Система торможения рельсового транспорта

Полезная модель относится к области транспортного машиностроения, в частности к пневматическим тормозным системам фрикционного типа, и может найти применение для всех видов рельсового транспорта: от городского трамвая до пассажирских и грузовых составов.
Рассматриваемая полезная модель является дальнейшим развитием и усовершенствованием полезной модели RU 209733, которая принята в качестве прототипа. Недостатком указанного прототипа является то, что реакция силы давления башмака на рельс воспринимается непосредственно штоком тормозного цилиндра и возникающий момент сил направлен на изгиб штока, что затрудняет его работу и может даже привести к его заклиниванию.
Устранение этого недостатка, а именно разгрузка штока цилиндра от изгибающего момента сил и является основой задачей заявленной полезной модели.
Технический результат достигается изменением конструкции подвеса башмака: таким образом, что в заявляемой полезной модели реакция силы давления башмака на рельс передается не на шток цилиндра, а на боковую раму тележки. Это происходит благодаря тому, что шток цилиндра передает усилие не непосредственно на штангу, как в прототипе, а через серьгу привода, соединенную с верхней и нижней штангами. Нижняя штанга подвеса, передающая тормозное усилие на башмак, соединяется с верхней штангой, а та, в свою очередь, с боковой рамой, которая и воспринимает силу реакции рельса.
Также уделено внимание устойчивости транспортного средства, как при движении, так и при торможении. Этот вопрос, являющийся основным критерием безопасности, в прототипе решается наличием реборды на нижнем торце башмака. В предлагаемой заявке предусмотрен еще один элемент повышения надежности – дополнительные реборды на боковых поверхностях башмака, обхватывающих полотно колеса, без силового взаимодействия с ним и не препятствующие движению. Во время торможения башмак, прижатый к колесу, образуют с ним (с колесом) как бы одно целое. В то же время, при движении, без торможения, может быть предусмотрен такой режим, когда башмак опущен, без касания с рельсом и боковые реборды обхватят полотно колеса, что также послужит дополнительной мерой повышения безопасности. В данном варианте заявки предусмотрены реборды на обеих боковой поверхностях башмака, вопрос необходимости установки реборды на обеих боковых сторонах башмака могут дать результаты испытаний.
Еще одна проблема, связанна с процессом торможения – тепловое состояние деталей, имеющих отношение, к этому процессу. Количество тепла, выделяемое в процессе торможения, пропорционально скорости движения, которая имеет тенденцию к увеличению в процессе развития рельсового транспорта, как и любого другого. Поэтому возникает вопрос охлаждения контактирующих поверхностей тормозных накладок, так как коэффициент трения снижается с увеличением температуры материала накладок. Проектирование и расчет системы охлаждения требует отдельного рассмотрения и не входят в тему настоящей заявки, но следует отметить, что приведенная конструкция удобна для ее размещения, например, по сравнению с магниторельсовым тормозом, где значительную часть занимают катушки соленоидов. В данной заявке приводится один из возможных вариантов системы охлаждения, включающий радиатор из материала с высоким коэффициентом теплопроводности (например, меди), причем для интенсификации охлаждения радиатор и тормозная накладка перфорированы системой отверстий для продвижения охладителя, а композиционный материал накладки желательно использовать с наполнителями из порошков металлов высокой теплопроводности,
В приведенном графическом материале, дополняющем настоящее описание, приняты следующие обозначения в соответствии с номерами выносок, при этом по возможности учтены обозначения схожих элементов прототипа: 1 – колесо; 2 – рельс; 6 – штанга нижняя; 7 – подвес; 8 – боковая рама; 9 – верхняя балка; 11 – шток цилиндра.
Детали, подвергшиеся некоторому изменению или новые; 4 – башмак, – конструкция которого изменена, в основном, из-за условий подвеса, а также установлены реборды на боковых поверхностях и предусмотрена возможность охлаждения тормозной накладки; 12 – верхнее звено – передает на боковую раму инерционные силы, возникающие при отклонении вектора скорости от прямолинейного; 13 – накладка тормозная – имеет некоторые изменения конструкции в связи с возможностью ее охлаждения; 14 – штанга верхняя, как указывалось выше, разгружает шток цилиндра от изгибающего момента сил, передавая усилие на боковую раму; 15 – серьга привода – передает усилие от штока цилиндра на нижнюю и верхнюю штанги подвеса башмака; синхронизирующие оси обеспечивают одновременное перемещение элементов тормозной системы и устраняют консольные моменты прилагаемых к ним сил, включают: 17 – синхронизирующая ось привода; 18 – синхронизирующая ось башмака; 19 – синхронизирующая ось верхнего звена; боковые реборды – обеспечивают дополнительную устойчивость объекта, обхватывая полотно колеса: - 20 реборда наружная и 21 – реборда внутренняя; 22 – радиатор, входит в систему охлаждения тормозной накладки, изготовлен из материала высокой теплопроводности, имеет ребра и  перфорирован системой отверстий для прохода охладителя.
Смысл и назначение вышеприведенных элементов конструкции приведены на нижеследующих фигурах.
На фигуре 1, которая отражает один из существенных признаков заявляемой полезной модели, показаны, без соблюдения масштаба, основные (более подробно на фигуре 6) силы, действующие на элементы системы: прототипа – фрагмент а) и заявляемой полезной модели – фрагмент b). Здесь: Fm составляющая силы реакции на шток цилиндра; R – сила реакции на башмак со стороны рельса; Qs и Qh – сила действия штока и сила реакции на шток цилиндра соответственно; Nu и Nm - составляющие силы действия на серьгу привода; N – составляющая силы реакции боковой рамы на верхнюю штангу. Из сравнения фрагментов a) и b) видно, что на прототипе составляющая реакция штанги на шток цилиндра вызывает существенный момент сил в то время как в заявляемой полезной модели момент сил от составляющей реакции серьги на шток цилиндра значительно меньше, а при горизонтальном положении серьги момент сил равен нулю и реакция со стороны рельса на башмак замыкается на боковую раму, что создает нормальные условия работы тормозного цилиндра.
