Пневматический тормоз рельсового транспорта

Полезная модель относится к тормозным системам фрикционного типа и может найти применение в области всех видов рельсового транспорта: от городского трамвая до пассажирских и грузовых составов.
В качестве прототипа рассматриваемой полезной модели принята тормозная система колодочного типа, применяемая на большинстве объектов рельсового транспорта. Эти известные тормозные системы рельсового транспорта для создания тормозной силы используют силу трения о рельсы колеса, а для торможения колеса используются колодки, прижимаемые либо к поверхности катания колеса, либо к диску (дискам), связанным с валом колесной пары.
Недостатком тормозной системы вышеозначенного прототипа является низкий коэффициент трения взаимодействующих материалов (колеса и рельса), не позволяющий создать достаточную тормозную силу, в результате чего тормозной путь оказывается слишком велик, что сказывается на безопасности движения, к тому же, при сцеплении колеса с рельсом происходит неравномерный износ колеса.
Основой задачей заявленной полезной модели является устранение вышеперечисленных недостатков, т.е. сокращение величины тормозного пути и устранение износа (в том числе неравномерного) поверхности катания колеса, что повышает надежность и уменьшает стоимость эксплуатации объектов рельсового транспорта.
Технический результат достигается за счет создания тормозной силы путем трения специальных накладок из фрикционного материала о поверхность рельса при обеспечении достаточной силы прижатия накладок к поверхности рельса.
Поставленная задача достигается конструктивными особенностями заявляемой тормозной системы, заключающейся в следующем. Тормозная колодка, в дальнейшем именуемая башмаком, прижимающимся к поверхности катания колеса с одной или с двух сторон, продлена до поверхности рельса, что дает ей возможность прижатия к поверхности рельса при приложении определенной силы, как показано на фигуре 1.
Силу прижатия башмака к рельсу обеспечивает тормозной цилиндр с поршнем, причем расположение цилиндра и параметры сжатого воздуха в нем соответствуют прототипам, но рычаг (в дальнейшем именуемый штангой), соединяющий шток поршня с башмаком и приводящий его в движение, составляет острый угол с вертикальной осью, что дает увеличение силы нормального давления башмака на рельс. В торце башмака, контактирующего с рельсом, установлена накладка из фрикционного материала, которая заменяется по мере износа. Давление воздуха в тормозной цилиндр подается из штатного, как на прототипах, воздухораспределителя.
Как указывалось выше, заявляемая полезная модель может быть применима ко всем моделям тележек рельсового транспорта, но для большей конкретности рассматривается одна из самых распространенных - модель серии 18-100, для которой выполнены необходимые рисунки и пояснения, причем следует отметить, что конструкция элементов заявляемой тормозной системы является условной, форма и геометрические размеры башмака, соединительных тяг, тормозного цилиндра и пр. также условны и не подвергались оптимизации. Принципиально обжатие колеса тормозными колодками - башмаками - может быть как односторонним, так и двусторонним, но в данном варианте описания представлен односторонний вариант прижатия тормозного башмака, так как принятая тележка модели 18-100 имеет одностороннее прижатие.
Конструкцию заявляемой тормозной системы (для одного колеса: один башмак - одностороннее прижатие) можно представить следующим образом. Основным узлом является башмак. Для приведения его в движение используется, как и в прототипе, тормозной цилиндр. Число цилиндров может быть от одного на всю систему до одного на каждый башмак, это зависит от конструктивных особенностей тележки и не имеет принципиального значения. Для данного варианта оказалось удобным выбрать тормозной цилиндр с двумя противоположно движущимися поршнями, каждый из которых приводит в движение соответствующий башмак. Шток цилиндра соединен с башмаком в его нижней, близкой к поверхности рельса части рычагом, в дальнейшем именуемым штангой, которая составляет с вертикалью острый угол, примерно от 5 до 25°. Башмак подвешивается в своей верхней и нижней точках системой рычагов, позволяющих ему: при выдвинутом штоке цилиндра - прижиматься к рельсу и колесу, а при втянутом штоке - отходить от рельса и колеса, образуя гарантированные зазоры. Верхний рычаг подвески в дальнейшем именуется верхнее звено, а нижний - просто подвес. Вышеозначенная система подвеса, а также тормозной цилиндр крепятся к соответствующей боковой раме тележки.
