VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Известно, что при движении железнодорожного подвижного состава под действием силы тяги локомотива последняя расходуется на преодоление сил сопротивления, препятствующих его движению. Когда отключают силовую установку привода колёсных пар, например, локомотива то силы тяги исчезают, но после этого останов поезда не происходит, и его движение продолжается за счет ранее накопленной кинетической энергии. Однако, в каждом конкретном случае необходима остановка поезда как в заранее определенных местах перегонов, так и в других непредвиденных и аварийных ситуациях. Поэтому на локомотивах и вагонах применяют устройства для искусственного увеличения сил сопротивления, которые называют тормозными устройствами, а создаваемые ими силы сопротивления тормозными силами. Наиболее распространенными средствами для получения тормозных сил являются различные по конструкции механические тормоза, в которых затормаживание колес колесных пар происходит за счет возникновения сил трения между колодками, контактирующими с поверхностями катания колес или специальными дисками, жестко закреплёнными на их осях [1].

В настоящее время (рис.1) в конструкциях локомотивов и вагонов нашли широкое применение не прямодействующие пневматические тормоза, которые при разрыве поезда или тормозной магистрали, а так же при открытии крана экстренного торможения, автоматически приходят в действие. Благодаря более быстрому и эффективному срабатыванию, автотормоза повышают безопасность движения и создают условия по увеличению скорости движения поездов. Однако при длительных торможениях в движении или стоянках поезда в отцепленном состоянии от локомотива давление воздуха в тормозных цилиндрах и запасных резервуарах, вследствие имеющихся утечек, постепенно уменьшается, что приводит к истощению тормоза. Это является существенным недостатком не прямодействующих автоматических тормозов.

Анализ существующих тормозных систем как отечественного, так и зарубежного подвижного состава показывает, что на сегодняшний день отсутствуют технические средства, позволяющие в случае утечки сжатого воздуха из запасных резервуаров локомотивов или вагонов и отсутствия тормозных башмаков, укладываемых на рельсы под колёса колёсных пар, исключить самодвижение его как на станционных путях, перегонах, так и в пунктах их отстоя.

На протяжении ряда лет в ЕГУ им. И.А. Бунина на кафедре ПМиИГ совместно с Управлением ЮВЖД филиал ОАО «РЖД» на договорных началах проводилась НИР направленная на повышение эффективности использования и безопасности движения подвижного состава. Одним из разделов такой НИР является тема, связанная с разработкой технических средств, исключающих возможность самодвижения локомотивов и вагонов, причём таких, работа которых осуществляется в автоматическом режиме по мере истощения тормоза.

Анализ многочисленных библиографических источников, а так же отечественных и зарубежных патентов позволил на уровне изобретения (RU2491190) разработать перспективное технические решения, позволяющие в автоматическом режиме осуществлять самоторможение вагонов и локомотивов в эксплуатационных условиях.

На рис.2 показана принципиальная схема непрямодействующего тормоза, и клапан питания запасного резервуара в разрезе.

Непрямодействующий тормоз преимущественно грузового вагона состоит из тормозной магистрали 1, связанной трубопроводом 2 с воздухораспределителем 3, который с помощью трубопровода 4 соединён с запасным резервуаром 5. Запасный резервуар 5 снабжён клапаном питания 6, связанным также трубопроводом 7 с трубопроводом 4. Запасный резервуар 5 снабжён перепускным клапаном 8 и поршнем 9, шток 10 которого жёстко присоединён к скобе 11 с пазом 12, а сам поршень 9 подпружинен пружиной сжатия 13 относительно запасного резервуара 5. Поршень 9 имеет радиальные каналы 14, в которых установлены фиксаторы шаровой формы 15, подпружиненные пружинами 16, причём запасный резервуар 5 имеет круговые выточки 17. В пазу 12 скобы 11 подвижно размещён палец 18, жёстко закреплённый на штоке 19 поршня 20 тормозного цилиндра 21, подключенного с помощью трубопровода 22 к воздухораспределителю 3, а сам поршень 20 подпружинен пружиной сжатия 23 относительно тормозного цилиндра 21. Палец 18 также соединён с рычажным механизмом 24 привода тормозных колодок 25, контактирующих с колесом 26, перекатывающемуся по рельсу 27. Клапан питания 6 запасного резервуара 5 состоит из головки 28, контактирующей с седлом 29, которая снабжена стержнем 30 с жёстко закреплённой на нём винтовой пружиной сжатия 31, а другой её конец также жёстко связан с цилиндрическим выступом 32, закреплённым на перегородке 33, имеющей отверстия 34.

