Загальні відомості про гальма

Наприкінці Х1Х ст. для гальмування поїздів застосовувалися колодки, що притискалися до ободів коліс. Керував натисканням цих колодок через систему важелів головний кондуктор, що знаходився на гальмовій площадці. Згодом важіль замінили штурвалом з гвинтовим механізмом. Патент на перше повітряне гальмо одержав у Росії інженер О. Маркін у 1859 р. Але цей проект не був реалізований. У1869 році американський підприємець Дж. Вестингауз винайшов прямодіюче повітряне гальмо, організував його виробництво і впровадження на рухомому складі.

З 1882 року почалося широке впровадження гальма Вестингауза в Росії. Перший гальмовий завод у Росії був створений у Москві в 1921 році на базі Ризького заводу ВЭК.

У 1923 році на цьому заводі були виготовлені повітророзподільники, створені машиністом депо Челкар Ташкентської дороги, винахідником Казанцевим Ф.П. Іспити рухомого складу з гальмами Казанцева і Кунце-Кнорра (Німеччина), проведені в 1925 році, показали перевагу гальм системи Казанцева.

Велика заслуга в розвитку гальмових систем належить відомому радянському винахіднику И.К. Матросову. Повітророзподільники усл. № М-320, усл. №МТЗ –135, усл. №270-002 системи Матросова випускалися Московським гальмовим заводом з 1932 по 1953 р. У даний час повітророзподільники усл. №292 і усл. № 270-005-1, створені Матросовим установлені на рухомому складі країн СНД.

Великий внесок у розвиток гальмобудівництва внесли теоретики з гальмування – російський вчений проф. Петров Н.П. і радянські вчені Карвацкий Б.Л., Казаринов В.М., Егорченко В.Ф., Лазарян В.А. та ін.

Сучасні гальмові системи рухомого складу повинні забезпечувати регулювання швидкості на затяжних спусках, заплановану зупинку рухомого складу в заданому місці, екстрену зупинку в межах розрахункового гальмового шляху, у випадку раптово виниклої перешкоди. Крім того гальма рухомого складу повинні не допускати перевищення гальмової сили над силою зчеплення колеса з рейкою, тобто не допускати заклинювання колісної пари і руху юзом по рейках, а також не допускати підвищених зносів тертьових деталей рухомого складу при гальмуванні. З метою забезпечення безпеки руху гальмова система поїзда повинна автоматично здійснювати гальмування при розриві поїзда, як головної частини, так і вагонів, що відчепилися, а також забезпечити можливість виконання екстреного гальмування всього складу з кожного вагона пасажирського поїзда.

Гальма рухомого складу можна класифікувати за способом створення гальмової сили і за властивостями систем керування гальмами.

За способом створення гальмової сили розрізняють фрикційні та динамічні гальма; за властивостями систем керування – автоматичні та неавтоматичні.

Фрикційні гальма – це такі гальма, при яких ефект гальмування створюється в результаті тертя. До фрикційних гальм можна віднести колісні, дискові і магніто-рейкові. Колісні чи дискові гальма створюють гальмову силу за рахунок тертя, створеного притисненням з визначеним зусиллям гальмової колодки до ободів колеса чи спеціального гальмового диску колісної пари. При такому гальмуванні величина гальмової сили не повинна перевищувати силу зчеплення колеса з рейкою, тому що в протилежному випадку виникає явище юза. У магніто-рейкових гальмах гальмовий ефект виникає в результаті магнітного притягання гальмового башмака до рейки. Сила натискання при цьому не обмежується силою зчеплення колеса з рейкою. Магніто-рейкові гальма застосовуються як додаткові до пневматичних, як правило, у високошвидкісних поїздах при екстреному гальмуванні.

Дискові гальма застосовуються в моторвагонному поїзді – електропоїздах і дизель-поїздах. Основними перевагами їх є полегшеність конструкції приводу, високий к.к.д. і відсутність механічного впливу на поверхню бандажа колісної пари. Робочим тілом у фрикційних гальмах є, як правило, стиснене повітря, котре створюється компресором локомотива. Тому ці гальма ще називають пневматичними. Пневматичні фрикційні гальма є основним засобом забезпечення безпеки руху поїзда і приймаються в розрахунок при визначенні гальмових параметрів руху поїзда.

