Автоматические тормоза

Автоматические тормозаАВТОМАТИЧЕСКИЕ ТОРМОЗА в железнодорожном подвижном составе приводятся в действие не только с локомотива или из вагонов поезда, но и автоматически, при разрыве воздухопровода поезда. В 50-х годах 19 в. Листер получил патент на тормозное устройство, действовавшее сжатым воздухом и состоявшее из работавшего от оси компрессора и других деталей, которые и сейчас применяются в тормозах прямого действия. В 1869 г. Джордж Вестингауз предложил систему прямодействующего тормоза, состоящего из парового компрессора (по железнодорожной терминологии - парового насоса), накачивающего сжатый воздух в резервуар, и воздухопровода по поезду, с гибкими междувагонными соединениями и тормозными цилиндрами в каждом тормозном вагоне. Для приведения в действие тормозов надо было краном на паровозе пустить сжатый в резервуаре воздух в поездной провод и, действуя им на поршни тормозных цилиндров, прижать колодки к колесам. Повреждение воздухопровода выключало действие тормоза, что составляло опасность для поезда. В 1872 г. Вестингауз разработал систему автоматического торможения сжатым воздухом, которая отличалась от неавтоматической системы тем, что для торможения в первой системе надо было повысить давление в воздухопроводе, т. е. впустить воздух, а во второй - понизить давление в воздухопроводной магистрали, т. е. выпустить из магистрали воздух. На фиг. 1, 2, 3 и 4 показаны схемы неавтоматического и автоматического тормоза в двух положениях: фиг. 1 и 3 - в положении оттормаживания, фиг. 2 и 4 - в положении торможения. Система прямодействующего тормоза, по приведенной схеме, в настоящее время применяется в трамвайном движении, где поезда редко составляются больше чем из двух вагонов и ходят с небольшими скоростями.

Неавтоматический тормоз. Схема положения оттормаживания

Неавтоматический тормоз. Схема положения торможения

Автоматический тормоз. Схема положения оттормаживания

Автоматический тормоз. Схема положения торможения

Автоматический тормоз Вестингауза. Автоматичность действия получается введением в систему тройного клапана и запасного резервуара (фиг. 3 и 4), расположенных на ответвлении магистрали. Тройной клапан устроен так, что автоматически, при повышении давления в магистрали или при сохранении определенного постоянного в ней давления (фиг. 3), он сообщает воздухопровод с запасным резервуаром, а тормозной цилиндр с атмосферой; т. о. он заряжает запасный резервуар воздухом, позволяя в то же время оттормаживающей пружине отжимать поршень тормозного цилиндра. При понижении давления в магистрали, производимом выпуском воздуха из нее краном машиниста (служебное торможение) или краном в вагоне (торможение в случае опасности), тройной клапан автоматически переходит в другое положение (фиг. 4), разъединяя магистраль с запасным резервуаром и сообщая последний с тормозным цилиндром; при этом воздух запасного резервуара переходит в тормозной цилиндр и, давя на поршень, прижимает колодки к колесам. Действие тройного клапана показано на фиг. 5.

Действие тройного клапана

При повышении давления в магистрали давление с левой стороны поршня К становится больше, чем с правой, и поршень (фиг. 5, полож. 1) передвигается в крайнее правое положение, при котором воздух через канаву в корпусе клапана протекает в правую полость, а оттуда в запасный резервуар. При торможении, т. е. при понижении давления в магистрали, понижается давление и в осевой полости клапана (фиг. 5, полож. 2), поршень К переходит в левое положение, передвигая золотники (S0 и S, которые, разобщая тормозной цилиндр от атмосферы, сообщают его в то же время с запасным резервуаром. Так как в левой части клапана канавки нет, то при этом положении поршня К воздух не может поступать в правую полость клапана и пополнять запасный резервуар. Если поезд разорвется, то между вагонные рукава разъединятся, воздух выйдет из воздухопровода, все тройные клапаны придут в действие, и произойдет торможение. В таком положении поршень К останется при сильном понижении давления в воздухопроводе (около 1,5 atm), т. е. при большом выпуске воздуха; при меньшем же понижении давления в магистрали давление в запасном резервуаре В упадет ниже давления в магистрали, до уравнения давления в В и цилиндре С.

