СИСТЕМА ТОРМОЗНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
BRAKE EQUIPMENT OF ROLLING STOCK

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта и касается оптимизации расположения пневматических приборов тормозного оборудования железнодорожного подвижного состава.
Условия эксплуатации грузового подвижного состава становятся все более жесткими по мере развития железнодорожной техники и поэтому предъявляются все более высокие требования к эффективности управления многочисленными типами тормозных систем. Однако каждая из этих применяемых тормозных систем имеют различные недостатки, которые известны специалистам в технике торможения. Указанные системы включают оборудование, установленное как на самом вагоне, так и смонтированное на его тележках. Тележками называют колесные пары, сведенные в самостоятельные группы, которые могут иметь больше двух осей в одной тележке. Грузовые вагоны на тележках обеспечивают хорошее вписывание в кривые участки пути и меньшие вертикальные перемещения при передвижении по неровностям рельсов. Кроме того, в конструкциях тележек более рационально размещаются система упругих элементов, гасители колебаний, стабилизирующие устройства и исполнительные органы тормозного оборудования. К указанным органам относится механическая часть тормозной системы подвижного состава. Она включает рычажную передачу, воздействующую на тормозные колодки, поджимаемые к колесам пар при торможении. Ее эффективность определяется количеством передающих усилие рычагов. На механическую часть действуют приборы пневматической части железнодорожного транспортного средства в составе воздухораспределителя, запасного резервуара, автоматического регулятора режимов торможения в зависимости от загрузки (авторежима) и тормозного цилиндра. При этом в зависимости от вида единицы подвижного состава передача усилия на рычажную передачу может осуществляться несколькими пневматическими тормозными цилиндрами. Прибор авторежима предназначен для регулирования силы нажатия тормозных колодок в зависимости от загрузки вагона и автоматически устанавливает требуемую величину давления в тормозном цилиндре, а следовательно, и силу нажатия тормозных колодок в зависимости от степени загрузки вагона. При наличии прибора авторежима не только исключается необходимость в ручной перестановке режимов, но и значительно повышается эффективность тормозов поезда вследствие более полного использования веса вагонов. В ходе развития этой области техники предлагалось довольно разнообразное расположение тормозных приборов относительно элементов тележки. В силу заложенного принципа действия авторежим может быть установлен только между подрессоренной и неподрессоренной частями тележки. Расположение воздухораспределителя и тормозного цилиндра так жестко не задано и варьировалось в ходе развития тормозных систем подвижного состава. В то же время уделялось довольно большое внимание поиску оптимального расположения вышеуказанных устройств.
Так, известно техническое решение, в котором тормозной цилиндр расположен над триангелем (элемент механической части) на подвеске, закрепленной на надрессорной балке под углом по отношению к ней (US №2815092, В61Н 13/24; В61Н 13/00; от 1957.12.03). Его шток воздействует через рычаги на тормозные колодки. Несмотря на то что цилиндр расположен на тележке, присутствует несколько разных по наклону рычагов и используются цепи. Это уменьшает передачу усилий на колодки за счет изгиба и выбора износа в месте сопряжения рычагов.
Известно техническое решение, где тормозные цилиндры закреплены с внешней стороны боковой рамы возле верхней части колеса. Тормозные колодки прижимаются штоками цилиндра, действующими в обе стороны, через рычажную передачу к поверхности катания с двух сторон колеса (пат. US №2848071, В61Н 13/22, от 19.08.1958). При этом реализуется поколесное торможение. Наличие многозвенной рычажной передачи снижает коэффициент полезного действия тормозного цилиндра. О расположении других тормозных приборов не сообщается.
Известно техническое решение, где тормозные цилиндры установлены на надрессорной балке в области оси колесной пары. Тормозные колодки прижимаются штоками цилиндра, действующими в обе стороны, через рычажную передачу к боковой поверхности колеса (US №2885034, В61Н 5/00, от 05.05.1959). В зависимости от загрузки усилие на тормозные колодки меняется ручным образом за счет изменения длины рычага, на который воздействует шток тормозного цилиндра. Наличие многозвенной рычажной передачи снижает коэффициент полезного действия тормозного цилиндра.
