ТОРМОЗНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ГРУЗОВОГО ВАГОНА

Область техники
Полезная модель относится к области железнодорожного транспорта, преимущественно к железнодорожным грузовым вагонам, в том числе высокоскоростным, в частности к тормозному оборудованию грузового вагона и предназначена для управления изменением давления сжатого воздуха в тормозных цилиндрах грузовых вагонах.
Уровень техники
На грузовых вагонах железнодорожного транспорта в основном применяется пневматическая тормозная система, в которой для регулировки давления в тормозном цилиндре используется пневматический воздухораспределитель (см., например, «Тормозное оборудование железнодорожного подвижного состава»: Справочник / В.И. Крылов, М: Транспорт, 1989). Управление и энергопитание (сжатым воздухом) воздухораспределителей каждого вагона в такой тормозной системе выполняется по пневматической тормозной магистрали. Недостатком данной пневматической тормозной системы является большое время прохождения управляющего сигнала по пневматической тормозной магистрали, особенно в длинно-составных поездах.
На европейских железных дорогах для увеличения быстродействия и управляемости тормозной системы грузового подвижного состава используется электропневматический тормоз. Снижение или повышение давления в тормозной магистрали через электромагнитные клапаны вызывает срабатывание пневматических грузовых воздухораспределителей соответственно на торможение или отпуск одновременно по всему поезду, что позволяет включать в поезд значительное количество вагонов, не оборудованных электропневматическим тормозом, но имеющих «пролетную» электрическую линию («Автоматические тормоза подвижного состава, В.И. Крылов, В.В.Клыков, М: Транспорт, 1983).
Известен блок тормозного оборудования (патент № RU176810 U1, B60T 13/36, B60T 13/66, B60T 15/36, публ. 29.01.2018), содержащий размещаемом под вагоном кронштейне с каналами пневматической связи, выполненном с возможностью подвода к ней трубопроводов, и на котором закреплены компоненты пневматической части и электронной системы управления и диагностики. При этом указанный кронштейн с каналами пневматической связи размещен в закрепляемом под вагоном контейнере в виде открытого сверху короба со съемной передней стенкой и с задней стенкой, на которой размещены электрические разъемы и штуцеры для подсоединения наружно располагаемых трубопроводов, сообщающих компоненты блока тормозного оборудования с периферийно расположенными исполнительными узлами и резервуарами, причем компоненты электронной системы управления и диагностики размещены с одного края кронштейна  напротив места расположения на задней стенке контейнера электрических разъемов, а компоненты пневматической части размещены с другого края кронштейна напротив мест расположения указанных штуцеров. Пневматическая и электрическая части известного устройства оборудованы специализированными блоками, клапанами, кранами, модулями, переключателями, редукторами, электронной системой управления и диагностики, регистратором, накопителем, датчиками давления, электронным процессорным блоком и монитором диагностическим. Большое количество приборов снижает надежность изделия при эксплуатации, осложняет ремонтопригодность и увеличивает конечную стоимость самого изделия, а также стоимость жизненного цикла изделия.
Известен также способ электропневматического управления воздухораспределителем грузового вагона и устройство для его осуществления (RU 2608191 C2, В60Т 13/26, В60Т 15/36, публ. 17.01.2017). Управление осуществляется устройством, которое содержит блок управления, расположенный на локомотиве, контроллер, расположенный на вагоне, а также систему электропневматических вентилей, расположенную на вагоне. Система электропневматических вентилей обеспечивает возможность отсоединения тормозной магистрали от магистральной части воздухораспределителя вагона, возможность сообщения полости золотниковой камеры главной части воздухораспределителя как с атмосферой, так и с каналом рабочей камеры воздухораспределителя, а также возможность отсоединения полости золотниковой камеры главной части воздухораспределителя от двухкамерного резервуара. Система содержит два электропневматических узла, один из которых размещен между двухкамерным резервуаром и магистральной частью воздухораспределителя, а второй – между двухкамерным резервуаром и главной частью воздухораспределителя. Изобретение предполагает установку блока управления на локомотиве и прокладывание дополнительных проводов для управления контроллерами от локомотива по всем вагонам поезда, что ведет к удорожанию и усложнению тормозной системы. Предложен также вариант радиоуправления контроллерами вагонов от блока управления, но это еще в большей мере приведет к удорожанию, в связи с необходимостью установки радиооборудования и аккумуляторов на локомотиве и каждом вагоне, а также  защиты радиоканала от помех.