Как только давление в В и по правую сторону поршня К станет немного меньше давления в магистрали и по левую сторону поршня К, этот последний станет двигаться вправо и займет положение, показанное на фиг. 5, положен. 3, перекрывая золотником канал 2, т. е. разобщит запасный резервуар с тормозным цилиндром. Давление во втором останется меньшим, чем в первом, и поэтому произойдет неполное торможение. Такое изменение понижения давления выпуском воздуха малыми порциями можно произвести несколько раз и этим сделать торможение постепенным, вернее ступенчатым. Оттормаживание постепенным сделать нельзя, можно лишь полностью оттормозить, после чего вновь тормозить, выждав время, необходимое для зарядки запасного резервуара. Тормозное устройство по такой схеме может успешно действовать лишь в коротких поездах. При большой длине поезда, вследствие медленного распространения понижения давления по магистрали, действие тормозов задних вагонов замедляется. Для устранения этого недостатка в систему был введен Вестингаузом скородействующий тройной клапан, отличающийся от простого тройного клапана тем, что он при понижении давления в магистрали не только пропускает воздух из запасного резервуара в цилиндр, но также дает дополнительный выпуск воздуха из магистрали в цилиндр; этим усиливается быстрота распространения волны понижения давления вдоль магистрали, т. е. ускоряется вступление в действие тормозов следующих вагонов. Стандартное оборудование тормоза Вестингауза (фиг. 6) состоит:

Стандартное оборудование тормоза Вестингауза

1) из паровоздушного насоса с регулятором давления (на 7 atm); 2) крана машиниста; 3) скородействующих тройных клапанов с запасными резервуарами и тормозными цилиндрами под вагонами; 4) воздухопроводной магистрали из железных труб с резиновыми междувагонными рукавами и концевыми кранами и 5) кондукторских стоп-кранов в вагонах для экстренного торможения. Автоматический тормоз Вестингауза останавливает поезд из 6 вагонов со скорости 90 км/ч на расстоянии 300—400 м и вполне пригоден для коротких пассажирских поездов, но начинает выявлять недостатки при длинных пассажирских поездах и мало удобен для товарных поездов. Недостатки эти следующие: 1) Невозможность постепенного или ступенчатого отпуска; при полном отпуске длинного поезда, когда голова поезда уже отторможена, хвост еще заторможен, -  это ведет к оттяжкам и разрывам поездов; при ступенчатом медленном отпуске это не столь опасно. Коэффициент трения между тормозной колодкой и колесом зависит от относительной угловой скорости последнего; при остановке этот коэффициент равен 0,33, а при скорости 90 км/ч - 0,074, т. е. в 4,5 раза меньше. Поэтому сильный тормоз при остановке так крепко схватывает колеса, что они перестают вращаться и получают выбоины. Для предотвращения этого необходимо при уменьшившейся скорости ослабить тормоза, что можно сделать лишь постепенным ступенчатым отпуском. 2) Слабое действие или даже отказ от работы при нескольких повторных затормаживаниях и отпусках, что происходит вследствие ограниченности запаса воздуха в главном резервуаре и медленности пополнения запасных резервуаров. 3) Истощимость тормоза: при спуске на горных дорогах с длинных крутых уклонов поезд все время должен находиться в заторможенном состоянии, между тем как потери через разные неплотности постепенно ослабляют тормозную силу, которую нельзя пополнить свежим воздухом, не переведя тормоз в оттормаживающее положение. Этого, однако, сделать нельзя, ибо, как только начнется отпуск, скорость поезда немедленно достигнет опасных размеров. Для избежания этого на горных дорогах применяются двойные тормоза, представляющие комбинацию автоматического и неавтоматического тормозов с двумя отдельными воздухопроводами, при чем спуск с длинных уклонов происходит на неавтоматическом тормозе (системы Генри-Вестингауза).

Следующим усовершенствованием автоматических тормозов было применение двухкамерного тормозного цилиндра, предложенного в 80-х годах Карпентером. Схема такого цилиндра представлена на фиг. 7.

