Путевая машина, как специальный

ПУТЕВАЯ МАШИНА, КАК СПЕЦИАЛЬНЫЙ

ПОДВИЖНОЙ СОСТАВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Экипажная часть путевых машин

 

Путевая машина является специальным самоходным (несамоходным) подвижным составом (ССПС) железнодорожного транспорта. В рабочем режиме при выполнении технологических операций и в режиме транспортирования к месту производства работ и обратно она передвигается по железнодорожному пути. В соответствии с технологией работ по строительству нового пути некоторые путевые машины дополнительно оборудуются ходовыми устройствами для движения по грунтовым и шоссейным дорогам. Совокупность устройств и систем, предназначенных обеспечить безопасное движение машины по пути в заданном режиме, составляет ее экипажную часть.

Экипажная часть включает в себя: раму, ходовые тележки, силовой агрегат, силовую передачу (трансмиссию), тормозную систему, ударно-тяговые приборы (автосцепки), устройства безопасности движения, сигнализации и связи.

В условиях эксплуатации и транспортирования экипажная часть машины воспринимает статические и динамические нагрузки, которые не должны превышать значений 1-го расчетного режима типового подвижного состава (вагонов) [14, 15, 39] при отсутствие остаточных деформаций и повреждений после действия нагрузок: сжимающих 2500 кН (250 т.с.), ударных 3000 кН (300 т.с.), растягивающих 2500 кН (250 т.с.) – в обоих случаях. Для путевой машины, предназначенной для постановки в состав поезда массой до 10000 т, указанные нагрузки принимаются за расчетные.

 

Силовая установка

 

Большинство путевых машинах, для работы в автономных условиях (работа в «окно»), в качестве первичных источников энергоснабжения используют дизель-электрические агрегаты и компрессорные установки специализированных тяговых модулей и тепловозов, а также собственные дизельные или дизель-электрические агрегаты.

Дизельный двигатель позволяет получать стабильную частоту вращения выходного вала при изменении нагрузки, по сравнению с карбюраторными ДВС. Это преимущество используется для привода генератора переменного тока, т.к. при переключениях механизмов частота в питающей сети стабильна. Дизель, при необходимости, позволяет регулировать частоту вращения вала в пределах 30 – 40 % от номинальной частоты при изменении подачи топлива. Устойчивая работа дизеля обеспечивается, если максимальная мощность дизеля на 15 – 20 % превышает номинальную. КПД дизеля составляет 0,4 – 0,6.

К основным недостаткам всех ДВС, в том числе и дизеля, относятся невозможность запуска под нагрузкой и реверсирования при работе. Поэтому в дизель-электрических агрегатах при запуске генератор отключен от нагрузки. В силовых передачах дополнительно устанавливается фрикционная многодисковая муфта сцепления, которая расцепляется при запуске или переключении передач. Если в состав трансмиссии входит гидродинамическая передача, то в момент пуска дизеля все приводные механизмы отключатся, а насосы отбора мощности включены в режим разгрузки.

На отечественных путевых машинах нашли применение силовые агрегаты с дизелем ЯМЗ-238Б (рис. 2.1, а), дизель-электрический агрегат АД-200-Тсп (У36М) и др., см. табл. 2.1.

Таблица 2.1

Технические характеристики дизелей и дизель-электрических агрегатов, применяемых на путевых машинах

Обозначение	Номинальная мощность, кВт	Угловая частота вращения вала, рад/с (об/мин)	Масса, кг	Размеры: длина х ширина х высота, мм
Дизель-электрические агрегаты
ДГ-100-Т/400А (У94А)		157,1 (1500)		2360х 1300 х 1570
ДГ-200-Т/400А (У96А)		157,1 (1500)		3275 х 1462 х 1645
АД-100-Т/400 (У34А)		157,1 (1500)		-
АД-200-Тсп (У36М)		157,1 (1500)		3380 х 1245 х 1645
АД-315-Т/400А (У64А)		157,1 (1500)		3900 х 1300 х 2000
Дизели
ЯМЗ-238Б		209,4 (2000)	-	-
1Д6БГС2-02, 1Д6БА	110,3	157,1 (1500)		1685 х 845 х 1175
1Д12В-300КС2-01, 1Д12В-300	220,6	157,1 (1500)		1688 х 1052 х 1276
KTA19L (Cummins)		219,9 (2100)	-	-
HT/HTA855/N14 (Cummins)		219,9 (2100)	-	-
KTA38-G5 (Cummins)		157,1 (1500)	-	-

