РАЗВИТИЕ УСТРОЙСТВ ТОРМОЖЕНИЯ. В определенном смысле железнодорожный тормоз старше самого железнодорожного транспорта, хотя, конечно, намного моложе безрельсовых колесных экипажей. Дело в том, что необходимость специальных устройств для торможения любого подвижного состава возникает только при таких скоростях движения, когда естественное сопротивление вращению колес становится недостаточным для остановки в нужный момент.
Например, английские почтовые дилижансы достигли этого уровня в конце XVIII века, и сразу появился целый ряд тормозных устройств для них. Как известно, тормоз создает искусственное сопротивление движению для остановки или регулирования скорости и тем самым обеспечивает безопасность движения подвижного состава.
Первые тормоза рельсового транспорта в XVIII веке (еще до того, как он стал железнодорожным) были ручными. В действие они приводились тормозилыциками. Грузовые вагончики с деревянными колесами были тогда малы, двигались с использованием конной тяги, и для их эффективного торможения достаточно было прижать к полотну дороги сбоку от рельсового пути заостренный железный брус, укрепленный на вагонной раме. Другой вариант тормозного устройства тех времен - рычаг, вручную прижимаемый к колесу вагона; в отпущенном состоянии он подвешивался на цепи к кузову.
По такому же принципу приводились в действие и первые тормоза пассажирских поездов с паровой тягой. Однако именно применение силы пара дало толчок к быстрому развитию тормозной техники в XIX веке. Новые условия работы (поезд, а не отдельные вагоны) потребовали прежде всего, чтобы при разрыве или другом случайном разъединении поезда его тормоза автоматически срабатывали и вызывали остановку разъединившихся частей.
Это важнейшее свойство, получившее название автоматичности действия, не могли обеспечить ручные тормоза. Кроме того, каждый ручной тормоз требовал отдельного управ - ления, в единую (непрерывную) систему они не связывались. Поэтому значительным шагом вперед явилось создание в середине XIX века нескольких систем тормозов, которые были уже и автоматическими и непрерывными. Один из таких тормозов приводился в действие энергией больших спиральных пружин на торцовых стенках вагонов.
Специальные тормозильщики заводили эти пружины на станции отправления, а для торможения машинист тянул за веревку, привязанную к каждой пружине вдоль всего поезда. Тормоза срабатывали быстро и через систему рычагов - тормозную рычажную передачу - прижимали колодки к обода м колес. Имелись и другие конструкции механических тормозов, наряду с ними совершенствовались ручные. Но они были громоздки, требовали большой численности обслуживающего персонала, да к тому же длина поезда ограничивалась физическими возможностями машиниста и прочностью веревки. К середине XIX века появились новые тормозные системы, приспособленные к работе в более длинных поездах.
Появляется сначала паровой тормоз Стефенсона, передающий давление пара от небольшого парового цилиндра через рычажную передачу на тормозные колодки и колеса (1833 г). Затем почти одновременно были созданы тормоза, использующие действие разреженного (вакуумные) или сжатого (пневматические) воздуха. Последние в XX веке получили наибольшее распространение. Пневматический тормоз, предложенный в 1869 г. известным английским изобретателем и промышленником Дж. Вестингау-зом, не обладал вначале столь важным и уже заложенным ранее в механических тормозных системах свойством автоматичности действия.
Тем не менее он был настолько удачен принципиально и конструктивно, что к началу XX века нашел широкое применение на многих железных дорогах. Представим себе небольшой воздушный насос, установленный сбоку паровоза и приводимый в действие паром. Насос качает воздух в находящийся там же резервуар, а из этого резервуара по всему поезду проходит труба воздухораспределителя с гибкими соединительными рукавами на концах каждого вагона.
Получается непрерывная тормозная система, в которую входят на вагонах чугунные цилиндры с уплотненными поршнями, а на паровозе - трехходовой кран. Машинист, управляя этим краном, пропускает сжатый воздух из резервуара через воздухопровод в тормозные цилиндры. При перемещении их поршней штоки через рычажную передачу прижимают к колесам тормозные колодки.
Тем же краном воздух из тормозного цилиндра и воздухопровода выпускается в атмосферу, и тормоза отпущены. Отсоединяя воздухопровод как от резервуара, так и от атмосферы (положение перекрыши), машинист регулирует количество сжатого воздуха, а следовательно, и соответствующее тормозное усилие. Для отдельно взятого вагона или паровоза такой тормоз подходил как нельзя лучше, но в поездах он грозил полным отказом в самые опасные моменты - при разрыве поезда, разъединении тормозных рукавов, поломке тормоза и т.п. Поэтому его заменил автоматический пневматический тормоз Вестингауза.