Схема двухкамерного тормозного цилиндра

Он состоит из двух камер, рабочей А и передней В, непосредственно соединяющейся с магистралью. Магистраль и передняя камера заряжаются воздухом в 5 atm. Из передней камеры В воздух, обходя вокруг поршневого воротника, перетекает в рабочую камеру А, в которой устанавливается то же давление. Когда при торможении (так же, как и в однокамерном тормозе) понижается давление в магистрали, понижается также давление и в передней камере В. Под действием избытка давления в камере А, из которой воздух никуда уйти не может, поршень продвигается вперед и нажимает колодки. Тормозное усилие может быть повышаемо постепенно (ступенями) и достигает своего максимума, когда воздух из магистрали и передних камер целиком уходит наружу. Для отпуска тормоза воздух снова должен быть впущен в магистраль и передние камеры. Разность давлений по обе стороны поршня уменьшится, отчего уменьшится давление на колодки. Т. о. отпуск тоже может происходить ступенями. Полный отпуск наступает тогда, когда давление в передних камерах будет доведено до 5 atm. Однако, несмотря на такие принципиальные преимущества этого тормоза, он не получил распространения вследствие двух причин: 1) большого расхода воздуха и 2) продолжительного времени для выпуска воздуха, т. е. медленного торможения.

Начиная с 1909 г. во всех европейских странах начались работы по исследованию применимости существующих систем автотормозов для обслуживания товарных поездов, причем выяснилось, что в европейских условиях, при длинных поездах, состоящих на 30% из тормозных вагонов и имеющих слабую сквозную (неупругую) стяжку, автотормоз должен обладать иными свойствами сравнительно с пассажирским типом. Он должен обладать: 1) Свойством легкой регулировки действия тормозом, т. е. постепенным нажатием и постепенным отпуском, чтобы предотвращать явления набега и отдергивания хвоста во избежание разрывов поезда. Если сравнить диаграммы давления в тормозном цилиндре первого и последнего вагонов (фиг. 8, левые кривые - возрастание давления в первом вагоне, а правые - в последнем), то очевидно, что в тормозах пассажирских поездов первый вагон уже сильно тормозится, когда в последнем вагоне действие тормоза только еще началось.

Диаграмма давлений пассажирского и товарного тормозов

Вследствие этого задние вагоны набегают на передние, что в дальнейшем ведет к отдергиванию и разрыву поезда. Для ослабления этого явления тройные клапаны товарных поездов имеют каналы для наполнения тормозных цилиндров с весьма малым сечением, что позволяет наполнять цилиндры значительно медленнее, чем у пассажирских тормозов, и потому распространение торможения по длинному поезду происходит достаточно плавно (пунктирная кривая диаграммы фиг. 8). 2) Неистощимостью, особенно на участках с длинными крутыми уклонами. 3) Двумя режимами - «груженым» и «порожним». Вес груженого товарного вагона в среднем в 3,5 раза больше веса порожнего, поэтому если нажатие тормозных колодок будет соответствовать весу груженого вагона, то при следовании вагона порожним давление колодок будет больше давления от колес на рельсы, колеса заклинятся и не будут вращаться; если же давление колодок будет соответствовать весу порожнего вагона, то при следовании груженого вагона не будет использована возможная для него тормозная сила. Стремление использовать возможно большую тормозную силу имеет особо важное экономическое значение, т. к. дает возможность уменьшить число тормозных вагонов в поезде. В тормозе Вестингауза для удовлетворения первому требованию применяются упомянутые узкие каналы в тройном клапане. Для удовлетворения второму требованию в нем вводится такого рода приспособление. Отверстие тройного клапана, сообщающееся с атмосферой, снабжено трубой, имеющей кран и разветвление, одна ветвь которого сообщается с атмосферой, а другая - с особой камерой (фиг. 9) с перегородками, имеющими каждая отверстие, с диаметром 0,8 мм.