Известна система управления торможением железнодорожного транспортного средства (патент № RU 2600470 C1, В60Т 15/18, В60Т 13/36, В60Т 13/68, публ. 20.10.2016). Система содержит расположенные на каждой единице, входящей в состав транспортного средства, пневматическую часть, подключенную к тормозной магистрали, контроллер, подключенные к контроллеру электропневматический вентиль торможения, предназначенный для сообщения тормозной магистрали с атмосферой, электропневматический вентиль отпуска, предназначенный для соединения канала тормозной магистрали с рабочей камерой воздухораспределителя, и датчик давления. Датчик давления подключен к тормозной магистрали и контроллеру. Контроллер соединен с установленным на локомотиве блоком управления, к которому подключен кран машиниста, соединенный с пневматической тормозной магистралью. Данная система также предполагает оснащение локомотива блоком управления, подключенного к крану машиниста, и радиооборудованием, а всех вагонов – радиооборудованием и аккумуляторами, зарядка которых предполагается от осевых генераторов. Данная система непригодна к применению на вагонах, используемых для сыпучих грузов, которые могут размораживаться в тепляках. Установка электропневматического блока между привалочными фланцами двухкамерного резервуара и магистральной части пневматического воздухораспределителя снижает надежность воздухораспределителя при пневматическом управлении.
Известно оборудование тормозной системы скоростной вагон-платформы (журнал «Вагоны и вагонное хозяйство» №4 (56) IV квартал 2018 статья «Тормозные системы для грузового скоростного движения с цифровым управлением» стр. 33). Тормозная система включает серийные и широко применяемые на железнодорожных транспортных средствах воздухораспределители KAB60, производства фирмы KNORR-BREMSE, или воздухораспределитель усл. № 483,  электровоздухораспределитель усл. № 305, клапан переключательный, установленный на электровоздухораспределителе, клапан максимального давления, авторежимы, тормозные цилиндры, запасный резервуар, закрепленные на раме вагон-платформы и соединенные между собой и тормозной магистралью трубопроводами. При управлении электропневматическим тормозом торможение и отпуск осуществляется электровоздухораспределителем, при пневматическом управлении – воздухораспределителем грузового типа.
Известна тормозная система скоростного железнодорожного вагона (патент № RU 2693596 C1, В60Т 13/26, публ. 03.07.2019), являющаяся наиболее близкой по совокупности существенных признаков к заявленному решению,  которая включает серийные и широко применяемые на железнодорожных транспортных средствах пневматический воздухораспределитель грузового типа (например усл. № 483),  электровоздухораспределитель (например усл. № 305), установленный на электровоздухораспределителе клапан переключательный, связанный с одной стороны с электровоздухораспределителем, а с другой – с пневматическим воздухораспределителем, и клапан максимального давления, подключенный через разобщительный кран к воздуховоду от запасного резервуара. При управлении электропневматическим тормозом торможение и отпуск осуществляется электровоздухораспределителем, при пневматическом управлении – воздухораспределителем грузового типа.
Недостатком данных тормозных систем является конфликт параллельно работающих при отпуске тормозов электровоздухораспределителя и воздухораспределителя грузового типа, соединенных между собой и тормозным цилиндром через переключательный клапан, так как электровоздухораспределитель соединяет тормозной цилиндр с атмосферой сразу после снятия электрических управляющих сигналов, а воздухораспределитель грузового типа – в пределах одной минуты (времени срабатывания воздухораспределителя грузового типа на отпуск по мере достижения отпускной волны из тормозной магистрали). В результате в процессе отпуска тормозов из-за перепада давления на переключательном клапане воздухораспределитель грузового типа соединяется через переключательный клапан с тормозным цилиндром, а значит, вагон остается заторможенным, и управляемость тормозами поезда ухудшается.
Раскрытие полезной модели
При создании полезной модели решалась задача внедрения в грузовой подвижной состав электропневматического тормоза для улучшения управляемости тормозной системы железнодорожного грузового вагона (увеличения быстродействия) при применении распространенных узлов и деталей воздухораспределителя для железнодорожного грузового вагона и других известных пневмоприборов, при этом не требующего существенных вложений в переоснащение отдельных единиц подвижного состава.
