ТОРМОЗНОЙ ЦИЛИНДР ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к железнодорожному транспорту, касается конструкции тормозных цилиндров, в том числе оснащенных стояночным тормозом, и может быть использована в тормозной магистрали отдельной единицы пассажирского железнодорожного подвижного состава, преимущественно моторвагонного подвижного состава.
Уровень техники
С целью обеспечения безопасности на железнодорожном транспорте машинисту необходимо контролировать работу исполнительных тормозных приборов на каждом вагоне в пассажирском подвижном составе. Известен способ контроля действия тормозного цилиндра, который заключается в оценке фактов прямого и возвратного смещений поршня тормозного цилиндра с помощью сигнализаторов, предназначенных для замыкания или размыкания цепи сигнальной лампы, находящейся в кабине машиниста.
Известен тормозной цилиндр железнодорожного транспортного средства, содержащий корпус с впускным отверстием и размещенным в корпусе поршнем, связанным со штоком и подпружиненным возвратной пружиной, герметично разделяющий корпус на две полости. При этом поршень и связанный с ним шток выполнены с возможностью осевого перемещения в корпусе под действием тормозного давления и возврата в исходное положение под воздействием пружины. При этом тормозной цилиндр снабжен сигнализатором отпуска тормозов, установленном на задней крышке корпуса, содержащим закрытый крышкой стакан, в котором размещен подпружиненный ответный элемент с хвостовиком. При отсутствии рабочего давления подвижный контакт под воздействием пружины перемещается и замыкает неподвижные контакты. Образованный замкнутыми контактами электрический сигнал замыкает цепь и тем самым обеспечивается возможность подачи сигнала об отпуске тормозов в кабину машиниста. (А.с. СССР № 102309, МПК 20f 47, 1954 г.)
Недостатком известного тормозного цилиндра является низкая функциональность из-за точечного срабатывания исключительно в режиме отпуска, а также низкая надежность срабатывания из-за наличия у сигнализатора механического нажимного элемента, который подвержен сильному износу в процессе работы.
Известен тормозной цилиндр железнодорожного транспортного средства, содержащий корпус с впускным отверстием и размещенным в корпусе поршнем, связанным посредством расположенного в корпусе стакана со штоком и подпружиненным возвратной пружиной, герметично разделяющий корпус на две полости. Поршень и связанный с ним шток выполнены с возможностью осевого перемещения в корпусе под действием тормозного давления и возврата в исходное положение под воздействием пружины. При этом корпус тормозного цилиндра снабжен, по меньшей мере, одним сигнализатором, нажимной элемент которого выполнен с возможностью взаимодействия с соответствующим пазом. Обеспечивается возможность подачи сигнала в кабину машиниста в отпущенном состоянии тормоза и при начале торможения.  (Патент РФ № 2093391, МПК B60T 17/08, 1997 г.).
Недостатком этого тормозного цилиндра является наличие у сигнализаторов механического нажимного элемента, который замыкает электрическую цепь при воздействии на него стенки стакана. При этом размыкание контакта происходит при перемещении нажимного элемента в паз стакана. В процессе работы тормоза нажимной элемент обеспечивает большое количество циклов срабатывания, поэтому подвержен сильному износу, кроме того не исключена вероятность проседания пружины сигнализатора при длительной эксплуатации.
механическое взаимодействие
Наиболее близким по технической сущности является тормозной цилиндр железнодорожного транспортного средства, содержащий корпус с впускным отверстием и размещенным в корпусе поршнем с уплотнением, который связан со штоком и подпружинен возвратной пружиной. При этом поршень и связанный с ним шток выполнены с возможностью осевого перемещения в корпусе.  Тормозной цилиндр снабжен сигнализатором отпуска тормозов, установленном на задней крышке корпуса, содержащим закрытый крышкой стакан, в котором размещен полый стержень, уплотненный манжетами, который обеспечивает  с контакторным элементом (микровыключателем) через шарик-толкатель (патент РФ № 2317903, МПК B60T 17/22, B60T 13/24, 2008 г.). При торможении под действием рабочего давления полый стержень осуществляет продольное движение вместе со штоком тормозного цилиндра. В момент взаимодействия  с контакторным элементом сигнализатора замыкается электрическая цепь, обеспечивая подачу сигнала о торможении в кабину машиниста. Длина полого стержня может меняться в зависимости от поставленной задачи и обеспечивать контроль различных положений поршня (при различных режимах торможения).