Работает непрямодействующий тормоз следующим образом. Из аналога известно, что, например, локомотив в сцепе с вагоном после соединения между собой их тормозных магистралей, в тормозную магистраль 1 вагона подаётся сжатый воздух давлением порядка 0,7 МПа , который проходит по стрелке А через трубопровод 2 в воздухораспределитель 3 и затем через трубопровод 4 попадает в запасный резервуар 5, перемещая его поршень 9 по стрелке В, сжимая пружину сжатия 13. Такое положение непрямодействующего тормоза показано на рис.2. При этом, имеющийся воздух в подпоршневой полости поршня 9 удаляется в атмосферу через перепускной клапан 8 по стрелке С. Следует также отметить, что в указанную полость сжатый воздух через клапан питания 6, попасть не может, так как его головка 28 будет прижата к седлу 29 по стрелке Е поступающим сжатым воздухом в трубопровод 7 из трубопровода 4 тем же давлением в 0,7МПа. Видно, что в этом случае тормозные колодки 25 находятся распущенном состоянии, и поезд готов к движению. Через какой-то промежуток времени движения у машиниста возникает ситуация, когда необходимо затормозить поезд. В этом случае им, широко известном в данной области техники способом, в тормозной магистрали снижают давление воздуха, например, на величину 0,1 МПа и тогда сжатый воздух из запасного резервуара 5 по трубопроводу 4 по стрелке F через воздухораспределитель 3 попадает в тормозной цилиндр 21 также по стрелке F и перемещает по стрелке К шток 19, сжимая пружину сжатия 23. Такое движение штока 19 способствует прижиму тормозных колодок 25 к колесу 26 по стрелке М за счёт наличия рычажной передачи 24. Необходимо также отметить, что шток 19 своим пальцем 18 свободно движется в направлении стрелки К, проскальзывая в пазу 12. После того, как режим торможения прекращается, машинист повышает давление в тормозной магистрали 1 до ранее указанного значения, после чего все детали тормоза возвращаются в исходное положение, которое и показано на рис.2, причём тормозные колодки распускаются, двигаясь в направлении, обратном стрелкам М.

Предположим теперь, что вагон оказался отцепленным от локомотива, запасный резервуар 5 заполнен сжатым воздухом, например, давлением 0,5 МПа, поршень 20 тормозного цилиндра 21 переместился по стрелке К и привёл своим штоком 19 рычажную передачу 24, которая и прижала тормозные колодки 25 к колесу 26 по стрелкам М, затормозив тем самым вагон. По мере отстоя вагона давление в запасном цилиндре 21 и запасном резервуаре 5 начинает падать за счёт истощения тормоза и, например, достигает какого-то номинального значения 0,15 МПа, после которого уже тормозные колодки 25 не смогут удержать вагон на месте за счёт наличия соответствующего уклона пути. Однако клапан питания 6, у которого пружина сжатия 13 рассчитана на усилие чуть больше 0,15 МПа, например, равное 0,16 МПа переместит головку 28 в направлении, обратном стрелке Е и тогда сжатый воздух поступит в подпоршневую полость поршня 9 и он начнёт перемещаться по направлению, противоположному стрелке В, не только под действием давления 0,16 МПа но и под действием ранее сжатой пружины сжатия 13. Такое движение поршня 9 позволит своим штоком 10 и скобой 11 в этом же направлении переместить и шток 19 с поршнем 20 тормозного цилиндра 21 в этом же направлении за счёт наличия пальца 18 в пазу 12 скобы 11, что и исключит роспуск тормозных колодок. Давление движения поршня 9 приведёт к тому, что его фиксаторы шаровой формы 15 войдут одну из круговых выточек 17 и надёжно зафиксируют поршень 9, исключив его движение при дальнейшем истощении тормоза. В случае, когда вагону необходимо обеспечивать движение и снять его с тормоза вновь, к нему присоединяют локомотив, подключают к нему тормозную магистраль 1, что позволяет заполнить сжатым воздухом запасный резервуар 5, который под давлением вновь около 0,7 МПа воздействует на поршень 9 с таким усилием, что фиксаторы шаровой формы 15 не смогут удержать последний, и он начнёт перемещаться в направлении стрелки В, вытесняя находящийся в подпоршневой полости поршня 9 воздух через перепускной клапан 8 в атмосферу по стрелке С, сжимая пружину сжатия 13 до тех пор, пока он не займёт положение, показанное на рис.2. Далее описанные процессы могут повторяться неоднократно.

