СТОЯНОЧНЫЙ ТОРМОЗ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА (ВАРИАНТЫ)
PARKING BRAKES OF RAILWAY ROLLING STOCK (VERSIONS)

Изобретение относится к транспортному машиностроению и может быть использовано в тормозном оборудовании вагонов и локомотивов, в частности, в системах стояночного тормоза.
Важнейшей характеристикой стояночного тормоза является способность блокировки колес на стоянке транспортного средства с удержанием его от скатывания по пути с предельным нормированным уклоном, а также стабильное поддержание этой блокировки в течение длительного времени.
Известны варианты стояночного тормоза [1, 2], содержащие кинематическую пару «винт-гайка» с самотормозящейся резьбой, привод вращения гайки от ручного штурвала и рычажную передачу осевой силы от пары «винт-гайка» на фрикционные элементы тормоза.
Наличие в этих конструкциях винтовой пары с самотормозящейся резьбой позволяет обслуживающему персоналу (например, проводнику вагона), накрутив штурвал ручного тормоза до нормативного момента силы на рукоятке (100 Нм), отпустить штурвал. При этом сила нажатия элементов привода от штурвала до гайки исчезнет, а от гайки до фрикционных элементов тормоза должна сохраниться благодаря свойству самоторможения резьбы в паре «винт-гайка».
Недостатком конструкций тормозов указанных вариантов [1, 2] является выявленная для некоторых типов железнодорожных транспортных средств зависимость стабильности рабочей характеристики стояночного тормоза от свойств устройства, передающего силу нажатия от гайки на фрикционные элементы тормоза и от воздействия внешних динамических факторов на кинематическую пару «винт-гайка». Если указанное устройство имеет большую жесткость в направлении действия рабочей нагрузки, то при действии даже незначительных вибраций оно, как показывают эксплуатация и эксперименты, не способно длительно сохранять требуемую силу затяжки тормоза.
Известны варианты конструкции стояночного тормоза [3, 4, 5, 6], которые обеспечивают высокую стабильность его характеристик. Эти варианты, однако, имеют сложную конструкцию. В патенте [3] долговременная стабильность стояночного тормоза обеспечивается тем, что рычаг привода фиксируется специальным упором, а так же эксцентриковым устройством и храповым механизмом.
В состав стояночного тормоза по патенту [4] входят пневматический цилиндр, электродвигатель с механической передачей или лебедка с электроприводом и сложной системой управления.
В патенте [5] так же используются храповик, эксцентриковый зажим и пневмоцилиндр, что существенно усложняет конструкцию тормоза. Наиболее близким по составу элементов и технической сущности к заявляемому изобретению является стояночный тормоз, содержащий кинематическую пару «винт-гайка» с самотормозящейся резьбой [2]. Он принят за прототип.
Целью изобретения является повышение стабильности и долговременного поддержания главного рабочего параметра стояночного тормоза - силы нажатия привода на фрикционные элементы тормоза.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в стояночном тормозе, содержащем кинематическую пару «винт-гайка» с самотормозящейся резьбой, привод вращения винта и устройство для передачи от пары «винт-гайка» силы нажатия на фрикционные элементы тормоза, указанное устройство с возможным использованием дополнительных средств выполнено гибким на вытяжку осевой силой пары «винт-гайка» так, что при введении в действие этого устройства после выборки свободных зазоров в его системе на этапе упругой затяжки тормоза требуемое значение силы нажатия достигается не менее чем за три полных оборота винта относительно гайки.
В качестве дополнительных средств, позволяющих выполнить указанное выше отличие, предлагается вариант, в котором, как минимум, одна из тяг устройства выполнена в форме дуги, а так же варианты с введением в состав устройства деталей, передающих последовательно друг от друга силу нажатия, упругих элементов: в одном варианте в виде пружины, в другом в виде резинового блока.