Следует, однако, сказать, что и сегодня тормоза, работающие по такой схеме, широко используются на локомотивах и другом самоходном подвижном составе железных дорог - это так называемый прямодействующий, или вспомогательный, тормоз. С появлением в середине XIX века первого пневматического тормоза мы имеем дело уже с целыми тормозными системами железнодорожных поездов, включающими компрессорные и насосные установки для питания тормозов сжатым воздухом и управления тормозами, механическую часть в виде тормозной рычажной передачи и тормозных колодок, воздухопровод с тормозными цилиндрами и арматурой, а также важнейшим прибором, непосредственно осуществляющим торможение воздухораспределителем.
Сегодня под словом "тормоз" во многом подразумевается именно тип применяемого воздухораспределителя. Появилось и новое устройство управления пневматическими тормозами - кран машиниста, заменивший первоначальный простой трехходовой кран. И в таком виде, постепенно изменяя и совершенствуя конструкцию отдельных устройств, система пневматического тормоза сохранилась до наших дней. Конечно, в ней появился и целый ряд дополнительных устройств, отвечающих новым условиям работы подвижного состава, однако названные выше присутствуют в любом современном поезде. Уже к 30-м годам XX века произошло четкое разграничение требований к тормозному оборудованию различных типов подвижного состава.
Необходимость делить тормоза на пассажирские и грузовые вызвана главным образом разными длиной и максимальными скоростями движения пассажирских и грузовых поездов, а также разным соотношением массы тары и груза у пассажирского и грузового вагонов.
К середине XX века на железных дорогах мира наметилось два различных направления развития тормозной техники, которые можно условно назвать " европейским" и " американским". Они связаны с общими различиями подвижного состава и условий его эксплуатации.
Поскольку на дорогах Западной Европы подвижной состав оснащен слабой винтовой сцепкой, воздухораспределители работают в грузовых поездах в медленном (грузовом) режиме, в то же время они имеют переключение на ускоренный режим для следования в пассажирском поезде. С другой стороны, приборы пассажирского типа нередко имеют так называемый длинносоставный режим, рассчитанный на следование в составе грузового поезда.
Таким образом, большая часть этих приборов является универсальной. Характеристики тормозов грузового типа в США и Канаде соответствуют условиям работы в поездах большой массы и длины, оборудованных автосцепкой, способной воспринимать значительные сжимающие и растягивающие усилия. Длины тормозных путей в этих странах заметно больше, чем на дорогах Западной Европы. На советских железных дорогах в 20-х годах начали применять системы автотормозов с воздухораспределителем, разработанным изобретателем Ф.П. Казанцевым.
Он же предложил несколько систем кранов машиниста, послуживших основой и для применяемых ныне. В 30-е годы И. К - Матросов создал более совершенный воздухораспределитель, конструкция и свойства которого позднее совершенствовались Московским тормозным заводом (ныне завод " Трансмаш"). Модели этих воздухораспределителей последовательно модернизировались в 60 - 80 - х годах. С усложнением тормозной системы, ростом скоростей движения поездов, их массы и длины совершенствовались не только приборы управления и воздухораспределители.
Возникла необходимость автоматической регулировки тормозной рычажной передачи, чтобы износ фрикционных и других узлов не ухудшал характеристики тормоза в процессе его эксплуатации. В связи с этим появились различные конструкции автоматических регуляторов рычажной передачи. Стремление упростить сложную и тяжелую рычажную передачу привело к созданию компактных конструкций тормозных блоков, включающих в себя тормозной цилиндр со встроенным в него автоматическим регулятором выхода штока цилиндра и устанавливаемых на тележке вагона.
В различном конструктивном исполнении их используют во многих странах мира. В тормозных системах для высокоскоростного движения часто применяют не только колодочный, но и так называемый дисковый или магнитно-рельсовый тормоз. Он позволяет перенести воздействие колодок с поверхностей колес на специальные диски или заменить его процессом взаимодействия магнитного башмака с рельсом.
