СПОСОБ ТОРМОЖЕНИЯ ЕДИНИЦЫ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
METHOD OF BRAKING ROLLING STOCK UNIT

Изобретение относится к области транспортного машиностроения и может быть использовано для повышения эффективности торможения железнодорожного подвижного состава, например грузовых вагонов.
Для единицы подвижного состава требованием регламента не разрешается превышение предельно допустимых сил торможения. При этом для их оценки используются расчетные значения, при получении которых используется выражение для силы, передаваемой на колодку, зависящей от усилия на штоке тормозного цилиндра, усилия его возвратной пружины, силы пружины авторегулятора рычажной передачи, к.п.д. цилиндра и передачи, передаточного числа. Такой подход по давлению реализуется во всех расчетах усилий.
Так, известен способ расчета тормоза грузовых вагонов (Гребенюк П.Т. Правила тормозных расчетов. Труды ВНИИЖТ. М., 2004, с.24-32). При расчетах используют заданные величины давления в тормозном цилиндре и не учитывают реально наблюдающийся на практике разброс. А он определяется настройкой реального воздухораспределителя, используемого в тормозной системе.
тц
2
Как известно, усилие тормозного цилиндра зависит от площади поршня и давления в нем. Давление, в свою очередь, определяется возможностями пневматической части тормозной системы и, в частности, воздухораспределителем. Последний, в свою очередь, согласно ранее описанному решению (пат. RU №2390442, В60Т 15/18, В60Т 13/24, от 15.09.2008) может быть настроен на передачу давления в меньшем диапазоне, чем это предусматривают нормы безопасности (НБ ЖТ ЦТ-ЦЛ-ЦВ 01-98, с прил. №9 от 11.02.2009, Оборудование пневматическое для подвижного состава железных дорог. Нормы безопасности. М., изд. офиц., стр.50 - Р=3,0-3,4 кг/см). То есть регламентирующая работу тормоза инструкция задает разброс допустимых давлений на выходе воздухораспределителя. Установлено что, верхний предел по давлению исключает возможность блокирования колес и их перегрев при торможении. Тогда нижний предел заведомо исключает юз при торможении. Поэтому, гарантированно повышая нижний предел, можно увеличить эффективность торможения за счет уменьшения диапазона допустимых давлений. При этом можно изменить параметры, влияющие на тормозное усилие. Некоторые характеристики (например, передаточное число рычажной передачи), влияющие на усилия, уже пытались изменять.
Так, известен способ определения передаточного числа (ПЧ) рычажной тормозной передачи (ТРП), в котором сначала рассчитывают допустимое значение действительной силы нажатия из условий непревышения удельных давлений на тормозную колодку (ТК) и недопущения юза колесных пар. Затем выбирают стандартный (желательно унифицированный для данного типа подвижного состава) диаметр ТЦ и рассчитывают величину ПЧ ТРП по предложенной формуле (пат. RU №2088452, В61Н 13/34, от 15.07.1994). Данное решение можно считать наиболее близким к предлагаемому усовершенствованию. Существенным недостатком известного способа является попытка достижения эффективности варьированием только одного параметра механической части тормозной системы.
Задачей является повышение эффективности торможения единицы подвижного состава путем учета параметров воздухораспределителя тормозной системы при расчетах тормозных усилий.
2
2
Это достигается тем, что, управляя давлением в заданных интервалах установленных давлений на выходе воздухораспределителя с использованием тормозной системы, содержащей тормозной цилиндр, воздухораспределитель, авторежим и авторегулятор тормозной рычажной передачи и саму передачу, одбирают условия торможения такими, чтобы тормозные усилия на тормозной колодке задавались немного больше минимально допустимого на колесо единицы подвижного состава с различным состоянием загрузки последней, то есть при разных нагрузках на колеса, а именно выполняют следующие действия,во-первых, устанавливают воздухораспределитель на допустимое при экстренном торможении груженого вагона давление, обеспечивая его минимальный разброс (например 3,2-3,4 кгс/см или 3,3-3,4 кгс/см), и,
2
во-вторых,при указанном минимальном давлении (например, 3,2 или 3,3 кгс/см) пересчитывают передаточное число рычажной передачи или эффективную площадь тормозного цилиндра из условия, чтобы усилие на тормозной колодке было немного больше, чем минимально допустимое для полностью загруженного вагона. Или для того же самого заданного условия: выбирают усилие возвратной пружины авторегулятора рычажной передачи с уменьшенным влиянием на величину тормозного усилия, передаваемого на колодку, и затем пересчитывают передаточное число рычажной передачи или эффективную площадь тормозною цилиндра из условия, чтобы усилие на тормозной колодке было равно или немного больше, чем минимально допустимое для полностью загруженного вагона.