Технический результат, который будет получен при осуществлении предлагаемой полезной модели, заключается в повышении эффективности совместной работы электропневматической и пневматической частей тормозного оборудования грузового вагона, в том числе и в режиме отпуска, с сохранением унификации элементов тормоза железнодорожного грузового вагона.
Указанный технический результат достигается тем, что тормозное оборудование грузового вагона, пневматически связанное с тормозной магистралью, запасным резервуаром и тормозным цилиндром, содержит компоненты электропневматической части и пневматической части, контроллер управления и коммутационную часть, содержащую переключательный клапан, выполненный с возможностью пневматической связи тормозного цилиндра с пневматической частью или с электропневматической частью, при этом согласно полезной модели, коммутационная часть содержит исполнительное устройство, выполненное с возможностью перекрытия пневмолинии, связывающей пневматическую часть с тормозным цилиндром по сигналу от контроллера управления.
При этом, согласно полезной модели, коммутационная часть содержит устройство контроля выходного давления пневматической части, которое выполнено в виде тензопреобразователя  или реле давления.
При этом, согласно полезной модели, исполнительное устройство выполнено в виде пневматического клапана, выполненного с возможностью включения под воздействием на него пилотного электропневматического клапана.
При этом, согласно полезной модели, исполнительное устройство выполнено в виде электропневматического клапана, выполненного с возможностью воздействия на переключательный клапан.
При этом, согласно полезной модели, исполнительное устройство выполнено в виде устройства с узлом  блокировки переключательного клапана при электропневматическом управлении.
При этом, согласно полезной модели, исполнительное устройство выполнено в виде электромагнита для фиксации переключательного клапана при электропневматическом управлении.
При этом, согласно полезной модели, электропневматическая часть состоит из нормально закрытого электромагнитного клапана торможения и нормально открытого электромагнитного клапана отпуска, управляемых электрическими сигналами, посылаемыми от локомотива по поездной электролинии управления, и регулятор давления, которые установлены на кронштейне с каналами пневматической связи.
При этом, согласно полезной модели, пневматическая часть выполнена в виде пневматического воздухораспределителя грузового типа или в виде отдельных, пневматических связанных между собой главной и магистральной частей, рабочей и золотниковой камер, установленных на кронштейне с каналами пневматической связи.
При этом, согласно полезной модели, контроллер управления и коммутационное устройство установлены на кронштейне с каналами пневматической связи.
Перспективным направлением российской железнодорожной отрасли является развитие грузового длинно-составного тяжеловесного движения с возможностью обеспечения скорости перемещения до 160 км/час.  При этом основной задачей для машинистов локомотивов является эффективное управление процессом торможения скоростного грузового подвижного состава.
Решением поставленной задачи является оснащение существующих и вновь изготовляемых железнодорожных грузовых вагонов  электропневматическим тормозом без существенного удорожания, который включает в себя одновременно пневматическое и электропневматическое управление тормозами, реализованное путем применения одновременно электропневматической и пневматической частей. При этом пневматическая часть представляет собой традиционно используемый для тормозной системы пневматический воздухораспределитель грузового типа (например 6540 или 483) или в виде отдельных, пневматических связанных между собой главной и магистральной частей, рабочей и золотниковой камер, установленных на размещаемом под вагоном кронштейне с каналами пневматической связи.
В коммутационной части предлагаемого тормозного оборудования  дополнительно использовано исполнительное устройство, которое включается в работу при подаче электрического сигнала от контроллера управления и перекрывает пневмолинию, связывающую пневматическую часть (воздухораспределитель) с тормозным цилиндром непосредственно либо опосредовано, путем воздействия на переключательный клапан. Пневматический воздухораспределитель отключается от общей схемы тормозного оборудования, исключая тем самым препятствующую процессу отпуска подпитку сжатым воздухом тормозного цилиндра из запасного резервуара через воздухораспределитель при работе тормозного оборудования вагона в режиме отпуска. Вместе с тем, продолжительность работы электропневматического клапана может быть задана заложенной в контроллере программой или по сигналу от устройства контроля выходного давления, диагностирующего давление в пневматической части.
