапа.

Первый (1834-1928 гг.) обусловлен внедрением и повсеместным использованием только импортных тормозов. Второй (1929-1990 гг.), характеризуется развитием отечественных систем торможения, которые начали применяться в рамках стратегического развития страны. Третий (с 1991 г. по настоящее время) предусматривает интенсивный переход от устаревших пневматических конструкций тормозных устройств к более совершенным электро-пневматическим, выполненными на базе микропроцессорной техники.

Существует большое количество классификации тормозов. Тормозная система в целом предназначена для снижения скорости движения и/или остановки транспортного средства или механизма, при этом она позволяет также исключить самопроизвольное движения состава во время покоя. У данного термина существуют и другие значения. Так, например, железнодорожный тормоз представляет собой механизм, который способен с помощью искусственного сопротивления движению контролировать скорость движения транспортного средства и его полную остановку.

Ниже приведены основные виды классификации тормозов.

1) По реакции на обрыв управляющего канала:

- автоматические - срабатывают без участия машиниста, останавливая поезд и все его части;

- неавтоматические - требуют участия в процессе торможения машиниста, в заторможенном состоянии производят отпуск.

2) По способу создания тормозной силы:

- фрикционные - источником силы является трение;

- динамические (электрические) - создание электрической энергии за счет механической, которая в дальнейшем переходит в тепловую энергию и рассеивается или возвращается в контактную сеть.

3) 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.

4) По характеру действия и месту применения:

- 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;

- полужесткие - работают также как нежесткие, но 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.

5) По темпу изменения давления в тормозных цилиндрах:

-медленнодействующие грузовые;

- быстродействующие пассажирские.

Автором диссертационного исследования рассмотрены более подробно перечисленные виды тормозов.

По свойствам управляющей части различают тормоза автоматические и неавтоматические, к которым относится и ручной тормоз.

Первые срабатывают на торможение при разрыве тормозной магистрали поезда, а так же после открытия стоп-крана из любого вагона поезда автоматически срабатывают тормоза на торможение вследствие снижения давления воздуха в тормозной магистрали поезда. Процесс торможения происходит без участия машиниста. Они обеспечивают высокую безопасность перевозочного процесса, позволяют рассчитать тормозной путь, на основе всего этого производится расстановка сигналов на перегоне. Данные тормозные системы установлены на всех грузовых и пассажирских поездах.

Неавтоматические тормоза используются в качестве дополнительных на тяговом подвижном составе и автономных подвижных единицах. Данный вид торможения может быть только при повышении давления в тормозной магистрали.

Вторая классификация (по способу создания тормозной силы) предполагает разделение тормозов на фрикционные (колодочные и дисковые) и динамические (электродинамические, гидродинамические и реверсивные).

Фрикционные тормоза по способу управления делятся на стояночные (ручные), пневматические, электропневматические, электромагнитные и электрические (на локомотивах), а по конструкции - на колодочные, дисковые и магниторельсовые. Последние отличаются тем, что используются на высокоскоростном транспорте и их максимальная эффективность не ограничена силой сцепления колес с рельсами.

В фрикционных тормозах источником тормозной силы является трение, возникающее при скольжении тормозных колодок по поверхности катания колеса, или тормозных накладок по поверхности тормозного диска (барабана), или тормозного башмака по поверхности качения рельса; вследствие этого кинетическая энергия превращается в тепловую, которая рассеивается в окружающей среде. Фрикционный тормоз обеспечивает высокую безопасность движения поездов и принимается в расчет при установлении допустимой скорости движения.

Поэтому фрикционные тормоза создают тормозную силу в месте контакта колеса и рельса при их сцеплении в результате воздействия тормозных колодок на поверхности катания колес (колодочные тормоза) либо тормозных накладок на диски, закрепленные на колесных парах (дисковые тормоза), а также за счет притяжения возбуждаемых током тормозных магнитов непосредственно к рельсам. В последнем случае, так называемые фрикционные рельсовые тормоза, используемые на скоростном либо на специальном промышленном подвижном составе, работающем на особо крутых уклонах (более 0,04), действуют независимо от сцепления колес с рельсами.