В приведенном графическом материале, дополняющем настоящее описание, приняты следующие обозначения в соответствии с номерами выносок: 1 - колесо; 2 - рельс; 3 - колодка; 4 - башмак; 5 - тормозной цилиндр; 6 - штанга; 7 - подвес; 8 - боковая рама; 9 - верхняя балка; 10 - бобышка; 11 - шток цилиндра; 12 - верхнее звено; 13 - накладка. Смысл и назначение приведенных обозначений приводится в нижеследующем материале.
Как отмечалось, фигура 1 отражает один из существенных признаков заявляемой полезной модели. В верхней части фигуры - фрагмент а) - показано обычное конструктивное исполнение тормозной системы рельсового транспорта, принятой за прототип. Тормозные колодки прижимаются к поверхности катания колеса силой Fcl и сила торможения Ftr возникает в результате взаимного трения поверхностей колеса и рельса.
В нижней части фигуры (фрагмент b) представлена предлагаемая конструкционная схема системы торможения. Здесь видно, что геометрия тормозной колодки выполнена таким образом, что нижний торец колодки (которая для подчеркивания отличительных признаков, как указывалось выше, названа башмаком) имеет возможность прижиматься с определенной силой Fcl к поверхности рельса, причем в месте контакта установлена накладка из фрикционного материала. В результате этих конструктивных отличий, сила торможения Ftr возникает не от трения колеса об рельс, а от трения о поверхность рельса фрикционной накладки. Таким образом, трение стальной поверхности катания колеса заменяется трением фрикционной накладки, при этом исключается неравномерный износ поверхности катания колеса и сокращается тормозной путь из-за большей величины коэффициента трения фрикционного материала накладки о сталь рельса.
На фигурах 2, 3 и 4 представлена конструкция и расположение основных элементов (узлов) заявляемой полезной модели применительно к тележке модели 18-100, причем на фигуре 2 - вид справа, на фигуре 3 - вид спереди, а на фигуре 4 - вид сверху.
На фигуре 5 изображены силы, действующие на элементы заявляемой тормозной системы. Под действием давления воздуха в тормозном цилиндре поршень развивает силу Fc, которую можно разложить на силу Fs, направленную вдоль штанги, соединяющей поршень с башмаком, и силу Fw, нормальную направлению движения штока. Проекция силы Fs на вертикальную ось дает нам силу нормального давления на рельс Fr (сила реакции со стороны рельса на башмак - Fn), в свою очередь, проекция силы Fs на горизонтальную ось дает нам силу давления на колесо - реакция со стороны колеса на башмак - сила Fk, момент сил Fk и Fn, действующих на башмак, компенсирует сила натяжения эвена верхнего подвеса башмака Fq. Для работы тормозной системы имеет значение сила нормального давления Fr (Fn), которая в результате несложных расчетов определяется по отношению к силе, развиваемой штоком, как Fc/tg(a). Последнее выражение показывает, что сила прижатия башмака к рельсу зависит от угла наклона штанги и может достигать значительной величины (при малых углах), но, конечно, не может превышать весовой нагрузки на колесо. Желаемая же величина силы прижатия башмака к рельсу по отношению к весовой нагрузки на колесо зависит от многих факторов, таких, например, как предельное (допустимое) значение ускорения торможения, также, от технологических особенностей изготовления системы торможения, и конечно, от результатов испытаний.
На фигуре 6 представлена схема перемещения башмака при движении штока поршня. Зеленым цветов показаны элементы системы в момент торможения - шток выдвинут, а желтым цветом показан момент отпуска - шток втянут.