Использование указанных отличительных признаков позволяет получить новый четкий критерий для проектирования стояночных тормозов с кинематической парой «винт-гайка» стабильно обеспечивающих долговременное удержание средств железнодорожного транспорта при их стоянке на наклонном пути.
Изложенная сущность изобретения поясняется следующими графическими материалами.
На фиг. 1 представлена зависимость потерь силы затяжки стояночного тормоза с винтовой парой от расслабляющего динамического фактора «f» при различной жесткости устройства связи винтовой пары с фрикционными элементами тормоза.
На фиг. 2 схематично представлена конструкция стояночного тормоза по прототипу [2] с измененной по данному изобретению формой одной из тяг.
На фиг. 3 - вариант стояночного тормоза с использованием в его устройстве в зоне «А» дополнительных элементов гибкости.
На фиг. 4 представлена детализация зоны «А» фиг. 3 с упругим элементом в виде пружины.
На фиг. 5 - детализация зоны «А» фиг. 3 с упругим элементом в виде резинового блока.
В представленных графических материалов использованы следующие обозначения:
Линии «М», «Ж», «А» на фиг. 1 изображают силовые характеристики различных по жесткости устройств связи пары «винт-гайка» с фрикционными элементами стояночного тормоза:
М - для мягкого (гибкого на вытяжку) устройства;
Ж - для жесткого устройства;
А - для абсолютно жесткого устройства;
заз
Δ - суммарное значение свободных зазоров в устройстве;
f - величина линейного расслабления нагруженного устройства от факторов динамического воздействия (вибраций, ударов и т.п.);
м
ж
ΔР, ΔР - потеря силы нажатия устройств различной жесткости от расслабляющего фактора «f».
Элементы конструкции на фиг. 2, 3, 4, 5 представлены следующими позициями:
1 - штурвал стояночного тормоза;
2 - конический зубчатый редуктор;
3 - винт;
4 - гайка;
5 - тяга;
6 - угловой рычаг;
7 - колесная пара с тормозными дисками;
8 - тяга;
9 - рычаг;
10 - тяга;
11 - тормозная траверса;
12 - клин;
13 - ролики;
14 - рычаги клещевых механизмов;
15 - тормозные цилиндры;
16 - отпускная пружина;
17 - тяга;
18 - коленчатый рычаг;
19 - тяга;
20 - балансир;
21 - угловые рычаги;
22 - клещевые механизмы;
23 - тормозные диски;
24 - пружина;
25 - ось;
26, 27 - направляющие шайбы;
28 - гайка;
29 - шплинт;
30 - резиновый блок.
Перед изложением сути изобретения, следует отметить, что оно основано на проведенных в последнее время в Тверском институте вагоностроения исследований тормозных систем некоторых вагонов. Установлено, в частности, что стабильность рабочих характеристик традиционных систем стояночного тормоза, содержащих кинематическую пару «винт-гайка» с самотормозящейся резьбой, зависит от жесткости устройства, передающего силу нажатия от пары «винт-гайка» на фрикционные элементы тормоза. При большой жесткости силовой цепочки от пары «винт-гайка» до фрикционных элементов она является не способной сохранять созданную в системе силу нажатия длительное время. Достаточно малейших взаимных перемещений в элементах силовой цепочки тормоза, вызванных, например, действием на заторможенный вагон вибраций железнодорожного полотна от прошедшего рядом локомотива или поезда, чтобы эта цепочка «расслабилась» со значительным снижением силы затяжки стояночного тормоза вплоть до полного исчезновения этой силы.
Указанный эффект может быть наглядно пояснен сравнением представленных на фиг. 1 силовых характеристик мягкого на вытяжку устройства (линия «М»), жесткого устройства («Ж») и абсолютно жесткого («А»).