Недостатком этого тормозного цилиндра является наличие у сигнализаторов механического нажимного элемента, который подвержен сильному износу по причине механического воздействия при работе контактирующих поверхностей и присутствия в рабочей среде тормозной магистрали механических частиц и взвеси. Кроме того, при несоблюдении герметичного размещения сигнализатора, припой микровыключателя со временем окисляется и под воздействием вибрации разрушается.
Раскрытие полезной модели
При создании полезной модели решалась задача повышения безопасности движения, которое заключается в обеспечении контроля работы тормоза каждого вагона.
Технический результат – повышение надежности контроля работы тормозного цилиндра путем обеспечения стабильности работы сигнализатора положения поршня и увеличения его эксплуатационного ресурса.
Указанный технический результат достигается тем, что тормозной цилиндр железнодорожного транспортного средства содержит корпус герметично закрытый задней крышкой, внутри которого расположен связанный со штоком поршень, подпружиненный возвратной пружиной, при этом на задней крышке корпуса установлен сигнализатор, включающий полый стержень, причем связанный со штоком поршень и полый стержень сигнализатора выполнены с возможностью одновременного осевого перемещения под воздействием рабочего давления, и возврата в исходное положение под воздействием пружины,  при этом согласно полезной модели, на поверхности полого стержня выполнен, по меньшей мере, один ответный элемент, взаимодействующий с головкой бесконтактного датчика положения с возможностью замыкания электроцепи и подачи сигнала в кабину машиниста.
При этом, согласно полезной модели, сигнализатор установлен в приливе, образованном в задней крышке корпуса цилиндра с продольным сквозным отверстием, герметично закрытым крышкой, для установки полого стержня с ответным элементом, и поперечным сквозным отверстием, закрываемым штуцером, для размещения в нем бесконтактного датчика положения.
При этом, согласно полезной модели, между штуцером и бесконтактным датчиком положения установлено уплотнительное кольцо, выполненное с возможностью поджатия шайбой при закручивании штуцера.
При этом, согласно полезной модели, положение датчика выставляется с помощью регулировочной и фиксирующей гаек.
При этом, согласно полезной модели, бесконтактный датчик положения выполнен индукционным, при этом ответный элемент выполнен ферромагнитным.
При этом, согласно полезной модели, бесконтактный датчик положения выполнен герконовым, при этом ответный элемент выполнен магнитным.
При этом, согласно полезной модели, бесконтактный датчик положения выполнен оптическим, при этом ответный элемент выполнен с отражающей поверхностью.
При этом, согласно полезной модели, оснащен автоматическим стояночным тормозом, встраиваемым в заднюю крышку и фиксирующим поршень тормозного цилиндра в заторможенном состоянии, фиксирующий узел автоматического стояночного тормоза содержит совмещенные полый винт с поршнем, на котором свободно вращается гайка, взаимодействующая со стаканом с образованием фрикционной пары, при этом полый винт автоматического тормоза выполнен за единое целое с полым стержнем сигнализатора.
При этом, согласно полезной модели, шток выполнен полым, при этом в теле штока размещен толкатель с возможностью углового перемещения относительно поршня и полого штока.
Для повышения безопасности движения важно обеспечить своевременный контроль работы тормозных цилиндров во всем подвижном составе. Без должной информации о работе тормозных цилиндров, в случае неотпуска по каким-либо причинам одного или нескольких вагонов поезд, обладающий большой мощностью, уходит со станции с неотпущенными тормозами, что приводит к преждевременному износу тормозных колодок, перегреву узлов тележки. С другой стороны, для обеспечения безопасности важен контроль тормозных цилиндров в заторможенном состоянии вагонов подвижного состава. В случае самопроизвольного отпуска тормозного цилиндра, по крайней мере, одного из вагона в составе, датчик положения поршня также будет сигнализировать машинисту об изменении положения поршня.