На фигуре 7 в 3D-формате представлена возможная конструкция башмака для заявляемой тормозной системы. Здесь: S - штырь силового соединения со штангой, соединяющей башмак со штоком тормозного цилиндра; V - отверстие для крепления подвеса; Z - отверстие для крепления верхнего звена; K - поверхность башмака, соприкасающаяся с поверхностью катания колеса, для возможности некоторого перемещения башмака относительно колеса в процессе торможения, величина радиуса поверхности K имеет величину, несколько превышающую радиус колеса (например, 552 мм против 475 мм). Также показана реборда R, служащая для обеспечения устойчивости транспортного средства при торможении, профиль реборды аналогичен реборде колеса, а его площадь поверхности контакта с рельсом, как видно, превышает соответствующую площадь поверхности контакта колеса с рельсом.
На фигуре 8 представлена схема установки накладки из фрикционного материала в башмак, накладка может (должна) заменяться в процессе износа.
На фигуре 9 показана схема взаимного расположения и соединения элементов заявляемой тормозной системы. Бобышки 10 крепятся к боковой раме, к которой также крепится корпус тормозного цилиндра 5. Способ крепления не имеет принципиального значения и поэтому не показан.
На фигурах 10 и 11 показана тележка с установленной на ней заявляемой тормозной системой, на фигуре 10 - вид справа, а на фигуре 11 - вид снизу, где показан подвод воздуха в тормозные цилиндры от штатного воздухораспределителя. Заявляемая полезная модель никаких дополнительных требований к штатной системе управления тормозной системой не предъявляет.
На фигурах 12 и 13 представлена заявляемая тормозная система при установке на тележку, боковые рамы, верхняя балка, рессорные пружины и прочие не относящиеся к системе торможения элементы не показаны, причем на фигуре 12 - показан момент отпуска, а на фигуре 13 - показан момент торможения.
Система работает следующим образом. В случае торможения в тормозной цилиндр из воздухораспределителя поступает воздух под определенным давлением и поршень начинает движение, сжимая пружину в цилиндре. Шток поршня 11 с помощью штанги 6 перемещает башмак 4 до его соприкосновения с поверхностью рельса 2 и далее до контакта с колесом 1. При дальнейшем движении поршня после контакта башмака 4 как с колесом 2, так и с рельсом 1, возникает силовое взаимодействие башмака 4 с колесом 1 и рельсом 2. Возникшая сила нормального давления башмака на рельс вызывает трение тормозной накладки 13 о поверхность рельса и соответствующую тормозную силу, равную произведению силы нормального давления на коэффициент трения фрикционной накладки об стальной рельс.
При этом происходит перераспределение нагрузки на рельс между колесом и башмаком - суммарная осевая нагрузка остается постоянной - поэтому, чтобы устойчивость транспортного средства по крайней мере не снижалась при торможении, башмак имеет реборду, профиль которой аналогичен реборде колеса.
2
5
В данном конкретном случае с тележкой модели 18-100 можно произвести некоторую количественную оценку параметров системы. Так, при стандартном давлении воздуха в тормозном цилиндре 4.2 кгс/см = 4.116⋅10 Па и принятом диаметре поршня 296 мм имеем силу Fc штока 28800 Н. В рассматриваемом варианте конструкции угол штанги от штока поршня к башмаку с вертикалью составляет 22°, что дает величину силы нормального давления 70108 Н. При использовании фрикционных накладок из ретинакса, (коэффициент трения µ по стали 0.47 ÷ 0.59) полагаем μ = 0.50, и получаем тормозную силу 35054 Н (3.58 тс).
При использовании обычной тормозной системы имеем следующее. Максимальная нагрузка на ось тележки 18-100 равна 25 тс (245000 Н). Тормозная сила при трении колеса о рельс (максимальная при сцеплении и коэффициенте трения сталь по стали равном 0.18) равна 22500 Н на колесо, т.е. примерно в 1.6 раз меньше, чем у заявляемой полезной модели. При обычной нагрузке на тележку этот показатель будет выше.
Таким образом, исходя из вышесказанного, тормозная система заявляемой полезной модели по сравнению с прототипом позволяет сократить тормозной путь более чем в 1.6 раз и исключает износ поверхности катания колес (в том числе и неравномерный), а простота самой конструкции и составляющих ее элементов обеспечивает ее надежность. Установка заявляемой тормозной системы на тележку прототипа (например, 18-100) без серьезных доработок дает возможность проведения недорогих испытаний с целью подтверждения работоспособности заявляемой полезной модели.