ос
На первом этапе работы стояночного тормоза (в процессе выбора свободных зазоров) все системы («А», «М», «Ж») согласно графика на фиг. 1 работают одинаково. При дальнейшей затяжке тормоза системы «Ж» и «А» быстро доходят до создания требуемой силы тяги (Р), что на графике по фиг. 1 отражено крутым подъемом линии «Ж» и вертикальным подъемом линии «А». Затяжка тормоза с мягкой (упругой) характеристикой изображается более пологим подъемом линии «М». Положительной особенностью системы «М» является более стабильная способность сохранения достигнутой силы затяжки. На фиг. 1 видно, что при одном и том же «расслаблении» «f,» от какого-либо внешнего воздействия (вибрации или ударов) в упругой системе «М» имеет место небольшая потеря силы затяжки:
В то время как в системе «Ж» (с жесткой силовой характеристикой) при том же самом линейном расслаблении «f» система теряет значительную часть первоначальной силы затяжки
Если в стояночном тормозе устройство, передающее силу нажатия от пары «винт-гайка» на фрикционные элементы тормоза, выполнено абсолютно жестким (с силовой характеристикой по линии «А» на фиг. 1), то сила затяжки исчезает полностью при любом, сколь угодно малом расслаблении «f». Стояночный тормоз с самотормозящейся парой «винт-гайка» и передачей сил нажатия от нее на фрикционные элементы тормоза посредством абсолютно жесткого на вытяжки устройства, является абсолютно неработоспособным.
Проведенными исследованиями установлено, что большинство вагонов имеют достаточно высокий уровень стабильности рабочих характеристик стояночного тормоза. Примером могут служить пассажирские вагоны с колодочным тормозом, имеющим в составе устройства, передающего силу нажатия от привода стояночного тормоза до тормозных колодок, длинные и достаточно гибкие на вытяжку тяги.
Низкой стабильностью стояночного тормоза с винтовой кинематической парой обладают вагоны и локомотивы, у которых для стояночного торможения используется, например, только одна колесная пара с большим тормозным нажатием на ее фрикционные элементы. В этом случае для передачи существенно увеличенной силы нажатия используют, как правило, короткие, мощные и жесткие на вытяжку рычаги и тяги, не обеспечивающие, однако, требуемую стабильность стояночного тормоза.
Обеспечить стабильность рабочих характеристик стояночного тормоза по предлагаемому изобретению можно, выполнив устройство тормоза, передающее силу нажатия от пары «винт-гайка» на фрикционные элементы, такой гибкости, чтобы на этапе упругой затяжки тормоза требуемое значение силы нажатия на фрикционные элементы достигалось бы не менее чем за три полных оборота винта относительно гайки. Указанный минимум установлен экспериментально. Он обеспечивает достаточно глубокую затяжку тормоза и поддержание ее в течение длительного времени.
Рекомендуемая норма вызывает необходимость при проектировании стояночного тормоза проводить соответствующие расчеты не только на прочность, но и на гибкость. При недостаточной гибкости устройства, передающего силу нажатия на фрикционные элементы, в изобретении предусмотрена возможность обеспечения требуемой гибкости за счет дополнительных средств.
На фиг. 2 представлен дисковый тормоз, содержащий силовые цилиндры 15, воздействующие через распорные клинья 12, снабженные роликами 13, рычаги 14 клещевых механизмов на тормозные диски колесной пары 7. Стояночная часть тормоза содержит штурвал 1, конический редуктор 2, винтовую пару 3, 4 с самотормозящейся резьбой, рычажную передачу с элементами 5, 6, 8, 9, 10, 11, воздействующую на тормозные диски. Согласно изобретения одна из тяг (8 по фиг. 2) выполнена в форме дуги. Под нагрузкой эта тяга распрямляется, обеспечивая необходимую гибкость всей рычажной передачи и увеличивая за счет этого стабильность и длительность поддержания необходимой силы нажатия фрикционных накладок на тормозные диски во время стоянки вагона или локомотива на наклонном пути.
Обеспечение определенной гибкости нажимного устройства стояночного тормоза возможно за счет введения в конструкцию не только специальных, но и стандартных гибких элементов.
На фиг. 3 представлена схема стояночного тормоза пассажирского вагона модели 61-4179 модернизированная с целью повышения стабильности его рабочей характеристики.