 

Механические характеристики дизеля показаны на рис. 2.1, б [11]. На графике зависимости момента М от частоты вращения w можно выделить участки: 1-2 – регуляторной характеристики; 2-3 – безрегуляторной характеристики и 3-4 – зону работы дизеля при минимальной частоте вращения вала. На дизелях путевых машин для поддержания заданной частоты вращения при изменении нагрузки используются, так называемые, всережимные регуляторы, которые обеспечивают предохранение от недопустимого возрастания частоты вращения вала (разноса) при сбросе нагрузки, относительно устойчивую работу на малых оборотах, а также устойчивое поддержание с минимальными отклонениями заданной частоты вращения.

Крутизна регуляторной характеристики или степень неравномерности вращения вала дизеля, %:

(2.1)

 

где w_хх, w_max – угловые скорости вращения вала дизеля в режиме без нагрузки (холостом ходе) и в режиме с максимальной нагрузкой. Для дизелей этот показатель d» 2–6 %.

 

2.1.2. Силовая передача (трансмиссия)

 

Силовая передача, или трансмиссия, это механизм, предназначенный для передачи энергии от двигателя к рабочему механизму или машине с одновременным преобразованием усилий (вращающих моментов) и скоростей (угловых скоростей вращения). Рабочими механизмами на путевой машине являются рабочие органы, механизмы передвижения (для самоходных машин), вспомогательные механизмы. Современная путевая машина является комбинированной, поэтому содержит трансмиссии разного вида.

Привод, включающий двигатель, трансмиссию и систему управления, бывает индивидуальным, групповым и многодвигательным. При индивидуальном приводе каждый механизм имеет собственный двигатель и трансмиссию; групповой привод характеризуется одним двигателем и сложной трансмиссией, передающей энергию к нескольким рабочим механизмам, и, наконец, многодвигательный привод включает несколько двигателей для привода одного механизма. В конструкциях путевых машин представлены все виды приводов.

На путевых машинах применяются механические, гидравлические (объемные и гидродинамические), электрические и пневматические трансмиссии. Механическая трансмиссия включает в себя устройства для передачи усилий и моментов, а также устройства для преобразования вращательного в поступательное движение. Крутящие моменты передаются через зубчатые, червячные, цепные и ременные силовые передачи, а преобразование вида движения осуществляется, в основном винтовыми и реечными передачами. В сложных силовых передачах эти структурные элементы сочетаются, образуя единую систему.

Элементы трансмиссии могут быть закрытыми, когда они помещены в корпус с масляной ванной (картер). Смазка осуществляется либо путем разбрызгивания масла при работе с образованием тумана, либо принудительно специальной смазочной системой, если скорость вращения элементов недостаточна для образования масляного тумана. Открытые элементы трансмиссии находятся вне корпуса и поэтому должны смазываться консистентной смазкой. Для открытой силовой передачи характерен абразивный износ элементов, а для закрытой – контактно-усталостный износ. Закрытая передача обеспечивает лучшие условия работы элементам, позволяет при прочих равных условиях, передать большую мощность. Открытая передача дает возможность в эксплуатации наблюдать за состоянием элементов без трудоемкой переборки.

Основной характеристикой силовой передачи крутящего момента является передаточное число i = w_ВХ / w_ВЫХ (w_ВХ, w_ВЫХ – угловые скорости вращения входного и выходного валов, рад/с). Для многоступенчатой передачи, которая, как правило, структурирована по последовательной схеме, общее передаточное число i = i₁*i₂*…*i_N – равно произведению передаточных чисел составляющих зубчатых пар.

Закрытая зубчатая передача, которая дает возможность производить ступенчато изменения угловой скорости вращения выходного вала w_ВЫХ при неизменной скорости входного вала w_ВХ, называется коробкой перемены передач, или коробкой скоростей (в отличие от редуктора – замедляющей передачи или мультипликатора – ускоряющей передачи). На путевых машинах (ВПР, ДСП, ПБ, моторно-рельсовый транспорт) в основном применяются коробки перемены передач автомобильного типа с переключением передач (включая задний ход) через зубчатые муфты с коническими фрикционными синхронизаторами, обеспечивающими плавное выравнивание угловых скоростей элементов муфт перед их включением. На путевых машинах передачи заднего хода блокируются от включения, т.к. изменение направления движения (реверсирование) производится в других элементах общей силовой передачи машины.