В случае возникновении аварийной ситуации (разрыв межвагонного соединения, поломка блока управления и т.д.) или при использовании грузового вагона в составе пневматического тормоза исполнительное устройство коммутационной части находится в нерабочем состоянии, осуществляя соединение пневматического воздухораспределителя с общей схемой тормозного оборудования, тем самым включая его в процесс управления торможением железнодорожного вагона.
Кроме того, благодаря размещению компонентов тормозного оборудования на закрепляемом под вагоном кронштейне с каналами пневматической связи и закрытию их защитными съемными кожухами, обеспечена эффективная защита пневмоприборов и электрооборудования от попадания влаги, грязи, пыли и камней, и прочих инородных тел, что сказывается на долговечности устройства. При этом рукоятки переключения режимов главной и магистральной частей пневматического воздухораспределителя, клапана отпуска главной части размещены снаружи защитных кожухов, что позволяет устанавливать соответствующие режимы и производить ручной отпуск тормоза вагона без демонтажа защитных кожухов.
Таким образом, при использовании предлагаемой полезной модели достигается повышение эффективности совместной работы электропневматической и пневматической частей тормозного оборудования грузового вагона, в том числе и в режиме отпуска. Вместе с тем, использование в конструкции предлагаемого тормозного оборудования традиционного воздухораспределителя позволяет не только обеспечить дублирование электропневматического управления тормозами в случае выхода из строя, но и включения вагонов с предлагаемым тормозным блоком в составы с вагонами, оборудованными только воздухораспределителями грузового типа.
Краткое описание чертежей
Полезная модель поясняется описанием конкретного примера ее выполнения и прилагаемыми графическими материалами, где на:
фиг. 1 изображена пневматическая схема тормозного оборудования, в обозначениях которой приняты следующие сокращения:
ТО – тормозное оборудование железнодорожного грузового вагона;
ЭПЧ – электропневматическая часть;
КЧ – коммутационная часть;
ПЧ – пневматическая часть;
ЗР – запасной резервуар;
ТЦ – тормозной цилиндр.
фиг. 2 – пневматическая схема тормозного оборудования с воздействием на канал обратной связи переключательного клапана;
фиг. 3 – пневматическая схема тормозного оборудования с механической блокировкой переключательного клапана при электропневматическом торможении;
фиг. 4 – пневматическая схема тормозного оборудования с фиксацией электромагнитом переключательного клапана при электропневматическом торможении;
фиг. 4,5 – один из вариантов осуществления полезной модели.
Осуществление полезной модели
Тормозное оборудование железнодорожного грузового содержит компоненты электропневматической части 1, пневматической части 2, контроллер управления 3, выполненный с возможностью контроля величины давления с помощью устройств контроля выходного давления 4, 5, 6 и подачи управляющего сигнала на исполнительное устройство 7 коммутационной части 8 (фиг. 1). В качестве устройств контроля выходного давления 5 и 6 могут использоваться тензопреобразователи, например, СДВ-И-1,00.
Тормозное оборудование пневматически связано с тормозной магистралью 9, запасным резервуаром 10 и тормозным цилиндром 11.
Электропневматическая часть 1 состоит из нормально закрытого электромагнитного клапана торможения 12, нормально открытого электромагнитного клапана отпуска 13, регулятора давления 14, фильтра 15 и клапана максимального давления 16, например 3-1К (3МДК).
Управление электропневматическими клапанами торможения 12 и отпуска 13 осуществляется от локомотива через поездную электролинию управления 17, проходящую по всей длине подвижного состава от локомотива. Регулятор давления 14 выполнен с возможностью соединения через переключательный клапан 18 запасного резервуара 10 с тормозным цилиндром 11, или тормозного цилиндра 11 с атмосферой при подаче или отключении электрических сигналов на электромагнитные клапаны торможения 12 и отпуска 13.
Клапан максимального давления 16, при работе электропневматической части, ограничивает давление сжатого воздуха в тормозном цилиндре 11 до требуемого значения.
Фильтр 15 служит для защиты электропневматического клапана торможения 12 и пилотного электропневматического клапана 19 от инородных включений.