На фиг. 2, 3 и 4 представлена конструкция и расположение основных элементов заявляемой полезной модели применительно к тележке модели 18-100, (как и в прототипе), причем на фиг. 2 – вид сбоку, на фиг. 3 – вид спереди, а на фиг. 4 – вид сверху. Также вид на тележку с данной тормозной системой в 3D- формате представлен на фиг. 8 – сбоку, а на фиг. 9 –спереди.
На фиг. 5 представлены силовые схемы элементов тормозной системы. На фрагменте слева приведены (в разрезе) элементы, передающие инерционную составляющей силы при отклонении вектора скорости от прямолинейного направления: сила реакции рельса воспринимается ребордой на торце башмака 4, и далее, через башмак и верхнее звено 12 воспринимается боковой рамой 8. На фрагменте справа выделены (также в разрезе), элементы подвески башмака, осуществляющие разгрузку штока цилиндра от изгибающего момента сил: вертикальная составляющая силы реакции рельса 2 воспринимается башмаком, далее нижней штангой 6, верхней штангой 14, и далее боковой рамой 8.
На фиг. 6 изображены основные силы (также без соблюдения масштаба), действующие на элементы заявляемой тормозной системы. Общий характер сил аналогичен прототипу, за исключением того, что, как указывалось выше, реакция силы давления на рельс 2 через башмак 4, нижнюю и верхнюю штанги 6 и 14, и далее, воспринимается боковой рамой 8, а шток цилиндра 11 разгружен от момента сил. Здесь: Fs и Fc – сила действия со стороны штока цилиндра 11 на серьгу привода 15 и составляющая силы реакции серьги привода 15 на шток цилиндра 11 соответственно; Qs и Qh – составляющие сил действия на серьгу привода 15 со стороны штока цилиндра 11, и на шток цилиндра 11 со стороны серьги привода 15 соответственно; Nu и Nm - составляющие сил действия со стороны серьги привода 15 на верхнюю и нижнюю штанги 14 и 6 соответственно; Fk – сила реакции со стороны колеса 1 на башмак 4 в месте их контакта; S – сила реакции на башмак 4 со стороны верхнего звена 12; Fm - составляющая силы реакции на шток цилиндра 11 со стороны серьги привода 15, которая зависит от угла наклона серьги a, и при горизонтальном положении серьги шток полностью разгружен от изгибающего момента сил; N – реакция составляющей силы со стороны боковой рамы 8 на верхнюю штангу 14 системы подвеса башмака 4.
На фиг. 7 показано взаимное расположение элементов системы подвеса башмака 4 в момент отпуска, башмак 4 приподнят над рельсом (примерно на 50 мм), и реборды на боковых поверхностях башмака выходят за пределы колеса.
На фиг.8 в 3D-формате представлена система подвеса башмака в режиме торможения, для удобства рассмотрения боковая рама не показана.
На фиг. 9 в 3D-формате как указывалось выше, представлен вид спереди на тележку с заявляемой конструкцией торможения.
На фиг. 10 в 3D-формате представлена система подвеса башмака в режиме отпуска, для удобства рассмотрения боковая рама не показана.
На фиг. 11-14 в 3D-формате представлен привод с серьгой 15 системы подвеса башмака 4, причем на фигурах 11 и 12 – в режиме торможения, а на фигурах 13 и 14 – в режиме отпуска, для удобства рассмотрения колесо не показано.
На фиг. 15 показано, как реборды на боковых поверхностях башмака обхватывают полотно колеса, а также приведен разрез по башмаку и колесу в месте установки боковых реборд.
На фиг. 16 и 17 в 3D-формате представлен тот случай, когда на проблемных участках пути башмак может служить элементом дополнительной устойчивости. Башмак может быть опущен до определённого положения, когда зазор между торцом и рельсом составляет малую величину δ, при этом реборды на торце и боковых поверхностях башмака противодействуют боковым смещениям объекта.
На фиг. 18, 19 и на фигуре 20 в 3D-формате представлен возможный вариант системы охлаждения тормозной накладки. Видны отверстия перфорации в радиаторе и в накладке. Движение охладителя (наиболее вероятным является воздух), показано голубыми стрелками.
Работа системы аналогична работе прототипа с учетом некоторых вышеуказанных моментов: в момент торможения сжатый воздух подается в подпоршневые полости тормозных цилиндров, штоки цилиндров 11 выдвигаются, и через серьгу привода 15 передают усилие на нижнюю 6 и верхнюю 14 штанги, башмак 4 прижимается к рельсу 2, вызывая силу торможения, а реакция от рельса передается через вышеуказанные штанги на боковую раму 8, минуя шток цилиндра. Одновременно сжатый воздух подается в полость в нижнем торце башмака, где расположена система охлаждения накладки, воздух движется вдоль ребер радиатора 22 и через отверстия перфорации в радиаторе и накладке, охлаждая их, и далее эвакуируется через отверстия в переднем торце башмака и через щели в его нижнем торце.
Таким образом, исходя из вышесказанного, тормозная система заявляемой полезной модели по сравнению с прототипом позволяет избежать деформации штока тормозного цилиндра за счет его разгрузки от изгибающего момента сил, также повышает боковую устойчивость объекта за счет дополнительных реборд на тормозном башмаке, и улучшает работу тормозной накладки за счет ее охлаждения в процессе торможения. Все это способствует надежности и безопасности движения рельсового транспорта.