Увеличение скорости движения при включенной передаче производится путем увеличения подачи топлива. При приближении угловой скорости вращения вала дизеля к номинальному значению исчерпывается возможность дальнейшего разгона. В этом случае необходимо переключать коробку перемены передач на следующую ступень. При переключении передачи муфта сцепления дизеля отключается и уменьшается подача топлива для уменьшения угловой скорости его вала. Одновременно производится включение следующей передачи, после чего опять включается муфта сцепления. Дальнейшее наращивание скорости движения также производится увеличением подачи топлива.

Устойчивая работа дизеля гарантирована при снижении угловой скорости вращения вала в пределах 40 % от номинального значения и соблюдения отношения передаточных чисел последующей и предыдущей передачи 1,4 пределах диапазона передач.

На путевых машинах, оснащенных объемным гидроприводом, механическая силовая передача в рабочем режиме используется для привода насосов. Для этого она содержит дополнительные устройства – коробки отбора мощности с блокировочными механизмами, исключающими включение насосов в транспортном режиме движения самоходной машины.

Зубчатые передачи обладают самым высоким КПД, поэтому широко используются в энергонасыщенных приводах путевых машин, обеспечивая экономически оправданный расход топлива. Вместе с тем, для фиксирования приводимого рабочего органа требуется использование дополнительных тормозных устройств. Если во время работы машины не требуется постоянная работа привода, включения производятся кратковременно, то оправданным является применение червячных редукторов и винтовых передач. Если КПД таких механизмов менее 0,5, то они обладают свойством самоторможения, т.е. свойством фиксировать приводимый рабочий орган под нагрузкой. Область применения червячных редукторов с винтовыми передачами сокращается ввиду дефицитности бронзы, из которой изготавливаются червячные колеса. Вновь выпускаемые путевые машины для перемещения и фиксации рабочих органов под нагрузкой используют в основном гидропривод, реже пневмопривод со стопорными устройствами.

В случаях, когда угловая скорость вращения элементов рабочего органа относительно небольшая, при расположении привода в стесненных габаритных условиях, используются передачи со втулочно-роликовыми цепями (привод роторов-питателей и напольных пластинчатых транспортеров снегоуборочных машин).

Для привода вспомогательных механизмов малой и средней мощности до 10 – 15 кВт (компрессоры, генераторы систем автоматики и освещения) используются клиноременные передачи.

2.1.3. Ходовая часть (рама, ударно-тяговые приборы, бегунковые и тяговые тележки)

Рама путевой машины является базовой сборочной единицей. Она предназначена для размещения рабочего оборудования, силовых установок, гидравлических, пневматических, электромеханических силовых передач, систем управления, тормозной системы, кабин управления и хозяйственных кабин, сигнальных устройств и т.д. Рама опирается через системы рессорного подвешивания на колесные пары (для двухосных машин) или ходовые тележки. Наибольшее применение нашли: рамы в виде платформы с верхней площадкой для размещения оборудования (путеукладчики, моторные платформы, грузовые дрезины, очистные секции щебнеочистительных поездов, тяговые модули); рамы в виде фермы, состоящей из двух сварных продольных балок, соединенных поперечными связями в виде диафрагм и раскосов (электробалластеры и машины на их базе, выправочно-подбивочно-отделочные машины непрерывного действия, добывающие секции машин для глубокой очистки балластной призмы и др.) [70]; а также рамы специальной конструкции, конфигурация которых специально выполнена под компоновку рабочего оборудования и других устройств (выправочно-подбивочно-рихтовочные машины [49, 50, 52], хоппер-дозаторы, планировщики балласта, промежуточные полувагоны снегоуборочных машин).