Известно техническое решение, где тормозные цилиндры крепились к одной из подвижных траверс с тормозными колодками (US №2958398, В61Н 13/24; В61Н 13/00; от 1960.11.01). Длинный шток тормозного цилиндра здесь воздействует на противоположную траверсу и располагается под надрессорной балкой. При этом корпус тормозного цилиндра располагается в области колесной пары тележки до надрессорной балки. Усилие на траверсы передается симметрично за счет одновременного выдвижения штока и перемещения цилиндра на траверсе. Такое расположение усложняет конструкцию траверсы. Тем более, что трубопровод к цилиндрам также располагается на траверсах. Как вариант предлагается расположение цилиндров на противоположных траверсах вблизи середины надрессорной балки. Вес тормозного цилиндра также приводит к утяжелению траверсы и приложению к ней вращательного момента. Это может сказаться на положении тормозной колодки. Расположение тормозных цилиндров с противоположных сторон полностью не устраняет этот фактор. Расположение других устройств тормозной системы в указанном патенте не рассматривается.
Тележка, описанная в патенте US №3177984, B60T 17/08D; В61Н 13/00; В61Н 13/24. от 13.04.1965, имеет один тормозной цилиндр, закрепленный сверху на надрессорной балке. Вследствие этого для передачи усилий на вторую траверсу вводится сложной конструкции рычажная передача. Это в свою очередь приводит к уменьшению передачи тормозного усилия на колодки.
Известно тормозное оборудование грузовых вагонов, содержащее воздухораспределитель, тормозной цилиндр и запасный резервуар, которые связаны между собой воздухоподводящими трубами, и исполнительный механизм, а именно тормозная рычажная передача, включающая в себя горизонтальные рычаги, затяжки и тормозные тяги, передающие тормозные силы на рычажную передачу тележки. Воздухораспределитель снабжен рукояткой переключения на один из трех режимов: "груженый", "средний" и "порожний". Режимы торможения вагонов устанавливаются в зависимости от загрузки вагонов (Иноземцев В.Г., И.В.Абашкин. Тормозное и пневматическое оборудование подвижного подвижного состава. М.: Транспорт, 1984, рис.119, стр.169).
Усилие, создаваемое цилиндром в процессе торможения, при наличии одного авторежима передается на обе тележки, которые могут находиться в несимметричном состоянии эксплуатации. При этом нажатие, выполняемое одним цилиндром и передаваемое на тормозные колодки, может осуществляться неравномерно из-за большой длины рычажной передачи. Кроме того, управление торможением осуществляется одним воздухораспределителем на обе тележки, что сужает возможности торможения для единицы подвижного состава при выходе из строя указанного воздухораспределителя.
Известна пневматическая система автотормозного оборудования железнодорожного транспортного средства, в котором противоположные части вагона опираются на тележки, включающая в себя воздухораспределитель, два тормозных цилиндра, каждый из которых обеспечивает передачу тормозных усилий на исполнительный механизм одной из тележек и установленный на раме вагона, запасный резервуар, два прибора авторежима, установленные на раме в области тележки и соединенные воздухоподводящими трубами (пат. RU №2253584, В61Н 11/02, В61Н 13/30, от 2004.06.17).
Недостатком данного технического решения является то, что в рычажной передаче с помощью которой передается усилие тормозного цилиндра на тормозные колодки, непосредственно воздействующие на колесо, имеются чаще всего большие потери. Ее коэффициент полезного действия в эксплуатации колеблется от 0.6 до 0.9, т.е. потери находятся в пределах от 10 до 40%. Кроме того, при наличии в пневматической системе автотормозного оборудования одного тормозного цилиндра на тележку сила нажатия колодок на обеих тележках может устанавливаться неодинаковой для всех колесных пар тележки из-за наличия элементов рычажной передачи (тормозной цилиндр установлен перед тележкой). Это скажется на эффективности торможения железнодорожного подвижного состава и в целом приведет к понижению надежности системы. Расположение авторегулятора тормозных режимов в зависимости от загрузки на балке тележки приводится, в частности, в патенте US 6546877 от 19.12.2001. При этом контактная площадка, предназначенная для опоры чувствительного рычага указанного авторежима, крепится к рычагу рычажной передачи и поэтому требуется сложное устройство для ее фиксации.
Техническое решение, взятое в качестве наиболее близкого технического решения и изложенное в патенте US №4793449 от 28.10.1987 г., содержит в тормозной системе тележки запасной резервуар, воздухораспределитель, тормозной цилиндр и устройство, чувствительное к загрузке. Все приборы расположены на балке тележки, на которую устанавливаются края трейлеров.