Динамічні гальма бувають електричні та гідродинамічні. Гальмовий ефект цих гальм виникає тільки у ведучих колісних парах рухомого складу, тому вони застосовуються разом з основними пневматичними фрикційними гальмами. Основним принципом електричного гальмування є переклад тягових електродвигунів при гальмуванні в режим роботи генераторами. При цьому, одержуючи обертання якоря від колісної пари і при наявності збудження обмотки головних полюсів, на затисках тягового двигуна з'являється е.р.с., а при замкнутому колі по обмотці якоря проходить струм. Цей струм і створює гальмуючий момент якоря ТЕД, а отже, і колісної пари локомотива. У залежності від електричного кола проходження цього струму гальмування може бути реостатним, рекуперативним чи рекуперативно-реостатним. Детальні процеси, що відбуваються в ТЕД при реостатному і рекуперативному гальмуванні розглянуто в «Методичних порадах», частина 1, тема 9.

Фрикційне та динамічне гальмування створюється керованою силою, тобто ефективність гальмування керується машиністом локомотива. Електричні гальма використовуються як додаткові для регулювання швидкості руху поїзда на спусках, причому, при рекуперативно-реостатному гальмуванні, в зоні високих швидкостей використовується рекуперативне, а в зоні низьких швидкостей – реостатне гальмування. На поїздах метрополітену основним робочим гальмом є електродинамічне гальмування.

Класифікація гальмових систем за властивостями керування ними розподіляє їх на автоматичні і неавтоматичні.

Автоматичні гальма (див. рис. 17) – це така система гальмових пристроїв, при якій спрацьовування гальм відбувається при частковому чи повному зниженні тиску повітря в гальмовій магістралі, при цьому притиснення гальмових колодок забезпечується за рахунок тиску повітря в запасному резервуарі кожного вагона. Це забезпечує основну вимогу безпеки руху – при розриві (саморозчепленню) поїзда, гальмова магістраль роз’єднується, тиск повітря в ній спадає, і відбувається гальмування кожної розчепленої частини поїзда. Автоматичність електропневматичних гальм у пасажирському поїзді (див. рис. 19) полягає в тому, що в режимі відпустки лінійні керуючі проводи знаходяться під напругою, а в режимі гальмування вони знеструмлюються чи працюють зі зниженою напругою. Тому будь-який аварійний обрив лінійного електричного кола електропневматичних гальм не перешкоджає гальмуванню поїзда.

Неавтоматичні гальма діють безпосереднім надходженням стиснутого повітря з головних резервуарів локомотива в гальмові циліндри. Тому вони застосовуються тільки в межах однієї одиниці рухомого складу як допоміжне гальмо локомотива. У багато секційних локомотивах прямодіючі неавтоматичні гальма діють на всіх секціях, з’єднаних окремою магістраллю.

Гальмовий ефект на колісній парі виникає з моменту подачі стиснутого повітря в гальмовий циліндр. Поршень гальмового циліндра в результаті тиску переміщається і, через систему важільної гальмової передачі, притискає гальмові колодки до бандажа колісної пари чи до гальмового диска. Сила натискання колодки, а значить і величина гальмової сили, залежить від величини тиску повітря в гальмовому циліндрі, яку може регулювати машиніст локомотива гальмовим краном, змінюючи ступінь зниження тиску в гальмовій магістралі. Цей процес називається гальмуванням.

При збільшенні тиску в гальмовій магістралі машиністом, повітророзподільники кожної одиниці поїзда випускають повітря з гальмових циліндрів і з'єднують гальмову магістраль із запасним резервуаром для його підзарядки. Цей процес називають відпусткою гальм. Процесам гальмування і відпустки повинен передувати процес зарядки магістралі і запасних резервуарів під кожним вагоном стисненим повітрям тиском 5, 5 кГс./см² (0, 54 МПа) від компресора локомотива. Це відбувається при причепленні локомотива до поїзда.

У процесі гальмування, коли в гальмовому циліндрі знаходиться стиснене повітря під великим тиском, може відбуватися витікання повітря через нещільності поршня в циліндрі і штока у кришці. Витікання повітря буде викликати некеровану зміну гальмової сили. За здатністю автоматично запобігати витікання стиснутого повітря з гальмового циліндра, гальма розділяються на ті, що поповнюються (прямодіючі), і що не поповнюються (непрямодіючі).

Розглянемо принцип роботи непрямодіючого автоматичного гальма, що застосовується в пасажирському рухомому складі (рис.17).