Стояночным тормозом оборудованы локомотивы, пассажирские вагоны и 10 % грузовых вагонов. Пневматическим тормозом оборудованы грузовые вагоны, а электропневматическим тормозом - пассажирские вагоны, электропоезда и дизель-поезда.

Фрикционные тормоза, имеющие пневматический привод, приводятся в действие сжатым воздухом, поступающим к вагонам поезда через тормозную магистраль, которая одновременно является управляющей. Торможение обеспечивается снижением давления в тормозной магистрали, отпуск тормозов - его повышением. Любой разрыв состава либо разъединение тормозной магистрали (открытие стоп-крана, сообщающего тормозную магистраль с атмосферой) приводит к автоматическому торможению поезда. Для длительного удержания подвижного состава на месте используется ручной привод тормоза (ручные тормоза) или тормозные башмаки, устанавливаемые на рельсы.

Магниторельсовыми тормозами оборудованы высокоскоростной поезд с локомотивной тягой РТ200 (Русская тройка), высокоскоростной электропоезд ЭР200 и высокоскоростной электропоезд «Сокол», предназначенный для эксплуатации на направлении Москва-Санкт-Петербург. Электрическими тормозами оборудованы отдельные серии электровозов, тепловозов и электропоездов.

Реостатные и рекуперативные тормоза относятся к динамическим и применяются на большинстве магистральных электровозов. Они позволяют снизить износ тормозных колодок и расход сжатого воздуха, поэтому их выгодно использовать для регулирования скорости на небольших спусках. Данные тормозные системы не отвечают за безопасность, так как с падением скорости снижают свою эффективность, и устанавливаются только на тяговом подвижном составе.

В динамических тормозах источником тормозной силы является вращающий момент, направленный против вращения колесных пар и создающийся при переводе тяговых двигателей локомотива в режим генератора. Динамические тормоза бывают рекуперативными, реостатными, рекуперативно-реостатными и гидродинамическими. Эти тормоза не являются тормозами безопасности и не учитываются при расчете сил тормозного нажатия в поезде, они применяются эффективно лишь при регулировании скорости на крутых и затяжных спусках пути, при этом уменьшается износ фрикционных материалов тормоза и обеспечивается наиболее точное поддержание заданной скорости движения.

В рекуперативном тормозе вырабатываемая генератором электроэнергия возвращается в контактную сеть, а в реостатном тормозе поглощается специальными сопротивлениями (реостатами). В гидродинамическом тормозе тормозная сила создается дросселированием жидкости (масла) в гидротрансформаторе локомотивов с гидропередачей.

В динамических тормозах сила торможения может создаваться электромагнитным полем при переключении электрических двигателей в генераторный режим, а тормозная энергия гасится в реостатах либо передается в контактную сеть - электродинамические тормоза (реостатные, рекуперативные либо рекуперативно-реостатные), или за счет соответствующего переключения гидропередачи на тяговом подвижном составе с гидропередачей - гидродинамическое торможение.

Следующая классификация предполагает разделение тормозов на прямодействующие и непрямодействующие.

В прямодействующих тормозах грузовых поездов связь грузового цилиндра на локомотиве и запасного резервуара, а также тормозного цилиндра на каждой подвижной единице, не разрывается и все утечки восполняются.

На пассажирских поездах применяются непрямодействующие тормоза. Их особенность заключается в том, что сниженное давление в запасном резервуаре и тормозном цилиндре не компенсируется. При этом данное свойство положительно используется в грузовом движении, а именно это позволяет длительно тормозить на затяжных спусках без потери эффективности торможения. Принадлежность к одному или другому виду тормоза зависит от конструкции воздухораспределителя.

Согласно четвертой классификации (по характеристикам действия) автоматические пневматические тормоза бывают мягкие или нежесткие, полужесткие и жесткие.

Мягкие тормоза установлена на всех пассажирских воздухораспределителях и грузовых, которые работают на равнинной местности. Они срабатывают на торможение с любого зарядного давления в тормозной магистрали, а на полный отпуск - при небольшом повышении давления в тормозной магистрали (на 0,2-0,3 кгс/см2). При медленном снижении давления в тормозной магистрали темпом мягкости 0,2-0,3 кгс/см2 в 1 мин находящийся в положении отпуска тормоз не срабатывает на торможение. После срабатывания такого тормоза на торможение давление в тормозном цилиндре увеличивается при снижении давления в тормозной магистрали любым темпом.