Анализируя предложенное техническое решение видно, что запасный резервуар 5 (рис.2) в сравнении с серийной конструкцией запасного резервуара претерпел существенные изменения это, например, во-первых, наличие в его внутреннем объёме поршня 9,его штока 10 и пружины 13, которые уменьшают необходимый запас сжатого воздуха, требуемый при экстренном торможения грузового вагона находящегося в составе поезда, и во-вторых, наличие в его торцевой части трёх дополнительных отверстий для расположения в них штока 10, клапана питания 6 и перепускного клапана 8. Известно [1], что объём запасного резервуара грузового вагона, для тормозного цилиндра 14^"(365 мм), при его диаметре 300 мм и длине 1210 мм должен быть равен V_зр = 80 л. В нашем же случае за счёт расположения в нём указанных выше деталей его объём снижается в среднем на 6% и тогда его рабочий объём составит V_зр = 75,2 л. Увеличив же длину запасного резервуара предложенной конструкции до1285 мм получим его объём равнымV_зр = 78 л, что является достаточным, так как в практике приняты в окончательном варианте такие объёмы запасных резервуаров для тормозных цилиндров14^"(365 мм) [3]. Воспользуемся известной методикой определения основных параметров предложенного запасного резервуара со слабовыпуклым днищем [4]. На рис.3 представлена расчётная схема, на которой торцевая стенка запасного резервуара представлена в виде круглой плиты с наружным диаметром D = 300 мм и равномерно нагруженной внутренним давлением р = 0,7 МПа. В плите выполнено три отверстия, одно из которых d₁ = 12 мм соответствует креплению в нём клапана питания 6 (см. рис.2), другое d₂ = 45 мм расположению штока 10 и третье d₃ = 16 мм креплению в нём перепускного клапана 8. Расчёт такой плиты, снабжённой тремя отверстиями, по предельному состоянию сводится к расчёту шарнирно опёртой балки относительно диаметрального сечения А–А, при этом сечение выбрано с наибольшей суммой диаметров отверстий .

Для определения изгибающего момента, действующего в диаметральном сечении А–А, рассмотрим правую от оси А–А половину круга. Точки приложения равнодействующих R^' и Р' реакции опоры и внутреннего давления лежат в этом случае на оси Х-Х на расстояниях D/π и (2/3)D/π от оси А–А.

Тогда момент от указанных нагрузок в диаметральном сечении диска можно определить по формуле:

, (1)

где, р – давление сжатого воздуха в запасном резервуаре а предельный момент в сечении А–А, при котором образуется пластический шарнир, определится по зависимости:

. (2)

При этом предельно допускаемый момент определится по формуле:

(3)

Прировняв уравнения (1) и (3) можно определить необходимую толщину стенки слабовыкуплувого днища запасного резервуара предложенного тормоза :

где, ψ – коэффициент ослабления днища запасного резервуара отверстиями, и который можно вычислить по формуле . При этом исполнительная толщина s₁ должна удовлетворять условию где, с – прибавка на коррозию равная 1,2 мм. Тогда окончательно примем толщину стенки 8,0 мм, которая и обеспечит необходимую прочность запасного резервуара при наличии в нём указанных технологических отверстий.

Результаты исследования в виде промежуточного отчёта переданы руководству Управления ЮВЖД ОАО «РЖД» и его службе технической политики, а также рекомендуются для изучения и в дальнейшем возможного внедрения соответствующим НИИ, специализированным КБ и промышленным предприятиям, проектирующим и изготавливающим локомотивы, грузовые и пассажирские вагоны, как в нашей стране, так и за рубежом.

Библиография

1.Иноземцев В.Г. Тормоза железнодорожного подвижного состава. М., Транспорт, 1979. 204с.

2.Александров М.П. Тормозные устройства в машиностроении. М., Машиностроение, 1965. 674с.

3. Крылов В.И. Тормоза локомотивов. Всесоюзное изд. МПС. М.:1963, 300с.

4. Сосуды и трубопроводы высокого давления: Справочник / Е.Р. Хисматулин, Е.М. Королев, В.И. Лившиц и др. – М.: Машиностроение, 1990.-384с.

Код для цитирования: Скопировать