Компресор 1, що має привід від дизеля на тепловозі чи від електродвигуна на електрорухомому складі накачує повітрям головні резервуари 2. Обсяг головних резервуарів у різних локомотивів може бути від 870 л до 2050 л. Для обмеження граничного тиску в головних резервуарах служать запобіжні клапани. Головні резервуари з’єднані з живильною магістраллю 3 тепловоза, від який стиснуте повітря надходить до апаратів і приладів локомотива, що працюють від стиснутого повітря і через кран машиніста 4, у гальмову систему поїзда. Гальмова система поїзда складається з гальмової магістралі 5 і приладів гальмування. Гальмова магістраль кожної одиниці поїзда з'єднується між собою сполучними рукавами. Гнучкі сполучні рукави мають сполучні головки, що автоматично роз’єднуються при відчепленні вагона. Рукави підключені до магістрального повітропроводу через кінцьові крани, що у закритому положенні з’єднують сполучний рукав з атмосферою, а у відкритому – з магістральним повітропроводом.

Кожна одиниця рухомого складу має свій повітророзподільник 6, включений у магістральний повітропровід і з'єднаний трубами з гальмовим циліндром 7 і запасним резервуаром 8. Запасні резервуари служать акумуляторами стиснутого повітря для наповнення гальмових циліндрів при гальмуванні. Гальмові циліндри перетворюють тиск повітря в зусилля на штоку, яке за допомогою гальмової важільної передачі передається гальмовим колодкам. Гальмові колодки при цьому, в залежності від передавального числа важільної передачі, з певним зусиллям притискаються до ободу колеса чи гальмового диску.

На принциповій схемі показаний стоп-кран 9 для екстреної зупинки всього поїзда із салону пасажирського вагона.

Рис. 17

При причепленні локомотива до поїзду перед відправленням необхідно зробити зарядку магістралі. Для цього ручка крана машиніста ставиться в перше положення. При положенні «Зарядка і відпустка» крана живильна магістраль з’єднується з гальмовою магістраллю (див. рис. 17 а). Повітря під тиском надходить з головних резервуарів через кран машиніста в гальмову магістраль і далі через повітророзподільник кожного вагону у запасні резервуари. При цьому повітророзподільники з'єднують гальмові циліндри з атмосферою.

При необхідності зробити гальмування поїзда машиніст локомотива переводить ручку крана в гальмове положення (див. рис.17 б). У цьому положенні кран машиніста перекриває живильну магістраль і з'єднує гальмову магістраль з атмосферою. При цьому тиск у гальмовий магістралі знижується, приводячи в дію повітророзподільники кожного вагону. Останні роз'єднують гальмові циліндри з атмосферою і з'єднують запасні резервуари з гальмовими циліндрами. Стиснуте повітря надходить із запасних резервуарів в гальмові циліндри, і через важільну передачу гальмові колодки притискаються до колісних пар. Відбувається гальмування поїзда. Такий же процес відбудеться, якщо повітря з гальмової магістралі буде випущено стоп-краном 9 чи в результаті «розриву» поїзда при саморозчепленні. Ступінь гальмування залежить від темпу зниження тиску в гальмовій магістралі і від величини тиску повітря в гальмовому циліндрі. У залежності від положень крана машиніста може бути ступінчасте і повне службове гальмування, а також екстрене при необхідності екстреної зупинки поїзда.

Для відпустки гальм ручку крана машиніста переводять у перше положення. При цьому кран з'єднує живильну магістраль з гальмовою. Тиск у гальмовій магістралі підвищується, при цьому спрацьовують повітророзподільники вагонів. Повітророзподільники з'єднують гальмову магістраль із запасними резервуарами, заряджаючи їх стиснутим повітрям, і з'єднують гальмові циліндри з атмосферою. Під дією пружини поршень у кожному гальмовому циліндрі переміщається у вихідне положення і через важільну передачу відводить гальмові колодки від бандажів колісних пар.

На схемах, показаних вище, в режимі гальмування гальмова магістраль цілком від'єднується від живильної, у результаті чого витікання повітря з гальмового циліндра і запасного резервуара не поповнюються. Таке гальмо називається виснажним або непрямодіючім.