Контроль работы тормозного цилиндра заключается в оценке фактов прямого и возвратного смещений поршня при действии тормозного цилиндра и прекращении его действия. Известно применение сигнализаторов положения поршня, которое предполагает использование электроконтактных устройств, которые при механическом взаимодействии составляющих элементов обеспечивают замыкание /размыкание цепи сигнала в кабине машиниста, находящегося на локомотиве или головном вагоне моторвагонного состава. Новым в заявленном решении является использование для контроля положения поршня бесконтактного датчика положения поршня, который, благодаря бесконтактному взаимодействию с ответным элементом, обеспечивает достоверный контроль положения поршня, за счет исключения срабатывания датчика во время вибрации. При этом, благодаря бесконтактному взаимодействию между элементами повышается ресурс работы бесконтактного датчика, поскольку исключено механическое воздействие, а следовательно, износ при контактном трении и окисление контактов из-за трения при замыкании/размыкании электроцепи.  Кроме того, обеспечивается заделка проводов бесконтактного датчика промышленным пыле-грязезащищенным способом.
Краткое описание чертежей
Сущность полезной модели поясняется описанием конкретного примера ее выполнения и иллюстрируется прилагаемыми графическими материалами, где на:
фиг. 1 – тормозной цилиндр в расторможенном состоянии (со штоком, жестко связанным с поршнем);
фиг. 2 – тормозной цилиндр со стояночным тормозом (с толкателем в теле полого штока, шарнирно связанным с поршнем);
фиг. 3 – тормозной цилиндр в рабочем состоянии.
Осуществление полезной модели
Тормозной цилиндр содержит корпус 1, внутри которого расположен поршень 2, образующий в корпусе 1 две полости: тормозную 3 и атмосферную 4. (фиг. 1).
На задней крышке 5 перед поршнем 2 выполнено впускное отверстие 6 для прохода сжатого воздуха из воздухораспределителя (не показан) в тормозную 3 полость. Поршень 2 подпружинен возвратной пружиной 7, расположенной в атмосферной полости 4. Поршень 2 и связанный с ним шток 8 выполнены с возможностью осевого перемещения в корпусе 1 цилиндра под воздействием сжатого воздуха, поступающего из воздухораспределителя через впускное отверстие 6 и создающего рабочее давление в тормозной полости 3, и возврата в исходное положение под воздействием пружины 7 в случае, если впускное отверстие 6 соединено с атмосферой.
Поршень 2 связан со штоком 8, например, посредством штифта 9, который удерживается пружинным кольцом-фиксатором 10. Для размещения штифта 9 в поршне 2 и штоке 8 выполнены соответствующие отверстия, направленные перпендикулярно продольной оси полого штока 8.
Шток 8 может быть выполнен полым. При этом в теле штока 8 может быть установлен толкатель 11 (фиг. 2), выполненный в виде стержня имеющий окончание сферической формы, выпуклая поверхность которого выполнена с возможностью перемещения по ответной поверхности 12 на поршне 2. Таким образом, толкатель 11 размещен в теле полого штока 8 с возможностью углового перемещения относительно поршня 2 и полого штока 8.
Для обеспечения герметичности тормозной полости 3 поршень 2 снабжен уплотнением, выполненным в виде манжеты 13 (фиг. 1-3). Материал уплотняющей манжеты 13 подобран таким образом, чтобы выдерживать, не меняя своих технических характеристик, жесткие условия эксплуатации (например, расширенный диапазон температур, их резкие перепады). Например, уплотняющая манжета 13 может быть выполнена из эластомеров, в частности, из резиновой смеси на основе бутадиен-нитрильного каучука или эластомерного компаунда, сохраняющих свои эластичные свойства в сложных климатических условиях, связанных с частыми и значительными перепадами температур.
В задней крышке 5 тормозного цилиндра выполнен прилив с продольным 14 и поперечным 15 относительно корпуса 1 сквозными отверстиями для размещения сигнализатора, состоящего из подвижного полого стержня 16, на поверхности которого выполнен, по меньшей мере, один ответный элемент 17, который взаимодействует с головкой 18 бесконтактного датчика положения 19 с возможностью подачи сигнала в кабину машиниста. Положение ответного элемента 17 в теле полого стержня 16 устанавливается в зависимости от того, в каком положении поршня 2 тормозного цилиндра необходимо дать сигнал для машиниста.