При соединении в единую тормозную магистраль таких тележек формируется состав из трейлеров для следования по железнодорожному пути. Несовершенство такой системы заключается в присутствии рычажной передачи, неоптимальной установке воздухораспределителя с резервуаром и чувствительного к нагрузке на тележку устройства (аналога авторежима). Расположение тормозного цилиндра в области верха балки тележки приводит к установке дополнительных рычагов в рычажную передачу. Это снижает ее эффективность из-за потерь.
Таким образом, при установке указанных тележек на вагоны в большей мере обеспечивается создание разных тормозных сил для тележек противоположных частей вагона в зависимости от условий их эксплуатации. Однако оптимальное расположение тормозных приборов необходимо, например, для увеличения скорости срабатывания за счет уменьшения длины трубопроводов между авторежимом и воздухораспределителем. Кроме того, в связи с выше названными причинами желательно уменьшить длину рычажной передачи. Соответственно, возникает потребность в продолжении работы по усовершенствованию тормозных систем.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В связи с изложенным задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в повышение эффективности торможения железнодорожного подвижного состава с использованием потележечного торможения и оптимизации расположения тормозных приборов пневматической части и исполнительной механической составляющей тормозной системы, расположенных на тележке, состоящей, как минимум, из двух колесных пар, связанных боковыми рамами и надрессорной балкой.
Поставленная задача решается тем, что в системе тормозного оборудования подвижного состава, включающей в себя пневматическую часть в виде воздухораспределителя, запасного резервуара, прибора авторежима и, по меньшей мере, одного тормозного цилиндра, который обеспечивает передачу тормозных усилий на исполнительный механизм тележки, соединенных воздуховодами, согласно предложенному техническому решению система снабжена дополнительным запасным резервуаром так, что на каждую тележку установлены один(два) резервуар (а), расположенные в теле надрессорной балки, двумя двухпоршневыми (трехпоршневыми) или сдвоенными тормозными цилиндрами, одновременно воздействующими на колодки колесных пар через траверсы и расположенными под соответствующей выемкой в надрессорной балке с каждой ее стороны на подвесках боковых рам таким образом, чтобы не превышались предельные габаритные размеры тележки в груженом состоянии, при этом воздухораспределитель и прибор авторежима, закрепленные на надрессорной балке, а также тормозные цилиндры, запасные резервуары, расположенные на тележках, обеспечивают независимую передачу тормозных усилий от тормозных колодок на колеса каждой тележки в соответствии с условиями ее эксплуатации.
Кроме того, траверса, расположенная со стороны авторежима для компенсации изменения ее вертикального положения в связи с изменением положения колодки на колесе из-за ее износа и возможными отклонениями колес по диаметру, имеет наклонную площадка с приподнятым кверху дальним от надрессорной балки краем, на которую опирается поворотный рычаг авторежима тележки.
Помимо указанного согласно предложенному решению два сдвоенных тормозных цилиндра являются многопоршневыми, а воздухораспределитель имеет встроенную функцию авторежима (совмещен с авторежимом).
Технический эффект от использования предлагаемого технического решения заключается в повышении эффективности тормозной системы железнодорожного подвижного состава и оптимизации расположения пневматических приборов для потележечного торможения.
Возможность достижения положительного эффекта при использовании предлагаемого технического решения может быть объяснена следующим образом. Установка вышеперечисленных тормозных приборов на тележке в большой степени освобождает корпус вагона от несения вспомогательных функций. Введение дополнительных пневматических приборов в систему позволяет образовать две подсистемы, которые независимо, т.е. в автономном режиме, управляют исполнительными механизмами тележек транспортного средства в зависимости от условий эксплуатации. Обе подсистемы питаются от общей для них тормозной магистрали. Поэтому при одинаковом изменении давления, поступающего в обе подсистемы сжатого воздуха, тормозные усилия каждой из тележек будут пропорциональны режимам их эксплуатации (например, нагрузке на тележки). Оптимальное управление торможением позволяет максимально эффективно использовать тормозные усилия каждой тележки подвижного состава. Наклонная площадка, установленная на траверсах, связанных с боковыми рамами, служит для компенсации возможного износа колеса и тормозных колодок в процессе эксплуатации и нетрудно устанавливается. Совмещение в одном приборе функций воздухораспределителя и авторежима упрощает конструкцию тормозной системы и уменьшает трудоемкость по его установке и эксплуатации. Отличительные признаки настоящего изобретения, которые являются новыми, перечислены в прилагаемых пунктах формулы изобретения. Изобретение будет более понятно при рассмотрении приведенного ниже описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых одинаковыми позициями обозначены одинаковые элементы:
фиг.1 изображает общий вид системы тормозного оборудования для потележечного торможения железнодорожного подвижного состава;
фиг.2 представляет вид спереди на тормозную систему на тележке; а фиг.3 - вид со стороны боковой рамы с вариантом устройства тормозного цилиндра.