Схема выпускного клапана Вестингауза

При следовании по обычному профилю кран ставится на непосредственное сообщение с атмосферой - «равнинный» режим, и тормоз действует по-обычному; перед спуском же по длинным уклонам кран ставится на камеру - «горный» режим. В этом случае воздух из тормозного цилиндра будет очень медленно (около 110 сек.) выходить через малые отверстия камеры, что не даст заметного ослабления торможения в течение определенного срока, во время которого запасные резервуары успеют зарядиться. Наконец, для удовлетворения третьего требования применяются для «груженого» режима два тормозных цилиндра, из которых при «порожнем» режиме один цилиндр выключается. Из описанного видно, что все эти требования удовлетворяются в системе Вестингауза недостаточно полно и притом довольно сложными и не совсем удобными мерами. После испытаний автоматических тормозов в товарных поездах, произведенных за последние годы, Франция, Польша и Румыния остановились на системе Вестингауза; остальные же страны забраковали эту систему, причем Германия, Швеция, Дания и Венгрия приняли двухкамерный тормоз Кунце-Кнорра, а СССР, Швейцария, Югославия и отчасти Австрия считают необходимым применение новых систем автоматических прямодействующих тормозов, обладающих огромными принципиальными преимуществами.

Тормоз Кунце-Кнорра. Этим тормозом оборудованы товарные вагонные парки Германии, Швеции и Дании и, по-видимому, будут оборудованы в недалеком будущем вагоны Австрии и Венгрии. Тормоз Кунце-Кнорра, будучи значительно усовершенствованным по сравнению с тормозом Вестингауза, представляет собой развитие идеи двухкамерного тормоза системы Карпентера, заключающееся в комбинации однокамерного и двухкамерного цилиндров, и обладает следующими достоинствами: 1) возможностью ступенчатого отпуска, 2) возможностью повысить тормозную силу груженого вагона примерно на 60% по сравнению с порожним и 3) меньшей истощимостью по сравнению с тормозом Вестингауза при повторных торможениях. Но он имеет много недостатков, главными из которых являются: 1) истощимость тормоза на затяжных уклонах, 2) зависимость давления в тормозных цилиндрах от величины хода поршня, 3) крайняя медленность торможения и оттормаживания (полное торможение поезда - около 60 сек., столько же и оттормаживание), 4) сложность управления тормозом, 5) сложность устройства тормозных цилиндров и воздухораспределителей. На фиг. 10 изображен тормозной цилиндр системы Кунце-Кнорра, состоящий из отлитых вместе однокамерного и двухкамерного цилиндров. Двухкамерный цилиндр имеет рабочую камеру А, объем которой несколько увеличен добавочным резервуаром А1, и переднюю камеру В. В однокамерном цилиндре только камера С участвует в торможении, вторая же его часть, по другую сторону поршня, всегда сообщается с атмосферой. На тормозном цилиндре укреплен воздухораспределитель (тройной клапан), в левой стороне которого имеется особый переключательный кран, дающий необходимые соединения для получения «порожнего» и «груженого» режима, т. е. для получения меньшего или большего конечного давления тормозных колодок на колеса.

Положение тормозных поршней и передачи при отпуске 

При отпущенном тормозе (фиг. 10) оба тормозных поршня находятся в крайнем правом положении; при этом камера В через канал X и воздухораспределитель сообщается с камерой А. Обе камеры наполнены воздухом при 5 atm, камера же С сообщается с атмосферой. При постепенном торможении, т. е. при малых выпусках воздуха из магистрали, сжатый воздух через воздухораспределитель проходит из камеры В в С и передвигает поршень однокамерного цилиндра влево. Обе камеры двухкамерного цилиндра при торможении служат запасным резервуаром. Чем больше воздуха выпускается через кран машиниста из магистрали, тем больше перейдет его из В в С и тем сильнее будет действие тормоза. По мере падения давления в В поршень двухкамерного цилиндра все дальше продвигается влево. Т. к. при этом объем камеры А все время возрастает, то воздух в А и в добавочном резервуаре А1 соответственно расширяется. Если прекратить выпуск воздуха из магистрали (при ступенчатом торможении), то переход воздуха из В в С, а также убыль давления в А будут продолжаться только до тех пор, пока давление в А станет немногим меньше давления в магистрали. Тогда воздухораспределитель автоматически прекращает приток воздуха из В в С. Тормозные поршни при этом занимают положение, показанное на фиг. 11.