В представленном примере ответный элемент 17 расположен на стержне 16 с обеспечением взаимодействии с головкой 18 бесконтактного датчика положения 19 для отслеживания положения поршня тормозного цилиндра вначале торможения и возврата поршня в отпускное состояние после торможения. Возможно осуществление полезной модели, где на стержне дополнительно установлен еще один ответный элемент, обеспечивающий взаимодействие с головкой 18 бесконтактного датчика положения 19 для отслеживания величины нормативно заданного выхода штока 8 тормозного цилиндра, жестко связанного с поршнем 2.
Полый стержень 16 установлен параллельно оси штока 8 в продольном сквозном отверстии 14, которое герметично закрыто снаружи крышкой 20. Полый стержень 16 оснащен уплотняющими манжетами 21 с образованием герметичной полости в сквозном продольном отверстии 14 перед полым стержнем 16, которая постоянно сообщена с тормозной полостью 3 тормозного цилиндра для обеспечения движения полого стержня 16 одновременно с поршнем 2 под воздействием рабочего давления в тормозном цилиндре. Для установки уплотняющих манжет 21 в теле полого стержня 16 выполнены соответствующие кольцевые проточки.
Таким образом, в продольном сквозном отверстии 14 установлен полый стержень 16 с возможностью осевого перемещения одновременно с поршнем 2 тормозного цилиндра под воздействием рабочего давления в тормозном цилиндре.
В поперечном сквозном отверстии 15 размещен бесконтактный датчик положения 19, на котором установлено уплотнительное кольцо 22, прижимаемое сверху шайбой 23, которая в свою очередь поджимается штуцером 24 с обеспечением защиты датчика от попадания инородных частиц и для гашения вибраций. Уплотнительное кольцо 22 выполнено из мягкого материала, позволяющего при вертикальном воздействии на него деформироваться в горизонтальной плоскости, благодаря чему убираются все зазоры между корпусом датчиком положения 19 и стенками поперечного отверстия 15. Положение необходимое для правильной работы датчика положения 19 выставляется с помощью регулировочной 25 и фиксирующей 26 гаек.
Штуцер 24 выполнен с отверстием для размещения электропровода 27, связывающего бесконтактный датчик положения 19 с сигнальным устройством в кабине машиниста.
Осуществление полезной модели допускает выполнение бесконтактного датчика положения 19 индуктивным, оптическим, герконовым.
Предпочтительней использование индуктивного датчика положения 19, создающего при взаимодействии с головки 18 датчика положения 19 с ответным элементом 17 магнитное поле с помощью размещенной внутри датчика катушки индуктивности. При этом ответный элемент 17 выполнен ферромагнитным (например, металлическим).  При исчезновении или изменении магнитного поля ответным элементом 17 контакты индуктивного датчика положения 19 перестают взаимодействовать.
В случае использования герконового датчика положения 19 для замыкания контактной цепи необходимо также создать магнитное поле. Для этого головка 18 датчика выполнена в виде электромеханического коммутационного устройства -  геркона, а ответный элемент 17 – из магнита.
В случае использования оптического датчика положения 19 замыкание цепи происходит при улавливании отражаемых световых волн, которые излучает датчик, а отражает волны ответный элемент 17.
Таким образом, в задней крышке 5 тормозного цилиндра установлен сигнализатор, состоящий из полого стержня 16 и ответного элемента 17, взаимодействующим с головкой 18 бесконтактного датчика положения 19 с возможностью замыкания электроцепи и подачи сигнала в кабину машиниста в процессе движения поршня 2 тормозного цилиндра.
Тормозной цилиндр может быть оснащен автоматическим стояночным тормозом, встраиваемым в заднюю крышку 5 тормозного цилиндра (фиг. 2). Автоматический стояночный тормоз содержит фиксирующий 28 и контролирующий 29 узлы. Фиксирующий узел 28 содержит совмещенные полый винт 30 с поршнем 31, а также свободно вращающуюся на подшипнике 32 гайку 33 и стакан 34, которые во взаимодействии образуют соответствующую фрикционную пару. Полый винт 30 выполнен за единое целое с полым стержнем 16 сигнализатора и является его продолжением. При этом герметичная полость, образованная поршнем 31 в сквозном продольном отверстии 14 постоянно сообщена с тормозной полостью 3 тормозного цилиндра. Для обеспечения герметичности полый винт 30 с полым стержнем 16 и поршень 31 оснащены уплотняющими манжетами 21. Контролирующий узел 29, оснащен поршнем 35, который воспринимает разность встречно направленных усилий от включающей пружины 36 и давления сжатого воздуха от тормозной магистрали по каналу управления 37 автоматическим стояночным тормозом.