2
2
2
2
2
2
2
Или для того же самого вышеуказанного условия: при взятом минимальном возможном давлении в тормозном цилиндре (например, 3,2 кгс/см или 3,3 кгс/см) уменьшают диаметр поршня тормозного цилиндра, так чтобы сохранялись усилия на тормозной колодке немного больше минимально допустимого для полностью загруженного вагона, а затем авторежим настраивают с минимально возможным разбросом на минимально допустимое давление в тормозном цилиндре при порожнем вагоне (например, 1,2-1,4 кгс/см или 1,2-1,3 кгс/см), и при минимальном давлении 1,2 кгс/см выполняют проверку тормозной эффективности для порожнего вагона, чтобы выполнялись условия безъюзового торможения при максимальном давлении (например, 1,4 кгс/см или 1,3 кгс/см). Выполнение указанных действий при выполнении расчетов тормозных усилий приводит в результате к обеспечению достаточной по нормам безопасности тормозной силы порожнего и полностью загруженного вагона, к запасу по сцеплению колеса с рельсом в режиме максимальной тормозной силы порожнего вагона (у груженого вагона запас обеспечен), а кроме того, гарантии экстренного торможения полностью груженного вагона с максимально допустимой скоростью без перегрева дисков колес и тормозных колодок, приводящего к их разрушению.
Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения станут понятными во время последующего рассмотрения приведенного ниже подробного описания осуществления изобретения.
тр
тр
тр
тр
При этом анализе исходим из основ расчета тормозной системы вагона. Тормозная сила вагона N: N=∑K×f, где ∑K - сила нажатия тормозных колодок вагона, f - коэффициент трения тормозных колодок о колесо, K - сила нажатия одной тормозной колдодки ∑K/m, m - число тормозных колодок на вагоне. Полагаем, что f - const и не зависит от K (хотя на самом деле с понижением силы K коэффициент трения увеличивается f→). Сила нажатия тормозной колодки описывается обычно следующим выражением:
порш
тц
тц
пр
рп.п
рп
порш
тц
тц
пр
рп.п
рп.п
рп
рп
тц
рп
тц
тц
рп.п.о
2
2
2
K=1/m(S×P×η-F-F)×n, где S - площадь поршня тормозного цилиндра, P - давление сжатого воздуха в тормозном цилиндре (ТЦ), η - к.п.д. тормозного цилиндра, F - усилие отпускной пружины тормозного цилиндра, F - усилие пружины автоматического регулятора рычажной передачи, приведенное к штоку тормозного цилиндра, n=n×η - приведенное передаточное число рычажной передачи, где n - передаточное число рычажной передачи, η - к.п.д. рычажной передачи. Полагаем, что η и η постоянны. При таких условиях в выражении для К останется только несколько варьируемых параметров. Варьировать все параметры вместе - нерешаемая задача и поэтому требует наложения дополнительных ограничений. Эти ограничения вытекают прежде всего из конструкторских особенностей используемых устройств. Так, на величину давления в тормозном цилиндре и, следовательно, на К влияние оказывают воздухораспределитель и авторежим. Конструктивно авторежим имеет свой интервал возможного регулирования давления на выходе. Это свойство можно использовать для задания усилий на порожнем режиме. Параметры деталей цилиндра: площадь поршня, усилие возвратной пружины непосредственно влияют на тормозные усилия. Со стороны рычажной передачи влияние на силу нажатия может оказать усилие пружины авторегулятора и передаточное число рычажной передачи. Поэтому один и тот же интервал значений сил нажатия для доступных с