При работе машины и транспортировке рама воспринимает статические и динамические нагрузки: продольные сжатия и растяжения, связанные с движением в составе поезда; горизонтальные направляющие нагрузки при движении по элементам плана пути; вертикальные нагрузки, связанные с движением по неровностям пути и весом элементов конструкции машины, размещенных на раме. Специфичными для путевой машины являются нагрузки, вызванные взаимодействием рабочего оборудования с элементами пути при работе. Эти нагрузки также бывают статическими и динамическими. Динамические нагрузки возникают, например, при разгонах и торможениях звена во время работы укладочного крана, при подъеме и опускании подбивочных блоков выправочно-подбивочно-рихтовочной машины, при работе виброплит выправочно-подбивочно-отделочной машины, при наезде главного бокового крыла струга-снегоочистителя на препятствие и др.

Действующие на раму путевой машины нагрузки передаются через ходовые тележки и колесные пары на рельсы. Характер распределения нагрузок зависит от сочетания ведущих (приводных) и ведомых (неприводных) колесных пар и их расположения на тележках, т.е., от колесной формулы машины. Для двухосных машин нагрузка передается от рамы через двухступенчатое рессорное подвешивание, буксы и колесные пары (рис. 2.2, а). Подвешивание содержит листовую рессору 11, тяги 3 и спиральные рессоры 8. Учитывая ограничения на вертикальное перемещение рамы машины при движении, рессорное подвешивание имеет небольшую жесткость при небольших смещениях колесных пар относительно рамы (деформируются рессоры 8), при больших смещениях включается в работу листовая рессора 11. Смещение буксы 1 колесной пары ограничено упором хомута 2 рессоры.

Букса устанавливается в проеме с направляющими 12. В нижней части имеется струнка 14, предотвращающая выпадение буксы из направляющих. Такая конструкция буксового узла называется челюстной (в отличие от бесчелюстной и поводковой, редко применяемых на путевых машинах).

Если нет особых требований к конструкции ходовой системы несамоходной путевой машины, то под нее подкатываются типовые тележки (тип 18-100) грузовых вагонов рис. 2.2, б. Они имеют центральное рессорное подвешивание при отсутствии буксового подвешивания. Боковые балки непосредственно соединены с буксами, а надрессорная или шкворневая балка опирается на них через комплекты спиральных рессор и клиновые фрикционные гасители колебаний. В средней части надрессорной балки имеется шкворневой узел крепления тележки к раме, а по ее бокам – скользуны для поперечной устойчивости рамы машины. В путевых машинах используются также типовые (тип 18-102) трехосные (машины для ремонта земляного полотна, снегоуборочные машины и др.) и спаренные (тип 18-101) двухосные тележки (на электробалластерах).

В большинстве случаев ходовые тележки самоходных путевых машин имеют специальное исполнение. Это обусловлено рядом причин: большими габаритными размерами локомотивных тележек, особыми требованиями к транспортировке машин, оснащенных сложными дорогостоящими системами привода и управления, необходимостью устойчиво работать при движении с малой рабочей скоростью.

На рис. 2.3, а - показана тяговая тележка выправочно-подбивочно-рихтовочной машины «Plasser Duomatic 09-32 CSM». В ней привод на колесные пары осуществляется через конические осевые редукторы с реактивными кронштейнам и тягами и карданные валы. Тележка имеет буксовое и центральное рессорное подвешивание, снижающее динамические нагрузки на оборудование машины при работе и транспортировании. Буксовое рессорное подвешивание выполнено в виде резинометаллических элементов, применяемых для подвижного состава с относительно небольшими осевыми нагрузками (100 – 130 кН). Резина, как эластичный материал, обладающий внутренним трением, одновременно дает возможность демпфировать (гасить) колебания корпуса машины. Каждая букса дополнительно соединена с корпусом машины через гидравлический гаситель колебаний вагонного типа.

На рис. 2.3, б показана трехосная ходовая тележка укладочного крана УК-25/9-18, имеющая буксовое рессорное подвешивание с листовыми рессорами, серьгами и балансирами. Привод крайних колесных пар 5 - от электродвигателей 11 через карданный вал и двухступенчатый цилиндрический редуктор, имеющий зубчатую муфту для отсоединения электродвигателя при транспортировке крана в составе поезда. Как и на большинстве путевых машин, применена опорно-рамная система подвешивания тягового двигателя, снижающая динамические нагрузки на него при движении по неровностям пути.

