Глава 1. Основы теории торможения

Назначение тормозов.

В процессе движения поезда на него действуют силы различные по своему характеру и направлению. Различают силы внешние (например, сила сопротивления движению от уклона) и внутренние (например, сила трения в моторно-осевых подшипниках). Внешние силы можно разделить на управляемые (сила тяги) и неуправляемые (силы сопротивления движению). Кроме того, при любом изменении скорости движения на поезд действует сила инерции. В зависимости от соотношения управляемых и неуправляемых сил поезд может двигаться ускоренно, замедленно или с равномерной скоростью.

Сила тяги - внешняя движущая сила, которая создается тяговыми электродвигателями локомотива во взаимодействии с рельсами. Она приложена к ободу колес в направлении движения. Для остановки поезда необходимо исключить действие сипы тяги, то есть отключить тяговые двигатели локомотива. Однако, поезд продолжит движение по инерции за счет накопленной кинетической энергии и до полной остановки пройдет значительное расстояние. Чтобы обеспечить остановку поезда в требуемом месте или снижение скорости движения на определенном участке следования, необходимо искусственно увеличить силы сопротивления движению.

Устройства, применяемые в поездах для создания искусственного сопротивления движению, называются тормозами, а силы, создающие искусственное сопротивление движению - тормозными силами.

Тормозные силы и силы сопротивления движению гасят кинетическую энергию движущегося поезда.

 

Способы создания замедления движения.

При фрикционном способе сопротивление движению создается за счет трения тормозных колодок (или специальных накладок) о поверхность катания колес подвижного состава (или дисков). В этом случае кинетическая энергия поезда преобразуется в тепло, нагревающее трущиеся детали и рассеиваемое в окружающую среду.

Реверсивный способ на локомотивах с электрической передачей осуществляется переключением тяговых двигателей в генераторный режим, что вызывает изменение направления электромагнитного момента электрической машины. Это торможение называется электродинамическим. Оно бывает рекуперативным, когда вырабатываемая электрическая энергия возвращается в контактную сеть, или реостатным.В последнем случае электрическая энергия поступает на специальные тормозные резисторы и превращается в тепло. которое рассеивается в окружающую среду.

Реверсивный способ создания замедления применяется и на локомотивах с гидропередачей (гидродинамический тормоз), а также на паровозах - контрпар.

При электромагнитном способе тормозная сила создается притяжением специальных тормозных башмаков с электромагнитами к рельсам. На подвижном составе применяются как электромагнитные рельсовые тормоза, так и тормоза на вихревых токах. Особенность этого способа создания замедления заключается в том. что мощность тормоза ограничивается только величиной допустимого замедления. Поэтому магнито-рельсовые тормоза используются только при экстренном торможении.

 

Классификация тормозов.

Тормоза классифицируются по способу создания тормозной силы. свойствам системы управления и по назначению.

По способу создания тормозной силы различают фрикционные тормоза (колодочные и дисковые) и динамические (электродинамические, гидродинамические и реверсивные).

По свойствам системы управления различаю тормоза автоматические (прямо действующие и непрямодействующие) и неавтоматические (прямодействующие).

Автоматические тормоза должны автоматически приходить в действие (затормаживать) при определенном темпе снижения давления в тормозной магистрали.

Прямодействие или непрямодействие автоматического тормоза определяется конструкцией воздухораспределителя. Прямодействующий автоматический тормоз - это тормоз грузовых вагонов, оборудованный воздухораспределителем усл.№ 483, который способен поддерживать.

 

Таблица 1.1.

Время наполнения и опорожнения тормозных цилиндров в зависимости от типа тормозов

Тип тормоза	Время наполнения ТЦ, сек.	Время опорожнения ТЦ, сек.
Грузовые	20 … 45	до 60
Пассажирские	6 … 9	9 … 12
Скоростные	1 … 2	2 … 3

установленное давление в тормозном цилиндре независимо от плотности последнего.

Непрямодействующий автоматический - это тормоз пассажирских вагонов, оборудованный воздухораспределителем усл.№ 292, который не восполняет утечки сжатого воздуха из тормозного цилиндра.