Пневматическая система тормозного оборудования закреплена на тележке железнодорожного транспортного средства вагона и содержит установленные на надрессорной балке 1 воздухораспределитель 2, авторежим 3, запасный резервуар 4, как разделенный на две емкости, так и в виде одной и расположенный в теле (корпусе) надрессорной балки 1 на участках с повышенной жесткостью. Воздухопровод 5 соединяет выше названные тормозные приборы согласно схеме соединения. На выступах боковой рамы 6 размещены на концах подвесов 7 башмаки 8 с тормозными колодками 9. Траверсы 10 жестко соединяют между собой противоположные башмаки колесной пары 11. Тормозные цилиндры 12 расположены между траверсами 10 колесных пар под соответствующими выемками 13 надрессорной балки 1 вблизи блока пружин 14 боковой рамы 6 (фиг.1). К траверсам крепится соответствующий элемент крепления 15 корпуса цилиндра (показан на фиг.3) и выход штока 16 тормозного цилиндра. Второй тормозной цилиндр расположен симметрично показанному на фиг.1 цилиндру. Несколько отличное закрепление тормозного цилиндра приведено на фиг.2. Здесь боковая рама 6 имеет дополнительные приливы 17 соответствующей формы для закрепления тормозного цилиндра, например, с помощью хомута 18. В этом случае тормозной цилиндр является сдвоенным, т.е. штоки цилиндра, воздействующие на траверсы, перемещаются в разные стороны. Так как при отпуске тормозных колодок участвует пружина тормозного цилиндра, то подпружиненный шток не позволит колебаться траверсам с колодками на подвесах. В первом же случае для исключения колебаний во время движения подвески могут быть установлены с использованием упругих эластомерных втулок. Они будут гасить колебания поддерживаемых элементов конструкции в движении. Требование сохранения габаритов в загруженном состоянии определяет степень встраивания тормозного цилиндра в тело надрессорной балки. Важно, чтобы при любых наклонах и поворотах вагона не было касания надрессорной балки корпуса тормозного цилиндра, то есть был достаточный зазор при максимальной загрузке. Это требование может быть удовлетворено также путем использования многопоршневого цилиндра, то есть если размеры тележек позволяют, то цилиндры могут иметь по два и более поршней. Количество поршней цилиндра задается расстояниями между колесными парами и необходимым ходом штока. Сохранив требуемые усилия на штоке при заданном давлении, можно достичь меньших величин диаметра тормозного цилиндра. Соответственно, сдвоенные цилиндры также могут иметь не по одному поршню. На виде сбоку фиг.3 показан цилиндр, имеющий два поршня 19 и 20, разделенные перегородкой 21, через которую проходит общий со вторым поршнем шток 22. Последний может иметь автокомпенсатор тормозных усилий. Такие технические решения известны в данной области техники. Для подсоединения к авторежиму рабочих камер тормозных цилиндров, подвешенных к неподвижной части тележки, должны использоваться гибкие воздуховоды. Обычным образом может быть осуществлено присоединение воздухораспределителя и запасного резервуара, расположенного в теле надрессорной балки. Полости для резервуаров получаются как при непосредственной отливке сплошных дополнительных перегородок 23 (фиг.2), так и заваркой или другим методом технологических отверстий после соответствующей очистки отливки. Штуцер 24 служит при этом для подсоединения к воздухораспределителю 2. При этом жесткость балки может быть сохранена за счет использования дополнительных ребер жесткости или участков с повышенной жесткостью. Возможно использование для этих целей и гибких резервуаров, отвечающих требованиям технических условий эксплуатации данного вида транспорта.