Наиболее ответственный элемент конструкции ходовой части путевой машины – колесная пара. На рис. 2.4 показаны основные элементы неприводной (а) и приводной (б) колесной пары. На ось приводной колесной пары при её формировании дополнительно устанавливаются элементы осевого редуктора. Колеса и все неподвижные элементы напрессовываются на ось без использования дополнительных (шпонки, клинья и др.) элементов передачи крутящего момента, т.к. они являются дополнительными концентраторами напряжений.

Профиль поверхности катания (рис. 2.4, в) должен соответствовать ГОСТ 9036-88 и чертежам на колесные пары путевых машин. На путевых машинах используется вагонный профиль поверхности катания с шириной обода 130 мм и углом наклона рабочей поверхности гребня 60⁰ (в отличие от локомотивного профиля шириной 140 мм и упомянутым углом 70⁰). При движении путевой машины колесная пара контактирует с головками рельсов поверхностью катания и гребнем. Это приводит к ее износу и повреждениям. Порядок формирования, освидетельствования, ремонта и осмотра колесных пар отечественных путевых машин регламентируется Инструкцией [33], а производства зарубежных фирм при эксплуатации на сети – Инструкцией [34].

Нагрузки на колесную пару передаются через буксы (рис. 2.4, г), установленные на шейках оси. Букса (от англ. box – коробка) – это закрытый подшипниковый узел, который частично заполняется консистентной смазкой. На путевых машинах применяются буксы с подшипниками качения. Колесная пара, как ответственный элемент конструкции, требует постоянного наблюдения за ее состоянием. Осмотр колесных пар и буксовых узлов под машинами производится машинистами и работниками ремонтных служб. Освидетельствование колесных пар производиться только на предприятиях, имеющих лицензию на производства данного вида работ.

Для включения путевой машины в состав поезда (грузового, хозяйственного) она оснащается типовыми ударно-тяговыми устройствами – автосцепками СА-3 с поглощающим аппаратом (так называемыми полужесткими, рис. 2.5, а) и без поглощающего аппарата (жесткими, рис. 2.5, б) [40]. В большинстве случаев применяются полужесткие автосцепки, позволяющие эффективно гасить энергию при соударениях машины с другими подвижными единицами. Автосцепки жесткого типа применяются на машинах, имеющих относительно небольшую массу (грузовые дрезины и машины на их базе), либо в случаях, когда отсутствует место для установки поглощающего аппарата (путеукладчики).

Автосцепка полужесткого типа (рис. 2.5, а) состоит из головки 1, к которой размещается сцепной механизм 11, и хвостовика 5, соединенного через клин 13 с тяговым хомутом 15. Благодаря форме клина и отверстия в хомуте корпус автосцепки может поворачиваться в плане на необходимый для прохода машины в сцепе кривых угол. В продольных балках 16 рамы машины установлены передний 12 и задний 17 упоры. В проеме тягового хомута установлен поглощающий аппарат 2, поддерживаемый снизу пластиной 3. Он упирается в упор 17 и через упорную пластину 14 в упор 12. Такая конструкция обеспечивает сжатие поглощающего аппарата при действии растягивающих ми сжимающих нагрузок на автосцепку. Хвостовик 5 корпуса автосцепки дополнительно удерживается через центрирующий прибор. Прибор (разрез А – А и вид Б) содержит розетку 18, закрепленную на лобовом брусе, на которой шарнирно установлены две маятниковыен подвески 20. Хвостовик 5 лежит на центрирующей балочке 19. Для предотвращения перегрузок центрирующей балочки и подвесок при передаче тягового усилия корпус автосцепки в свободном состоянии немного наклонен вниз со стороны головки.

Поглощающий аппарат шестигранного типа Ш-2-В (рис. 2.5, в) предназначен для гашения энергии до 60 кДж. Он включает внешний корпус 32, в котором установлены три клина 31. Горловина корпуса имеет форму шестигранника. Нажимной конус 30 стянут с корпусом болтовым соединением 29, 35. Между корпусом и клиньями установлены пружины 33, 34. При ударе часть энергии поглощается за счет сжатия пружин, а часть энергии – за счет трения между клиньями 31 и горловиной корпуса 32.