Пневматическая часть 2 представляет собой воздухораспределитель грузового типа, например воздухораспределитель усл. № 6540. Пневматическая часть 2 соединена с запасным резервуаром 10, тормозной магистралью 9, а также посредством коммутационной части 8 с тормозным цилиндром 11.
Коммутационная часть 8 содержит переключательный клапан 18, связывающий тормозной цилиндр 11 с пневматической частью 2 или с электропневматической частью 1, в зависимости от того, от какой части подводится бóльшее давление. Коммутационная часть 8 содержит устройство контроля выходного давления 4 пневматической части 2, в качестве которого может использоваться тензопреобразователь, например СДВ-И-1,00, или реле давления, например, серии РМ, выполненные с возможностью контроля заданной величины давления на пневмолинии 20, связывающей переключательный клапан 18 и пневматическую часть 2.
Контроллер управления 3, выполнен с возможностью подачи сигнала на исполнительное устройство 7 для отключения пневматической части от общей схемы тормозного оборудования.
Коммутационная часть 8 выполнена с возможностью управления перекрытием пневмолинии 20, связывающей пневматическую часть 2 с тормозным цилиндром 11 по сигналу от контроллера управления 3 исполнительным устройством 7. Перекрытие пневмолинии 20 осуществляется при наличии сигнала в поездной электролинии управления 17 с целью исключения управления давлением сжатого воздуха в тормозном цилиндре 11 пневматической частью 2 при управлении давлением сжатого воздуха в тормозном цилиндре 11 электропневматической частью 1.
На фиг. 1 на пневмолинии 20, связывающей пневматическую часть 2 с тормозным цилиндром 11, с целью её перекрытия, в качестве исполнительного устройства 7 использован пневматический клапан. Управление пневматическим клапаном осуществляется пилотным электропневматическим клапаном 19 с малым энергопотреблением.
На фиг.2, фиг.3 и фиг.4 изображены другие примеры решения задачи перекрытия пневмолинии, связывающей пневматическую часть 2 с тормозным цилиндром 11 по сигналу от контроллера управления 3
На фиг. 2 в качестве исполнительного устройства 7 использован электропневматический клапан 21, который установлен на канале управления переключающего клапана 18, препятствуя его переключению во включенном состоянии электропневматического клапана 21 для соединения пневматической части 2 с тормозным цилиндром 11.
На фиг. 3 в качестве исполнительного устройства использовано устройство 24 с узлом фиксации 25, перекрывающим пневмолинию 20, опосредовано воздействуя на переключательный клапан. Узел фиксации 25 блокирует переключательный клапан 18 в положении соединения электропневматической части 1 и тормозного цилиндра 11, исключая соединение пневматической части 2 с тормозным цилиндром  11. Привод 23 узла фиксации 25 может быть электрический (напр. электромагнит, электродвигатель) или электропневматический (напр. пневмоцилиндр с электроклапаном).
На фиг. 4 в качестве исполнительного устройства использован электромагнит 26, удерживающий переключающий клапан 18 в положении соединения электропневматической части 1 с тормозным цилиндром 11, тем самым перекрывая пневмолинию 20, связывающую пневматическую часть 2 с тормозным цилиндром 11.
Контроллер управления 3 (фиг.1, 2, 3, 4) использует данные, полученные с устройств контроля выходного давления 4, 5, 6, для оптимизации энергопотребления тормозного оборудования, диагностики состояния тормозного оборудования, передачи (по необходимости) данных в локомотив по поездной линии электросвязи.
На фиг. 5, 6 проиллюстрирован один из вариантов осуществления полезной модели, где электропневматическая 1 и пневматическая 2 части, контроллер управления 3, коммутационная часть 8 могут быть закреплены на размещаемом под вагоном кронштейне 27 с каналами пневматической связи, выполненном с возможностью подвода к ней трубопроводов сжатого воздуха от тормозной магистрали 9, запасного резервуара 10, тормозного цилиндра 11. Тормозное оборудование закрыто от механических повреждений, проникновения влаги и пыли съемными защитными кожухами: передним 28 и задним 29.
Для удобства эксплуатации пневматического воздухораспределителя рукоятки 30 и 31 переключения режимов, а также отпуска 32 размещены снаружи кожухов. Для удобства монтажа/демонтажа применены безрезьбовые соединения трубопроводов от запасного резервуара 10, тормозной магистрали 9 и тормозного цилиндра 11 с блоком тормозного оборудования, вынесенные за защитный кожух 29.