Положение тормозных поршней и передачи при ступенчатом торможении

При дальнейшем торможении давление в цилиндре С еще возрастет; но поршень цилиндра С не может передвинуться еще дальше влево, т. к. он уже раньше нажал на передачу. Поршень двухкамерного цилиндра имеет еще возможность передвинуться влево. Тормозное усилие можно еще увеличивать, пока воздух в А может расширяться и пока правый поршень не упрется в рычажную передачу (фиг. 12).

Положение тормозных поршней и передачи при полном торможении

Если переключательный кран поставлен на «порожний» режим, то после ряда торможений давление в В и С уравняется и получится наибольшее торможение, возможное при таком положении переключателя. При положении переключателя на «груженый» режим и уравнении давлений в В и С воздух из В через воздухораспределитель уйдет в атмосферу, тогда как давление в С сохранится полностью. По правую сторону двухкамерного поршня начнет действовать давление в4,и поршень начнет давить влево. Этим общее тормозное усилие будет повышено на 60% по сравнению с «порожним» режимом.

Автоматические прямодействующие тормоза. Следующее усовершенствование тормозов было внесено системой автоматических прямодействующих тормозов, представляющих собою значительный шаг вперед по сравнению со всеми другими усовершенствованиями старых систем. Основное усовершенствование заключается в применении воздухораспределителя, построенного на равновесии не двух давлений (магистрали и запасного резервуара), как в старых системах, а трех давлений (магистрали, тормозного цилиндра и особой камеры постоянного давления). Для уяснения принципа действия представим себе воздухораспределитель (фиг. 13), состоящий из трех камер, отделенных друг от друга гибкими диафрагмами: левая камера всегда имеет определенное постоянное давление, средняя - сообщается с магистралью и правая - сообщается с тормозным цилиндром.

Схема однорежимного воздухораспределителя тормоза Казанцева

Обозначим площадь левой диафрагмы через Ω, а правой через ѡ; силы, действующие направо, знаком +, а силы, действующие налево, знаком —. Тогда равновесие системы можно выразить следующим уравнением: СΩ — MΩ + Мѡ — Тѡ = 0, где С - давление (в кг/см2 или в atm) в левой камере, М - давление в средней и Т - давление в правой камере. Отсюда Т = Ω· С/ѡ - Ω· М/ѡ + М. Если соотношение площадей Ω/ѡ выбрать равным 4, то

Т = 4С — 4М + М = 4С — 3 М.   (1)

Давление в левой камере получим из рассмотрения равновесия системы во время отпуска, когда давление в магистрали будет равно 6 atm абс., а в тормозном цилиндре 1 atm абс.; тогда из уравнения (1)

С = (3М + Т)/4 = 19/4 = 4,75 atm абс.

и уравнение (1) примет вид:

Т = 19 — 3М,     (2)

т. е. Т = f(М). Это означает, что давление в тормозном цилиндре является функцией от давления в магистрали, т. е. любому давлению магистрали будет соответствовать свое определенное давление в тормозном цилиндре; это свойство дает возможность иметь любое ступенчатое торможение и любой ступенчатый отпуск. Другое основное свойство - неистощимость тормоза, т. е. его питание во время процесса торможения, обеспечивается тем, что при тормозном давлении в магистрали в 6 atm абс. при отпущенных тормозах наименьшее давление в магистрали при максимальном торможении назначается в 4,8 atm абс.; тогда максимальное давление в тормозном цилиндре будет, из уравнения (2), равно

Т = 19 — 3М = 19 —14,4 = 4,6 atm абс., т. е.

М (4,8 atm абс.) > С (4,75 atm абс.) > Т (4,6 atm абс.).