Корпус 25 автосцепки жесткого типа (рис. 2.5, б) закрепляется через неподвижный валик 24 на розетке 23. Розетка через болтовые соединения 22 прикрепляется к торцевому брусу 21. В отверстии малого зуба дополнительно устанавливается скоба 26, предотвращающая падение корпуса автосцепки на путь в случае повреждения крепления корпуса автосцепки. Все автосцепки имеют расцепной привод 28 в виде рычага, установленного на фиксирующем и поддерживающем кронштейнах, связанного через цепь с балансиром сцепного механизма.

 

 

2.2. Тормозное оборудование (рычажная передача и

пневмосистема, основы расчета тормозов)

 

Путевая машина, как специализированная единица подвижного состава, имеет тормозное оборудование, которое обеспечивает режимы торможения: – при работе, – при транспортировке. При работе тормозные режимы имеют место у машин циклического действия, которым необходимо останавливаться для выполнения технологических операций. При транспортировке, в зависимости от условий движения, торможение может быть [39, 49, 57]:

– служебное, которое бывает полным служебное торможением, соответствующим ступенчатому снижению давления в тормозной магистрали для сокращения тормозного пути, а также ступенчатым регулировочным, преследующим цель регулирования скорости или остановки машины в заданном месте;

– экстренное, задаваемое машинистом для быстрой остановки машины с минимально коротким тормозным путем;

– автостопное, вызванное автоматическим срабатыванием тормозов через систему контроля безопасности движения при неправильных действиях машиниста, например, при превышении допустимой скорости или проезде запрещающего сигнала. При автостопном торможении длина тормозного пути должна быть меньше длины блок-участка (расстояния между двумя проходными светофорами на перегоне);

Реостатное и рекуперативное торможение, при котором тяговые электродвигатели колесных пар переводятся в генераторный режим, и энергия торможения рассеивается через электрические сопротивления или отдается в контактную сеть, на путевых машинах не применяется.

Самоходные путевые машины оснащаются стояночным тормозом для закрепления от угона при остановках. При стоянке машина дополнительно должна быть закреплена тормозными башмаками, подкладываемыми под колеса.

Принцип действия типовой тормозной системы рассмотрим на примере машины ВПР-02. Тормозная система включает в себя рычажную передачу (рис. 2.6) и пневматическую систему привода и управления (рис. 2.7) тормозами. Через рычажную передачу передаются усилия нажима K тормозных колодок 2 на соответствующие колесные пары 1.

В транспортном режиме движения усилия прижима колодок развиваются пневматическими цилиндрами 3. Усилие штоком цилиндра передается через горизонтальный рычаг 8, регулировочную муфту 6 на вертикальные рычаги 9, в верхней части подвешенные шарнирно на поперечной балке рамы тележки, а в нижней части – связанные между собой другой регулировочной муфтой 6. Усилия через средние шарниры рычагов передаются на горизонтальные балансирные рычаги 5, называемые триангелями (three – три, angle – угол (англ.)). Триангели одновременно выравнивают тормозные усилия между правой и левой колодками. Аналогично передаются усилия и на колодки бегунковой тележки.

Прижим колодок 2 к колесной паре 1 платформы также происходит при выдвижении штока пневматического цилиндра 3. Усилие через регулировочную муфту 6, тягу 11 передается на балансирную балку 5, которая поворачивает рычаги с колодками 2.

Регулировочными муфтами 6 производится регулировка зазора между колодками и колесами, а также выход штоков цилиндров при торможении.

В рабочем режиме тормозное усилие передается от гидравлических цилиндров 4, через соответствующие толкатели с прорезями.

Стояночный тормоз содержит колонку 14 с угловыми коническими редукторами и штурвалом, которая приводит во вращение винт передачи 13. При вращении винта рычаг 15 поворачивается и через цепь 12 поворачивает рычаг 8. Колодки 2 прижимаются к колесам 1, затормаживая машину на стоянке.

Пневматический привод тормозных цилиндров должен обеспечить регулируемое ступенчато усилие нажима штоков, компенсацию возможных утечек воздуха, отпуск тормозов, возможность совместной работы с устройствами безопасности движения (системой КЛУБ-УП), давать возможность машинисту контролировать режимы торможения в зависимости от условий движения.