данным воздухораспределителем и авторежимом давлений можно получить, уменьшая или увеличивая площадь поршня цилиндра, силу возвратной пружины цилиндра, силу пружины авторегулятора и передаточное число рычажной передачи. При этом методически легче изменить один параметр, зафиксировав другие, а затем по другому параметру приводить к тому же самому результату по силам нажатия. При осуществлении этих шагов следует исходить из основ тормозных расчетов (аналитический метод Правил тяговых расчетов) и параметров применяемых пневмоустройств. Ниже на конкретных примерах показан порядок действий для груженого и порожнего режимов, как наиболее важных для безопасности. Для груженого вагона Р=3,0-3,4 кг/см - давление, на которое настроен воздухораспределитель, авторежим пропускает его без потерь в ТЦ. Согласно нормам безопасности требуемая сила нажатия тормозной колодки для груженого вагона рассчитывается при минимально допустимом давлении в ТЦ 3,0 кг/см, а для порожних вагонов Р=1,2 (допустимое на выходе авторежима 1,2-1,6 кг/см) и при условии, что авторегулятор рычажной передачи находится в состоянии сжатия в упор (F≠0), на величину, необходимую для разъединения его гайки с контргайкой.
гр3.0
порш
тц
пр
pп.п
pп3.0
Тогда для груженого вагона K=1/m(S×3.0×η-F-F)×n,
гц
2
для порожнего вагона при P=1,2-1.6 кг/см давление на выходe авторежима (для вагонов с тарой до 27 т - "Общее руководство по ремонту тормозного оборудования вагонов»,732-ЦВ-ЦЛ, утверждено решением пятьдесят четвертого заседания Совета по железнодорожному транспорту государств- участников Содружества (протокол от 18-19 мая 2011 г. Введено в действие с 01 августа 2011 г. Москва, Трансинфо, 2012 г., стр.70)
пор3.0
порш
тц
пр
зп.п
pп3,0
K=1/m(S×1,2×η-F-F)×n.
тц
гр3.0
рп3,4,
рп3,3
рп3,0
порш
тц
пр
рп.п
порш
тц
пр
рп.п
2
2
2
n
Из опыта эксплуатации следует, что тормозные силы порожних вагонов (с тарой 24 т и ниже) завышены относительно норм безопасности, т.е. есть резерв для их понижения без потери требований безопасности. Отсюда следуют пути понижения тормозной силы порожнего вагона и увеличение вероятности безъюзового торможения. Например, при использовании воздухораспределителя повышенной точности при поддержании давления. Так как при типовой нагрузке на колесо груженого вагона разрешено применять максимальное давление в ТЦ Р=3,4 кг/см, то настраиваем воздухораспределитель на минимальное давление из выходных давлений, например, 3,3-3,4 кг/см и рассчитываем все параметры на давление 3,3 кг/см. Тогда при обеспечении требуемой тормозной силы K можно понизить передаточное число рычажной передачи n то есть  =n×(S×3,0×η-F-F)/(S×3,3×η-F-F).
рп3,4
гр3.0
гр3.3
гр3.0?
пор3,3
порш
тц
пр
рп.п
рп3,3
То есть выполняется понижение передаточного числа рычажной передачи n до такого значения, чтобы достигалось тормозное усилие K, т.е. К=K и тогда K=1/m(S×1,2×η-F-F)×n.
пор3,3
пор3.0
рпз,з
рпз,о
пор3,3
порш
тц
пр
рп.п
pп3,3
П
П
Тогда для порожнего вагона тормозное усилие К<K пропорционально уменьшится, так как установленное  <  ранее использованного, что видно из приведенной формулы: K=1/m(S×1,2×η-F-F)×n. При этом требования норм безопасности не будут нарушены. Это сделает проверку на необходимое усилие на порожнем вагоне.
рп
гр3,3
гр3.0
Вместо понижения n уменьшаем диаметр поршня цилиндра, при котором сохранияется равенство K=K или увеличиваем усилие возвратной пружины ТЦ.