В скоростных пассажирских и пригородных электропоездах применяют также электропневматическое 66 торможение. Электропневматические тормоза срабатывают практически одновременно по длине поезда, поскольку приводятся в действие электрическим управляющим сигналом. Без всех этих видов торможения уже невозможно представить себе движение современных поездов на участках со сложным профилем пути. В то же время главную роль в обеспечении безопасности движения продолжает играть фрикционный пневматический тормоз.
Перспективы развития тормозных систем определяются общими направлениями развития железнодорожного транспорта. Усилия ученых и конструкторов направлены на создание воздухораспределителей, приборов управления и питания, новых типов неметаллических колодок и др обеспечивающих возможность безопасного вождения грузовых поездов массой 10 тыс. т и более, а пассажирских поездов - со скоростями 200 км/ч и более. Получают развитие различные системы автоматического управления тормозами поездов.
Они позволяют, например, автоматически выполнять различные режимы торможения и тяги по командам, которые передаются с одного пульта управления по всем тяговым единицам, рассредоточенным по длине соединенного грузового поезда. Управление может осуществляться телемеханическим способом или по радио. Созданы различные варианты этих устройств, предназначенных для грузовых, пассажирских, пригородных и других поездов. Все они сохраняют и возможность резервного ручного управления автотормозами краном машиниста.
Большое будущее принадлежит системам диагностирования тормозного оборудования в поездах или отдельных тормозных приборов при их обслуживании и ремонте. С использованием этих систем заметно сокращается время на подготовку и проверку тормозов на станциях и в пути следования, а главное - обеспечивается необходимый уровень безопасности движения. На это направлена, например, работа системы контроля целостности тормозной магистрали с передачей информации не только машинисту головного локомотива, но и на все остальные локомотивы соединенного поезда, на встречные и попутные поезда.
Фрикционные узлы тормозных систем претерпели за годы развития железнодорожного транспорта большие изменения. Во-первых, тормозная колодка и колесо уже не являются, как мы видим, единственным вариантом пары трения, хотя и получили наиболее широкое распространение во всем мире. В основном применяются чугунные колодки, причем как состав чугуна, так и различные добавки к нему постоянно совершенствуются.
В настоящее время широко начинают применять неметаллические колодки из синтетических материалов, которые принято называть композиционными. При этих колодках уменьшается расход металла, существенно увеличивается срок службы колодок, что приводит к сокращению объема ручного труда по их замене и регулировке, а главное - обеспечиваются более короткие тормозные пути. На железных дорогах композиционными колодками оснащено более 90% грузовых и примерно половина пассажирских вагонов, и можно без преувеличения сказать, что без таких колодок современные скорости и массы поездов недостижимы.
Современные приборы управления обеспечивают возможность управлять тормозами локомотива вместе с тормозами состава и отдельно от них, а на пассажирских локомотивах - также электрическим тормозом одновременно с автоматическими тормозами. Краны машиниста имеют устройства для сокращения времени зарядки тормозной сети, а также устройства контроля обрыва поезда.
Приборы управления обеспечивают и особые режимы экстренного торможения с максимально быстрым выпуском воздуха из тормозной магистрали. Обязательным прибором, обеспечивающим безопасность следования поезда, является автостоп, установленный в кабине локомотива. Он вызывает экстренное торможение автоматически, если машинист не реагирует своевременно на запрещающий сигнал светофора. Ожидается широкое использование роторно-винтовых компрессоров вместо традиционных поршневых, применяемых еще с XIX века. При одинаковой производительности они заметно меньше по габаритам, почти не шумят и не создают вибраций.
Воздух, сжимаемый в таких компрессорах, меньше разогревается, а значит, в нем меньше содержится влаги, ухудшающей работу тормозов. Скоростной подвижной состав обязательно будет оборудоваться микропроцессорными противоюзными устройствами. Для обеспечения скоростей движения пассажирских поездов 200 км/ч и более разрабатываются новые материалы для фрикционных пар трения тормозов, а также принципиально новые типы тормозов, действующие на вихревых токах. 2. ИСТОРИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И УСТРОЙСТВО АВТОСЦЕПКИ Отдельные единицы подвижного состава соединяют сцепными приборами.
Вначале это была винтовая упряжь, изобретенная в США. Она состояла из петель или серег, свободно укрепленных на крюке вагона, и нарезного винта, вращая который можно сближать и раздвигать серьги. Быстрота работы и безопасность зависели в основном от квалификации сцепщика. Ручная винтовая сцепка сдерживала рост объема перевозок из-за недостаточной прочности, поскольку ее прочность определяется массой сцепки, а масса ограничена физической силой и квалификацией сцепщика.