Питание системы сжатым воздухом производится от двух компрессоров через питающую магистраль ПМ (рис. 2.7). Далее воздух распределяется к кранам вспомогательного тормоза А1, А2, а также подается к тормозным реле давления Р1 – Р3, через которые управляются тормозные цилиндры Ц1 – Ц3. Тормозные реле – это пневмоуправляемые распределители. Кран вспомогательного тормоза по своему принципу действия является управляемым ступенчато редукционным клапаном, давление на выходе которого, зависит от положения его рукоятки: I – отпускное (быстрый отпуск тормозов), II – поездное (тормоза отпущены), III – V1 – тормозные положения с разным усилием прижима колодок. В расторможенном положении прямодействующая тормозная магистраль ПТМ соединена с атмосферой (через кран). Реле давления Р1 – Р3 соединяют цилиндры Ц1 – Ц3 с атмосферой.

Если, например, включено одно из тормозных положений крана А1, воздух подается в ПТМ через переключательный клапан К1, который предотвращает выход воздуха через кран А2. Далее через другой переключательный клапан К2 воздух подается в линии управления реле давления Р1 – Р3. Они переключаются, соединяя ПМ с цилиндрами. Давление в цилиндрах поддерживается автоматически в соответствии с давлением в ПТМ.

Краны вспомогательного тормоза используются при самостоятельном движении машины.

При движении машины в хвосте поезда или отдельным локомотивом автоматическая прямодействующая магистраль ТМ через рукав и концевой разобщительный кран соединяется с аналогичной тормозной магистралью локомотива, поэтому давление в ПМ определяется давлением в общей тормозной магистрали ТМ. При таком подключении разобщительные краны ВН14 – ВН17 перекрываются, отключая от системы краны вспомогательного тормоза машиниста А1 и А2.

Для приведения в действие тормозов давление в ТМ снижается через кран машиниста, установленный на локомотиве. Для управления давлением в ПТМ путем изменения давления в ТМ служит воздухораспределитель А3. Если давление в ТМ соответствует установленному, то А3 производит зарядку запасного резервуара РС3, сообщая с атмосферой линии управления реле Р1 – Р3, что соответствует отпущенным тормозам. При снижении давления в ТМ воздухораспределитель сообщает через переключательный клапан К2 резервуар РС2 с линией управления тормозными реле, поддерживая давление, соответствующее снижению давления в ТМ. Тормоза включаются. Усилие прижима колодок определяется уровнем снижения давления в ТМ. При этом уравнительный резервуар РС1 позволяет сгладить броски давления в системе.

Если ТМ заряжается воздухом от ПМ машины, то разобщительный кран ВН13 (вентиль) позволяет подать давление на вход редуктора КР1 (редукционного клапана), На его выходе поддерживается заданное давление в ТМ.

Для экстренного торможения машины и сцепленных с ней подвижных единиц используются стоп-краны ВН20, ВН21. При открытии воздух из ТМ выходит в атмосферу. Через воздухораспределитель А3 подается максимальное давление к тормозным реле, что соответствует максимальному усилию нажима колодок.

Основные аппараты пневматической системы работают в режимах автоматического отслеживания заданного давления, компенсируя утечки воздуха. Это позволяет стабильно поддерживать тормозные усилия.

В системах безопасности к ТМ подключается нормально открытый электропневматический клапан (не показан). При штатной ситуации движения на его обмотку постоянно подается напряжение. Клапан закрыт. Если возникает нештатная ситуация с ошибочными действиями машиниста, то система безопасности прекращает питание обмотки. Клапан открывается, и воздух из ТМ выходит в атмосферу. Происходит автостопное торможение.

Тормозные расчеты [20, 75], применительно к путевой машине, выполняются с целью определения тормозного пути при работе или транспортировке, необходимого тормозного усилия и т.д. В общем случае, уравнение движения машины в тормозном режиме, применив второй закон Ньютона:

(2.2)

 

где W _П, W _Р – сопротивления движению машины как повозки и дополнительное сопротивление, вызванное взаимодействием рабочих органов и пути, кН; B _Т – продольная замедляющая сила, вызванная работой тормозов машины, кН; x – замедление движения машины, м/с²; M – масса машины, т.

Составляющие сопротивления движению машины, как повозки, описаны в п. 2.8. Очевидно, что при движении машины на подъем, составляющая, связанная с уклоном, W _У>0, при движении на площадке W _У=0, при движении на спуске W _У<0. На подъеме скатывающая сила тормозит движение машины, на спуске – ускоряет.