Примером прямодействующего неавтоматического тормоза служит вспомогательный локомотивный тормоз. В случае приведения его в действие воздух из главных резервуаров поступает в тормозные цилиндры.

По назначению тормоза бывают грузовые, пассажирские и скоростные. В этом случае за характеристику их работы принимают время наполнения и опорожнения тормозного цилиндра.

 

Образование тормозной силы.

Для торможения подвижного состава к нему должны быть приложены внешние силы от неподвижных рельсов. Действие этих сил должно быть направлено против направления движения поезда. Рассмотрим кинематику катящейся колесной пары. Она совершает сложное движение, состоящее из двух простых (рис. 1.1): прямолинейное движение вдоль пути вместе со всем поездом со скоростью V км/ч и вращательного вокруг собственной оси О. Вращательное движение обусловлено сцеплением колес с рельсами в точках их контактов О₁. Это сцепление происходит под действием вертикальной нагрузки q. Окружная скорость вращения колеса на поверхности качения равна поступательной скорости поезда, т.е. V км/ч. В точке колеса О₂, находящейся в данное мгновение в самом верхнем положении, поступательное и вращательное движения направлены в одну и ту же сторону - вперед (по ходу движения поезда), поэтому скорости поступательного и вращательного движения складываются, и мгновенная абсолютная скорость колеса в этой точке оказывается V + V = 2V, т. е. вдвое больше скорости поезда. Нижняя точка О₁, находящаяся в сцеплении с рельсом, в каждый момент времени качения колеса оказывается неподвижной (- V + V = 0). В течение этого мгновения колесо как бы поворачивается вокруг точки сцепления О₁, которая в механике называется «мгновенный центр поворота».

Таким образом, колесо в точке его сцепления с рельсом катится по нему вперед и с такой же скоростью вращается обратно. Это означает, что в точке О₁ сила трения отсутствует, а действует только сила сцепления, которая образуется за счет взаимодействия микроскопических неровностей на поверхностях колеса и рельса, а также за счет сил молекулярного притяжения, возникающих под действием нагрузки q, значение которой достигает 15 кгс/см².

Теперь рассмотрим силовые процессы, происходящие после прижатия колодки к катящемуся колесу (рис 1.2). Нажатие на вращающееся колесо колодки с силой К вызывает появление силы трения Т между колодкой и колесом, которая действует от колодки на колесо против его вращения, т. е. стремится остановить это вращение. Тормозить поступательное движение поезда сила трения Т не может, так как это внутренняя сила по отношению к поезду - колодка является частью самого поезда и движется вместе с ним.

Однако под действием внутренней силы Т колесо начинает «цепляться» за рельс в точке контакта О₁. Возникает сила сцепления колеса с рельсом В, равная по величине силе Т. Сила В стремится утащить рельс за собой (сдвинуть его по ходу движения поезда). Так как рельс прикреплен к шпалам, то он остается неподвижным (в путевом хозяйстве хорошо известно явление угона рельсов под действием сил сцепления В). Особенно интенсивно угон рельсов происходит в местах, где обычно производится служебное торможение поездов. В свою очередь, неподвижный рельс тормозит катящееся по нему колесо с силой В_т, являющейся реакцией рельса на силу В. Сила В_т является внешней силой по отношению к поезду и направлена против направления его движения, поэтому она является тормозной силой.

Тормозная сила выполняет еще одну важную функцию: являясь реакцией рельса на силу Т и направленная по направлению вращения катящегося колеса, она уравновешивает эту силу трения Т, заставляя колесо продолжать вращение, препятствуя переходу колесной пары на юз.

Итак, колодки прижимаются к колесам для того, чтобы возникшая сила трения Т вызывала появление равной ей внешней силы В_т, которая, будучи направленной по вращению колеса, препятствует переходу его на юз и в то же время, имея направление против движения поезда, тормозит его. Чтобы облегчить представление этой картины, достаточно мысленно приподнять тормозимые колесные пары над рельсами, и тогда станет ясно, что колесные пары, потеряв сцепление с рельсами, под действием сил трения Т сразу прекратят вращение, но сам поезд будет продолжать движение вперед. Точно так же торможение самолетов колесами их шасси возможно только после приземления на посадочную полосу.