Работа тормозного оборудования осуществляется следующим образом. При подаче управляющего сигнала «торможение» от крана машиниста (установлен на локомотиве) по поездной электролинии управления 17 (фиг. 1) включаются: электромагнитный вентиль торможения 12, сообщающий запасной резервуар 10 с рабочей камерой (на чертеже не показана) регулятора давления 14, и электромагнитный вентиль отпуска 13, который закрывает сообщение рабочей камеры регулятора давления 14 с атмосферой. Регулятор давления 14 переключается в режим торможения и соединяет запасной резервуар 10 с тормозным цилиндром 11 через переключательный клапан 18, который при переключении перекрывает связь тормозного цилиндра 11 с запасным резервуаром 10 через пневматическую часть 2.
При подаче управляющего сигнала «перекрыша» от крана машиниста по поездной электролинии управления 17 после сигнала «торможение» электромагнитный клапан отпуска 13 остается включенным, а  электромагнитный клапан торможения 12 выключается, и регулятор давления 14 прекращает сообщение запасного резервуара 10 с тормозным цилиндром 11. Регулятор давления 14 переходит в режим поддержания ранее установленного давления в тормозном цилиндре 11.
Также выполняются и последующие ступени торможения – краном машиниста задаются режимы «торможение» и «перекрыша», при которых происходит включение и выключение электромагнитного клапана торможения 12.
При торможении и «перекрыше» (до выполнения ступени отпуска) исполнительное устройство 7 отключено. Переключательный клапан 18 соединяет с тормозным цилиндром 11 пневматическую часть 2 или электропневматическую часть 1.
При подаче управляющего сигнала «отпуск» выключаются электромагнитный клапан торможения 12 и электромагнитный клапан отпуска 13 регулятора давления 14. Регулятор давления 14 через переключательный клапан 18 соединяет тормозной цилиндр 11 с атмосферой. Одновременно с выключением электромагнитных вентилей торможения 12 и отпуска 13 контроллер управления 3 подает сигнал на исполнительное устройство 7, которое разобщает пневмолинию 20 и пневматическую часть 2 с переключательным клапаном 18. Вследствие чего перекрывается связь запасного резервуара 10 с тормозным цилиндром 11 через пневматическую часть 2 и исключается влияние пневматической части 2 на отпуск тормозов.
До момента окончания процесса отпуска в пневматической части 2 подача сигнала от контроллера управления 3 на исполнительное устройство 7 сохраняется, независимо от количества ступеней отпуска, т.е. сигнал «перекрыша» после сигнала «отпуск» не вызывает отключение исполнительного устройства 7. Отключение исполнительного устройства 7 возможно только при получении сигнала торможения или окончания процесса отпуска в пневматической части 2.
Отслеживание окончания процесса отпуска осуществляется следующим образом. С помощью устройства контроля выходного давления 4 пневматической части 2 контроллер управления 3 может контролировать величину требуемого давления сжатого воздуха в пневмолинии 20, выдаваемого пневматической частью 2 в тормозной цилиндр 11, следовательно, контроллер управления 3 может контролировать окончание процесса отпуска в пневматической части 2. Отключение пневматической части 2 может быть произведено контроллером управления 3 в зависимости от заданной в контроллере величины выходного давления пневматической части 2. Также отключение пневматической части 2 может быть произведено контроллером управления 3 на основании программно заложенного времени отключения пневматической части в режиме отпуска, гарантирующего полный выпуск сжатого воздуха из пневмолинии 20.
Таким образом, при отпуске исключается вероятность подпитки сжатым воздухом тормозного цилиндра 11 от пневматической части 2. Отпуск осуществляется посредством электропневматической части 1. Повышается эффективность совместной работы электропневматической и пневматической частей тормозного оборудования грузового вагона, в том числе и в режиме отпуска, с сохранением унификации элементов тормоза железнодорожного грузового вагона.
При отсутствии сигналов в поездной электролинией управления контроллер управления 3 не подает сигнал на исполнительное устройство 7 и связь пневматической части 2 через переключательный клапан 18 с тормозным цилиндром 11 становится возможной.