Следовательно, при торможении давление в магистрали всегда будет больше давления в цилиндре, а потому воздух всегда будет иметь возможность перетекать из магистрали в цилиндр, пополняя утечки. Это свойство делает тормоз прямодействующим, а следовательно, и неистощимым. В этих тормозах легко осуществляется применение двойного режима - «груженого» и «порожнего»; для этого воздухораспределитель разделен диафрагмами не на 3, а на 5 камер (добавляется «атмосферная» камера и «режимная»); переключением этих камер получаются разные зависимости давлений между магистралью и тормозным цилиндром. Так, при понижении давления в магистрали с 6 до 4,8 atm абс. давление в тормозном цилиндре получается для «груженого» режима 4,6 atm абс., для «порожнего» режима 2,3 atm абс., т. е. действительное давление при груженом режиме получается на 100% выше, чем при порожнем, тогда как в тормозе Кунце-Кнорра превышение равняется всего 60%. По такому принципу построены тормоза: Казанцева, Матросова (СССР), Дрольсхаммера (Швейцария), Божича (Югославия) и Американской компании прямодействующих тормозов, но, конечно, в совершенно различной конструктивной разработке. Схема воздухораспределителя Казанцева приведена на фиг. 14. Камера Т, кроме тормозного цилиндра, может сообщаться с источником сжатого воздуха (запасным резервуаром и магистралью) или с атмосферой.

Схема расположения приборов двухрежимного тормоза Казанцева

Это зависит от положения стержня, на котором собираются все диафрагмы, и клапана в ускорительную камеру. При понижении давления в магистрали равновесие системы нарушается, и вся система со стержнем передвигается вправо, толкая вместе с собой также клапан и открывая впуск воздуха из запасного резервуара в тормозной цилиндр. Т. к. с повышением давления в тормозном цилиндре повышается давление в камере Т, то при некоторой величине давления в цилиндре система вновь вернется в положение равновесия, и клапан закроет впуск воздуха в цилиндр. При повышении давления в магистрали (и в камере М) система передвигается влево; стержень отойдет от конца клапана, закрывающего канал в стержне, и через этот канал откроется сообщение между Т и камерой А, соединенной с атмосферой; воздух из цилиндра через Т и А выйдет в атмосферу и произведет оттормаживание. Схема конструкции крана машиниста показана на фиг. 14. Тормоз системы Казанцева принят как стандартный для дорог СССР, и им предположено переоборудовать весь товарный, а впоследствии и пассажирский подвижные составы. В настоящее время (1927 г.) Закавказские дороги работают на двухпроводном тормозе Казанцева, а на Северных, Южных, Донецких, Екатерининской и Средне-Азиатской железных дорогах однопроводной системой Казанцева снабжаются маршрутные товарные поезда внутреннего сообщения. В 1925 г. на Сурамском и Джаджурском перевалах Закавказских дорог, представляющих уклоны длиной: на Джаджурском перевале 70 верст, а на Сурамском перевале 30 верст, крутизной от 28° до 15° были произведены сравнительные испытания в товарных поездах тормозов Кунце-Кнорра и однопроводного - Казанцева. Эти испытания показали все преимущества системы автоматических прямодействующих тормозов (Казанцева) перед двухкамерными тормозами (Кунце-Кнорра). Насколько управление первыми было легко и просто, настолько управление вторыми требовало большого искусства и внимания. При этом поезд на тормозах Казанцева точно соблюдал предписанные скорости, а поезд на тормозах Кунце-Кнорра (ведомый германскими инструкторами) шел со скоростями, значительно отклонявшимися от предписанных.

Хозяйственное значение введения автотормозов на товарном подвижном составе. Помимо повышения безопасности движения, введение автотормозов увеличивает скорости движения поездов, а, следовательно, улучшает обороты паровозов и вагонов, т. е. усиливает использование подвижного состава. Основное же хозяйственное значение - это уменьшение числа обслуживающего поезд персонала. По данным германских дорог, число кондукторов на поезд - при ручном торможении 6,75 чел. - уменьшилось после введения автотормозов до 3,75 чел., т. е. получилась экономия в персонале в 40%. Это составляет столь значительное сбережение в расходах, что издержки по введению тормозов покрываются этими сбережениями через пять лет.

В настоящей статье не описаны вакуум-тормоза, в виду их малого распространения (некоторые дороги Англии и Австрии), а также электропневматические тормоза, вследствие малой вероятности широкого их применения на железных дорогах.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 1 - 1927 г.