Тормозной цилиндр устанавливается на вагоне при помощи кронштейна (не показан), соединяемого с рамой вагона штатными болтами и гайками через предусмотренные в кронштейне отверстия (не показаны), размер и расположение которых обеспечивает взаимозаменяемость с другими тормозными цилиндрами.
Тормозной цилиндр работает следующим образом.
В исходном положении поршень 2 принимает крайнее левое положение (Фиг.1), иными словами расположен у задней 5 крышки тормозного цилиндра. При торможении сжатый воздух через впускное отверстие 6 поступает в тормозную полость 3 корпуса 1 цилиндра. Поршень 2 со штоком 8, преодолевая усилие возвратной пружины 7, перемещается вправо до тех пор, пока тормозные колодки не прижмутся к колесам вагона (фиг. 3).
При растормаживании давление в тормозной полости 3 цилиндра падает. Поршень 2 со штоком 8 под усилием возвратной пружины 7 беспрепятственно возвращаются в исходное положение (фиг. 1).
При возвратно-поступательном движении поршня 2 одновременно осуществляет движение полый стержень 16 и ответным элементом 17 сигнализатора. В процессе движения при нахождении ответного элемента 17 относительно головки 18 бесконтактного датчика положения 19 на расстоянии, необходимом для срабатывания, происходит замыкание электроцепи, в результате которого в кабину машиниста поступает сигнал об определенном положении поршня тормозного цилиндра.
В случае использования автоматического стояночного тормоза в процессе работы давление в тормозной магистрали нормируемой величины по каналу управления 37 осуществляет воздействие на поршень 35 контролирующего узла 29. Под действием давления поршень 35, перемещаясь вправо (по рисунку), осуществляет сжатие включающей пружины 36, а также смещение гайки 33 с последующим её отводом и выводом из конусного фрикционного зацепления со стаканом 34. Рабочее давление тормозной полости 3 корпуса 1 цилиндра воздействует на поршень 31, вызывая смещение полого винта 30 с полым стержнем 16 и ответным элементом 17 вслед за поршнем 2 тормозного цилиндра. При последующем отпуске тормозного цилиндра, по мере снижения давления в тормозной полости 3, усилием возвратной пружины 7 обеспечивается штатный отход поршня 2 в исходное положение. Одновременно с отходом поршня 2 обеспечивается отход полого винта 30 с полым стержнем 16 и ответным элементом 17 в исходное положение за счет свободного свинчивания с него гайки 33 в результате ее нахождения вне конусного фрикционного зацепления со стаканом 34.
В случае снижения давления в тормозной магистрали ниже нормируемой величины, воздействие на поршень 35 контролирующего узла 29 осуществляется усилием включающей пружины 36. При этом происходит смещение и заклинивание гайки 33 в конусном фрикционном зацеплении со стаканом 34. Вместе с заклиниванием гайки 33 происходит заклинивание полого винта 30 с полым стержнем 16 и ответным элементом 17. Заклинивание полого винта 30, подпирающего поршень 2 тормозного цилиндра, исключает его отход в исходное положение. При этом ответный элемент 17 полого стержня 16 находится в бесконтактном  взаимодействии с головкой 18 датчика положения 19, замыкая тем самым электроцепь, в результате чего в кабину машиниста поступает сигнал о заторможенном положении поршня 2 тормозного цилиндра, зафиксированным с помощью автоматического стояночного тормоза.
Благодаря использованию бесконтактного датчика положения 19 обеспечивается своевременное поступление сигнала о положении поршня 2 тормозного цилиндра в кабину машиниста. Исключено влияние на работу датчика внешних факторов: вибрационных нагрузок, износа контактирующих поверхностей, присутствие инородных частиц, грязи и других включений.
Таким образом, указанный технический результат достигнут. Обеспечен надежный контроль работы тормозного цилиндра, благодаря стабильной работе сигнализатора положения поршня и увеличения его эксплуатационного ресурса.