Привод стояночного тормоза по фиг. 3 содержит штурвал 1, конические редукторы 2, винт 3 и гайку 4. К гайке 4 присоединена тяга 17, связанная с коленчатым рычагом 18. Малое плечо этого рычага тягой 19 соединена с балансиром 20, концы которого посредством угловых рычагов 21 связаны с клещевыми механизмами 22 дискового тормоза, взаимодействующими с тормозными дисками 23 колесной пары. Дополнительный гибкий элемент встроен в зону «А» (по фиг. 3) шарнирной связи тяги 19 с малым плечом коленчатого рычага 18.
Конкретное выполнение конструкции зоны «А» в графических материалах представлено на фиг. 4 и фиг. 5.
На фиг. 4 в качестве дополнительного упругого элемента использована винтовая пружина 24. При этом плечо коленчатого рычага 18 выполнено в виде вилки, в проушины которой вставлена ось 25 с поперечным отверстием для свободного прохода тяги 19, на конце которой смонтированы направляющие шайбы 26, 27, пружина 24, гайка 28 и шплинт 29.
Другой вариант конструкции зоны «А» фиг. 3, представленный на фиг. 5, отличается использованием гибкого элемента в виде резинового блока 30.
И в том и другом варианте сохранена шарнирная связь коленчатого рычага 18 с тягой 19. И в том и другом варианте введена дополнительная гибкость - силу тормозного нажатия от гайки 4 (см. фиг. 3) последовательно друг за другом воспринимают: тяга 17, коленчатый рычаг 18, вновь введенный упругий элемент 24 (по фиг. 4) или 30 (по фиг. 5) и далее тяга 19, элементы и узлы 20, 21, 22 рычажной системы. Увеличенная гибкость системы делает ее силовую характеристику (по графику на фиг. 1) более пологой, а следовательно, менее подверженной расслабляющему динамическому фактору «f» и обеспечивающей более высокую степень сохранности затяжки резьбовой пары 3, 4 («винт-гайка») и более высокую стабильность рабочей характеристики стояночного тормоза.
Указанные конструктивные отличия по фиг. 2, 3, 4 и 5 являются дополнительными факторами, призванными вместе с основными конструктивными элементами устройства, передающего силу нажатия от пары «винт-гайка» на фрикционные элементы, обеспечить выполнение основного отличительного признака - выполнение указанного устройства такой гибкости на вытяжку, чтобы на этапе упругой затяжки стояночного тормоза требуемое значение силы нажатия на фрикционные элементы тормоза достигалось бы не менее, чем за три полных оборота винта относительно гайки.
Выполнение этого условия обеспечит необходимую стабильность рабочей характеристики стояночного тормоза, обеспечит долговременное поддержание силы нажатия в тормозе при стоянке вагона или локомотива на наклонном пути.
В настоящее время принято решение использовать предложенные принципы и условия для модернизации тормоза пассажирских вагонов модели 61-4179, планируется внедрение их на новых вагонах.
Источники информации
1. Иноземцев В.Г. Тормоза железнодорожного подвижного состава. М. Транспорт. 1979, стр. 251, рис. 181.
2. Тормозное оборудование железнодорожного подвижного состава. Справочник. /Крылов В.Н., Крылов В.В., Ефимов В.Н. Демущкин П.Т./ - М. Транспорт, 1989, стр. 340, рис. 263. (Прототип).
3. Привод стояночного тормоза. Патент RU 2191711 С2, В60Т 17/08.
4. Стояночный тормоз локомотива. Патент RU 2523854 С1, В61Н 13/20, опубл. 27.07.2014.
5. Устройство стояночного тормоза для тормозных систем железнодорожного подвижного состава. Патент RU 2468942 С2, В61Н 13/34, опубл. 10.12.2012.
6. Стояночный тормоз. Патент ДЕ 2810833 А1, опубл. 28.09.1978.