Полужесткие тормоза схожи по своим свойствам с нежесткими, но каждой величине роста давления в тормозной магистрали после торможения соответствует определенная ступень отпуска в тормозном цилиндре. При восстановлении зарядного (поездного) давления наступает полный отпуск, который называют тяжелым или ступенчатым. Такие тормоза установлены на грузовых воздухораспределителях, работающих на горной местности, с уклоном больше 18 %. После торможения этим тормозом при отпуске колодки не отходят от поверхности колес до тех пор, пока тормозная магистраль и подключенные к ней запасные резервуары не будут заряжены до исходного давления. Следующее торможение будет происходить с полным тормозным эффектом, как и предыдущее. Управляемость поездов с полужестким тормозом хуже, чем с нежестким, но она компенсируется высокой безопасностью движения.

Жесткий тормоз работает на определенной величине зарядного давления в тормозной магистрали, при снижении давления в ней ниже зарядного любым темпом происходит торможение. При давлении в тормозной магистрали выше зарядной величины тормоз в действие не приходит до момента снижения давления ниже зарядного.

Мягкие тормоза применяются на пассажирских вагонах, полужесткие тормоза - на грузовых вагонах, а жесткие - на вагонах, эксплуатирующихся на участках железных дорог с уклонами крутизной до 45 %, например, на горно-обогатительных комбинатах с открытой добычей руды.

Последняя классификация (по назначению тормоза) предполагает грузовые и пассажирские тормоза. За характеристику их работы принимают время наполнения и опорожнения тормозного цилиндра. Таким образом, происходит разделение тормозов на быстродействующие пассажирские и медленнодействующие грузовые. Скорость протекающих процессов обусловлена при торможении допустимыми продольно-динамическими реакциями, а при отпуске - длиной тормозной магистрали и величиной подключенных к ней объемов запасных резервуаров и камер. Разновидностью пассажирского тормоза является скоростной тормоз с приводом к магниторельсовому тормозу, осуществляющий автоматическое регулирование силы нажатия тормозной чугунной колодки на колесо в зависимости от скорости движения.

Тормозная техника совершенствуется, однако тормозные приборы на массовых видах подвижного состава остаются прежними или претерпевают некоторую реконструкцию. Необходимо учитывать, что перевозки осуществляются сотнями тысяч грузовых вагонов и десятками тысяч пассажирских, работающих на железных дорогах. Выпускаемые в настоящее время вагоны и локомотивы в большинстве своем оснащены тормозными приборами, которые будут работать еще не один десяток лет, но развитие тормозной техники идет, главным образом, пока в одном направлении - совершенствование воздухораспределителей. Более широко развиваются приборы управления тормозами на современных локомотивах.

Мощность и эффективность тормозов определяются по трем основным показателям: скорость поезда, его вес и длина тормозного пути. Эти факторы являются доминирующими при выборе тормозных систем.

железнодорожный тормозной состав безопасность

Список использованных источников

железнодорожный тормозной состав безопасность

1. Асадченко В. Р. Автоматические тормоза подвижного состава: Учебное пособие для вузов ж. д. транспорта. - М.: Маршрут, 2006. - 392с.

2. Расчёт и проектирование пневматической и механической частей тормозов вагонов. Под ред. П. С.Анисимова. М.: Маршрут, 2005. - 248с.

3. Иноземцев В.Г. и др. Автоматические тормоза: Учеб.-М.: Транспорт, 1981. - 464с

4. Сологуб Н. К., Шамаков А. Н. Безопасность движения поездов и маневров на железных дорогах: Уч. пос. для студентов вузов ж.-д. транспорта. - М.: Транспорт, 1995. - 90 с.

5. Крылов В. В. и др. Транспортное оборудование железнодорожного состава: Справочник - М.: Транспорт, 1989. - 487 с.

Размещено на Allbest.ru