Авторежим 3 предназначен для независимого регулирования сил нажатия тормозных колодок колесных пар тележки путем регулировки давления сжатого воздуха, подаваемого в тормозные цилиндры 12, которое, в свою очередь, зависит от условий эксплуатации колесных пар тележки. Авторежим 3 закреплен на выступах надрессорной балки тележки (пример крепления показан на фиг.1) рядом с воздухораспределителем и взаимодействует с неподрессоренной частью тележки посредством опоры поворотного рычага 25 на поверхность наклонной площадки 26, закрепленной на траверсе. Угол наклона и профиль площадки 26 выбирается таким образом, чтобы учесть возможный износ колодок и колес. В нашем случае дальний от надрессорной балки край наклонной площадки приподнят относительно ближнего к балке края. Воздухораспределитель 2, запасной резервуар 4, тормозные цилиндры 12 и авторежим 3 образуют пневматическую подсистему для торможения тележки вагона. Предложенное расположение воздухораспределителя с авторежимом позволяет выполнить их в едином корпусе и придать воздухораспределителю функцию авторежима. При этом основным условием при установке воздухораспределителя остается близость его магистрального штуцера к трубопроводу тормозной магистрали. Поэтому предпочтительнее расположить место крепления этого прибора ближе к боковой раме. Это придаст определенные удобства при замене пневматического прибора. Подсоединение воздухораспределителя к тормозной магистрали (не показана) осуществляется посредством воздуховода 27 от воздухораспределителя 2 через соответствующий разобщительный кран и тройник (не показаны). Разобщительный кран может быть установлен и непосредственно на воздухораспределитель. Другая тележка имеет аналогичные пневматические приборы, при этом штуцер воздухораспределителя для подсоединения к тормозной магистрали также расположен максимально близко к ней.
Предлагаемая пневматическая система тормозного оборудования с потележечным торможением устанавливается, например, на грузовой вагон и работает следующим образом.
При служебном или экстренном торможении, начинающемся после понижения давления в тормозной магистрали, воздухораспределитель 2 открывает возможность поступления воздуха из запасного резервуара 4 по воздухоподводящим трубам 5 к авторежиму 3 тележки, затем по трубам сжатый воздух перепускается в тормозные цилиндры 12. Каждый авторежим позволяет подавать сжатый воздух в тормозные цилиндры с давлением, соответствующим положению рычага, воспринимающего загрузку. Он устанавливает независимые усилия нажатия тормозных колодок на колеса тележек в зависимости от величины просадки рессорных пружин, пропорциональной весу груза, и других условий эксплуатации каждой тележки. Под действием давлений сжатого воздуха в тормозных цилиндрах 12 их штоки передают соответствующие тормозные силы к колесным парам тележек через исполнительный механизм, выполненный в виде траверсы 10 и элемента подвески 7 тормозного башмака с колодкой.
Так как воздействие штока тормозного цилиндра на колодки производится с минимальным количеством узлов передачи, то это приводит к максимально возможному коэффициенту полезного действия тормозного оборудования. Использование цилиндра с двумя или тремя поршнями позволяет уменьшить диаметр его корпуса и минимально изменять конструкцию надрессорной балки. Совмещение функций в одном приборе приводит к получению более компактного расположения пневматических приборов на тележке. Таким образом, использование предлагаемого технического решения позволяет увеличить эффективность тормозов железнодорожного транспортного средства при потележечном торможении оптимизацией расположения тормозных приборов вагона. Кроме того, при необходимости ремонта может меняться вся тележка вместе с тормозными приборами. Это приведет в конечном итоге к сокращению простоя подвижного состава, что является достаточно важным моментом.
На предлагаемое техническое решение подготовлена необходимая конструкторская документация для изготовления опытных образцов тележек и проведения испытаний в реальных условиях эксплуатации. При этом в качестве авторежима закладывалось применение разработанного пневматического прибора АРД6 и широко используемого воздухораспределителя типа 483. Понятно, что при других условиях эти приборы могут отличаться от использованных в конкретном случае.
Предложенные технические решения не ограничиваются представленным выше описанием, которое служит примером выполнения в качестве варианта, и возможны модификации в рамках идеи изобретения как изложенные раннее, так и определенные в предлагаемой ниже формуле.