У вантажних поїздах, що складаються з великої кількості вагонів, і які мають велику довжину гальмової магістралі, витікання повітря може привести до зниження гальмівної сили або довільної відпустки гальм. Тому у вантажних поїздах застосовують прямодіюче (невиснажне) автоматичне гальмо. Поповнення повітря, що витікло, у цьому типі гальм забезпечується автоматично краном машиніста і повітророзподільником який має для цього додаткові пристрої в порівнянні з повітророзподільником вагонів пасажирських поїздів. Прямодіюче неавтоматичне гальмо застосовується тільки на локомотивах як допоміжне (див. рис.18).

Кран допоміжного гальма (4) має три положення – «Гальмування», «Перекриття» та «Відпустка» і може з’єднувати живильну магістраль (3) безпосередньо з магістраллю гальмових циліндрів (5) секцій локомотива.

В залежності від положення ручки крана допоміжного гальма може бути три стани гальмової системи:

Рис. 18

· гальмування – перше положення крана з’єднує живильну магістраль з гальмовими циліндрами, які через важільну передачу притискають гальмові колодки до коліс локомотива;

· перекриття – друге положення крана роз'єднує живильну магістраль з магістраллю гальмових циліндрів, зберігаючи тиск повітря в циліндрі, локомотив залишається в загальмованому стані;

· відпуск – третє положення крана з’єднує магістраль гальмових циліндрів з атмосферою, роблячи відпустку гальм.

Такий тип гальма називається неавтоматичним тому, що при розриві гальмової магістралі гальма автоматично не спрацьовують.

Через те, що при гальмуванні розрядка (зниження тиску) гальмової магістралі всього поїзда здійснюється через кран машиніста локомотива, повітророзподільники головних вагонів поїзда спрацьовують раніше ніж, хвостових. Це приводить до виникнення подовжніх поштовхів у поїзді, що порушує комфорт пасажирів. Для усунення цього недоліку в пасажирських і моторвагонних поїздах застосовують електропневматичні гальма (див. рис. 19). При такому типі гальм керують зарядкою запасного резервуара і наповненням гальмових циліндрів повітрям в кожному вагоні, а також з’єднанням гальмових циліндрів з атмосферою за допомогою електропневматичних вентилів (4, 5). Ці вентилі отримують живлення від гальмової електричної мережі поїзда через контролер, сполучений з краном машиніста. Електропневматичний вентиль являє собою сердечник з котушкою, які керують підпружиненим клапаном (рис.19). Гальмовий вентиль 4 у включеному стані (котушка під живленням) відкриває доступ стиснутого повітря із запасного резервуара 2 у гальмовий циліндр (7). Відпускний вентиль (5) у вимкнутому положенні (котушка не має живлення) з’єднує гальмівний циліндр з атмосферою. При гальмуванні машиніст контролером поїзного гальмового крана створює електричне коло на вентилі 4 та 5. При цьому якір 3 вентиля 4 притягається до сердечника і відкриває доступ стиснутого повітря із запасного резервуара в гальмовий циліндр, а вентиль 5, притягнувши якір до сердечника, перекриває вихід повітря з гальмівного циліндра у атмосферу. Відбувається гальмування.

Рис. 19

При відпуску відбуваються зворотні процеси. Для ступінчатого гальмування є положення контролера гальмового крана, при якому існує можливість виключати гальмовий вентиль 4 при включеному відпускному вентилі 5. У цьому випадку гальмовий вентиль перекриває доступ повітря в гальмовий циліндр, зберігаючи в ньому тиск ступіні гальмування. Електричне керування пневматичними процесами забезпечує одночасність наповнення гальмових циліндрів по всій довжині поїзда. У випадку ушкодження електричного керування, система забезпечує пневматичне керування гальмами через клапан 8 та повітророзподільник 9 з відключеними гальмовим і відпускним вентилем.

В умовах експлуатації вантажного парку вагонів бувають випадки, коли у окремих вагонів відмовляють прилади гальмування (повітророзподільники, гальмові циліндри і т. д.). У цьому випадку гальмові прилади цього вагона відключаються, і у вагоні залишається робочою тільки магістральна труба (вагон із прольотною трубкою). Правила технічної експлуатації (ПТЕ) п. 15.40 передбачають постановку таких вагонів у вантажні і господарські поїзди, але не більш 8 осей в одній групі, а в хвості поїзда перед останніми двома вагонами – не більш 4 осей. Останніми ставити такі вагони в поїзд не можна.