Другим существенным недостатком ручной сцепки является усложнение маневровой работы, поскольку необходимость скручивать стяжки вагонов увеличивает время формирования и вызывает дополнительные расходы на содержание сцепщиков. Велика также опасность травматизма. Введение автосцепки взамен винтовой упряжи совпало с началом XX века. В 1890 г. железные дороги США начали, а в 1900 г. закончили полный перевод подвижного состава на автосцепку типа Дженни, изобретенную еще в 1876 г. С этого момента начинается активное внедрение автосцепки не только на американском, но и на других континентах.
В 1925 г. на американскую автосцепку перешла Япония, позднее - Китай и другие страны Азии. В 1906 г. в России на Московско-Казанской железной дороге курсировало 230 вагонов и локомотивов с американской автосцепкой.
Широкое применение американской автосцепки выявило и ее принципиальные недостатки: неполная автоматичность действия, недостаточная область вертикального и горизонтального захвата, передача тяговой нагрузки на промежуточную деталь - коготь и др поэтому появление автосцепки с новым двузубым контуром зацепления (контуром Виллисона), устраняющим указанные недостатки, затормозило дальнейшее применение этого варианта автосцепки. В процессе испытаний на советских дорогах ряда автосцепок лучшие результаты показала автосцепка СА-3, разработанная в Институте реконструкции тяги под руководством профессора В.Ф. Егорченко, имеющая двузубый контур зацепления.
Перевод с винтовой упряжи на автосцепку в СССР начался в 1935 г а закончился в 1957 г. Применяемая в настоящее время в США, Канаде, Мексике, Японии, Китае, Индии американская автосцепка, как и советская, за период эксплуатации претерпела значительные изменения, направленные на повышение эксплуатационных показателей. Например, у автосцепки СА-3 рабочая нагрузка повысилась в 3 раза (с 0,8 до 2,5 - 3 МН). В США намечается тенденция к применению автосцепок жесткого или полужесткого типа. Автосцепка жесткого типа имеет ограничитель предельного перемещения по вертикали. Это позволяет снизить влияние неровностей железнодорожного пути и возможности выхода сцепок из зацепления.
Конструкция автосцепок для специального подвижного состава (дизель - электропоезд, вагоны метрополитенов и др.) определяется условиями его эксплуатации.
Такие автосцепки не подвергаются большим нагрузкам, поэтому они легче, компактнее, но в то же время требуют большой точности изготовления и сложных вспомогательных обустройств, поскольку при автоматическом сцеплении обеспечивается и соединение воздушных магистралей (тормозной и напорной), а также электрических цепей управления и передачи информации по подвижному составу. Дальнейшее развитие автосцепки подвижного состава общесетевого назначения будет проходить как в направлении повышения ее эксплуатационных возможностей, так и долговечности, прочности, увеличения межремонтного периода до промежутка между капитальными ремонтами подвижного состава.
Весь подвижной состав общего назначения будет иметь автосцепку жесткого или полужесткого типа оборудованную автосоединителем тормозной магистрали, а для некоторых типов вагонов - соединителем напорной магистрали и соединителем электроцепей. Появится автосцепка такого типа и на европейских дорогах колеи 1435 мм, где пока еще применяется винтовая упряжь.
Использование методов термообработки автосцепки, применение легированных сталей, новые методы упрочнения поверхности наплавкой слоя высокопрочного металла сделают автосцепку прочнее и легче. Расширится область применения специальных автосцепок в связи с введением в эксплуатацию скоростных пассажирских поездов и новых видов транспортных средств, у которых конструкция автосцепки будет определяться условиями эксплуатации и технико-экономической целесообразностью, если не будет острой необходимости во взаимосцепляемости с автосцепкой общесетевых вагонов и локомотивов.
Наряду с автосцепкой развитие получат и поглощающие аппараты. Первые их образцы представляли собой, по существу, пружину; в дальнейшем появились системы с использованием пар трения, гидрофрикционные, гидрогазовые. Однако в будущем они будут заменены аппаратами, имеющими в качестве рабочего тела специальные полимерные соединения (эластомеры), и сочетать в себе как простоту конструкции и высокую возможность поглощения энергии (100 - 200 кДж), так и необходимую надежность в эксплуатации.