Путевая машина, как движущаяся система, может быть остановлена только внешними по отношению к ней силами торможения, т.к. внутренние силы системы всегда взаимно уравновешены и не могут изменить ее состояние движения или покоя. Внутренние силы это силы взаимодействия башмаков тормозных колодок и поверхностей катания колес. Рассмотрим катящееся по рельсу колесо, диаметр D, м, которое в точка контакта A имеет мгновенный центр поворота колеса. На колесо со стороны машины действует вертикальная сила прижима Q, и вертикальная реакция рельса Q_R. Со стороны башмака тормозной колодки действует сила прижима K, вызывающая появление силы трения. Ее величина колеблется в пределах 5–40 кН. Не нарушая равновесие колеса, можно к его геометрическому центру O приложить две равных силы j_К K, одна из которых направлена вверх, а другая вниз. Сила, направленная вверх, дополнительно нагружает буксовый узел, а направленная вниз образует на плече D /2 с силой трения тормозной колодки пару сил, образующих тормозной момент M _ТР=j_К KD /2.

На колесо также действует сила P _И, обусловленная инерционностью машины и возможным ее движением под уклон. Приложим в центре колеса две противоположно направленных и уравновешенных силы B _Т, в точке контакта A – сила B _Т создает пару сил с момент B _Т D /2, уравновешивающий момент M _ТР. Сила B _Т, приложенная к центру O и направленная в противоположную сторону движения остается неуравновешенной, стремится замедлить движение машины.

Сила B _Т, приложенная к колесу в мгновенном центре A, и сила воздействия машины на рельс B_У сцеплены и выводят внутренние силы в систему путь, а сила B _Т, приложенная к центру O колеса, рассматривается как внешняя по отношению к машине сила. Она является также реакцией рельса на колесо. По третьему закону Ньютона машина, воздействуя на рельс через колесо горизонтальной силой B _У, стремится вызвать его угон в сторону направления движения. Величина этой силы ограничена возникающим сцеплением в контакте A и равна y_C Q, следовательно, условие отсутствия заклинивания (юза) колесной пары при торможении имеет вид: j_К K £y_C Q (y_C – коэффициент сцепления колеса и рельса (см. п. 2.8)).

Расчет тормозного пути машины при ее работе. В тормозных расчетах принимается во внимание общая тормозная сила машины, кН:

(2.3)

 

Критическими по отношению к возникновению юза являются режимы экстренного и автостопного торможения. При возникновении юза, помимо возможного повреждения поверхностей катания колес (ползуны, выбоины) и повышения вероятности схода с рельсов, увеличивается тормозной путь, сцепление переходит в скольжение колеса по рельсу, т.к. коэффициент сцепления (в среднем 0,25) превышает коэффициент трения скольжения стали по стали (0,12 – 0,15). Максимально допускаемое значение нажима колодки на колесо определяется с учетом коэффициента тормозного нажатия:

(2.4)

 

Коэффициент тормозного нажатия d изменяется в широких пределах в зависимости от условий и типа подвижного состава d=0,25 – 2,0. При чугунных тормозных колодках для самоходных путевых машин d=0,5 – 0,6, а для несамоходных – d=0,6 – 0,65; при композиционных тормозных колодках d=0,3.

При взаимодействии поверхности башмака тормозной колодки и поверхности катания колеса происходит нагрев, вызывающий подплавление. При большой скорости движения возникает эффект, аналогичный наличию жидкой смазки. Поэтому даже при постоянной силе K нажима колодки, коэффициент трения j_К и тормозная сила B _Т изменяются с уменьшением скорости. Для стандартных чугунных колодок действующий коэффициент трения определяется по эмпирическим формулам [39]:

(2.5)

 

где V – средняя скорость движения машины на расчетном интервале, м/с.

Аналогично для композиционных колодок:

(2.6)

 

При расчетах в приведенной массе подвижного состава рекомендуется учитывать инерционные свойства вращающихся масс колесных пар и приводов осевых редукторов [14, 79]:

(2.7)

 

где g – коэффициент приведение (для самоходной машины g=0,11 – 0,12, для несамоходной g=0,03). Тогда из формулы (2.2) ускорение, м/с²:

(2.8)

 

С другой сторо