Для пружины авторегулятора порядок действий не имеет принципиальных отличий: выбирают усилие возвратной пружины авторегулятора рычажной передачи с уменьшенным влиянием на величину тормозного усилия, передаваемого па колодку, и затем пересчитывают передаточное число рычажной передачи или эффективную площадь тормозного цилиндра из условия, чтобы усилие на тормозной колодке было равно или немного больше, чем минимально допустимое для полностью загруженного вагона. Хотя понятно, что интервал изменений параметров может отличаться.
Другой подход включает следующие шаги:
тц
2
так как при проверке порожнего вагона на возможность вхождения его в юз берут максимально возможную тормозную силу (диапазон давлений порожнего вагона с авторежимом Р=1,2-1,6 кг/см), т.е.
тц
2
- при максимально допустимом усилии на штоке, чтобы давление в ТЦ Р=1,6 кг/см,
рп..п..о
рп.п.о
- при отсутствии F так как регулятор не доходит до упора в рычаг (F=0), тогда выражение для проверки на юз будет выглядеть так:
пор.юз.1
порш
тц
пр
пр3.0
K=1/m(S×1,6×η-F)×n,
2
2,
2
тц
,
то настраивая авторежим на минимально давление из диапазона в ТЦ, например, 1,2 кг/см - 1,3 кг/см тогда принимаем максимальное давление из данного диапазона Р=1,3 кг/см
пор.юз.2
порш
тц
пр
рп3.0,
K=1/m(S×1,3×η-F)×n
пор.юз.2
пор.юз.1
порш
тц
пр
порш
тц
пр
K=K(S×1,2×η-F)/(S×1,6×η-F).
рп.п.о
Как видно, на минимальном диапазоне настройки авторежима и (F=0) сила нажатия уменьшается и вместе с этим уменьшается вероятность юза.
В качестве варианта может также рассматриваться случай, когда давление в тормозном цилиндре одинаково, а отличается отсутствием влияния усилия пружины регулятора рычажной передачи.
пор.рп
пор.
порш
тц
пр
порш
тц
пр
рп.п
Тогда K=K×(S×1,6×η-F)/(S×1,6×η-F-F).
тц
тц пор
рп.п
2
2
Соотношение сил давления груженого к порожнему порядка трех. Вариант Р=3,4 кг/см, Р=1,2 кг/см, F~0.
тц
тц
вр
вых.ав
вр
вых.ав
2
2
2
2
2
2
2
Обоснованием для применения более точных по давлению воздухораспределителей в системах с авторежимом могут служить нижеизложенные соображения. Реально в тормозной системе получить давление в ТЦ Р=1,2 кг/см можно, только если все воздухораспределители на выходе будут иметь устойчивое значение давления (без широкого диапазона 3,0-3,4,) например, Р=3,4 кг/см. то есть воздухораспределители должны быть более точными по выходному давлению. Это следует из следующего: функционально авторежим выступает в роли делителя, а при выпуске из ремонта у него устанавливается определенный коэффициент деления. Например, при давлении на выходе воздухораспределителя Р=3,0 кг/см авторежим устанавливается на такой коэффициент деления, чтобы на выходе P=1,2 кг/см, а коэффициент тогда 3,0/1,2=2.5. И если на вагоне установлен воздухораспределитель с максимально допустимым давлением Р=3,4 кг/см, то на выходе будет P=3,4/2.5=1,36 кг/см. Таким образом, используя точные воздухораспределители с давлением 3,4 кг/см на груженом вагоне и применяя авторежим, настроенный на давление 1,2 кг/см на порожнем вагоне, и исключив влияние усилия пружины авторегулятора рычажной передачи на уменьшение сил нажатия на тормозные колодки, получаем больший запас по тормозной эффективности, которую уменьшаем до минимально допустимого значения, обеспечивающего требования безопасности для груженого и порожнего вагона за счет необходимого уменьшения диаметра тормозного цилиндра и/или передаточного числа рычажной передачи. В результате пропорционально увеличиваем запас по безъюзовому торможению, так как тормозные силы у груженых и порожних вагонов уменьшаются.