[04-2005] Эффективный тормоз для электропоездов

[poster444]

Эффективный тормоз для электропоездов

Пригородное движение на железнодорожном транспорте осуществляется в условиях частого возникновения ситуаций, когда необходимо применять экстренное торможение. Например, в моторвагонном депо Минск-Северный Белорусской дороги в среднем каждый поезд совершает около 15 экстренных торможений в год, главным образом, для предотвращения наездов на людей и столкновений с автомобильным транспортом. Безопасность движения в таких случаях во многом определяется эффективностью автотормозов.

В ряде депо дорог России и Беларуси электропоезда оборудуют композиционными тормозными колодками. Однако в этом случае эффективность тормозов уменьшается, особенно при скоростях ниже 70 — 80 км/ч. Кроме того, композиционные колодки оказывают неблагоприятное влияние на поверхность катания колесных пар.

Составы моторвагонного депо Минск-Северный опытно оборудовали композиционными колодками ТИИР-303 и ТИИР-308. Ввиду слабой теплоотдачи композиционного материала эти колодки устанавливали только на головные и прицепные вагоны, которые имеют цельнокатаные колеса. Выявили снижение тормозной эффективности электропоездов, и это было особенно заметно при экстренных торможениях, когда требуется реализация полной тормозной мощности. В частности, тормозной путь во всем диапазоне скоростей движения до 100 км/ч увеличился на 10 — 15%.

В то же время, эффективность тормозов с чугунными колодками используется далеко не полностью из-за сильной зависимости коэффициента трения от скорости движения. Когда она увеличивается, величина коэффициента трения снижается. При этом остается значительный резерв тормозной мощностмощности, допускаемой по сцеплению.

Реально повысить тормозную эффективность электропоездов, которые оборудованы чугунными тормозными колодками, можно, если регулировать тормозную силу в зависимости от скорости движения. В Белорусском государственном университете транспорта (БелГУТе) провели теоретические и экспериментальные исследования, посвященные созданию устройства скоростного регулирования тормозных нажатий (УСРТ) для электропоездов ЭР9Е.

Зависимость допускаемой и фактической сил нажатия чугунных тормозных колодок от скорости следования для головного и прицепного вагонов приведена на рис. 1.

Из графиков видно, что на высокой скорости допускаемая сила нажатия примерно в 1,5 раза выше, чем фактическая при действии штатного тормоза.

В 1999 г. макетный образец УСРТ, установленный на электропоезде ЭР9Е-611 моторвагонного депо Минск-Северный, прошел опытную эксплуатацию. В период предшествовавших этому экспериментальных поездок было выполнено более 300 экстренных торможений с включением УСРТ. При скоростях движения 100 км/ч и более давление в тормозных цилиндрах (ТЦ) повышалось до 0,55 МПа (5,5 кгс/см2) с последующим его снижением ступенями до давления 0,36 — 0,4 МПа (3,6 — 4 кгс/см2).

Снижением давления в ТЦ автоматически управляет электронный регулятор тормозных нажатий (РТНЭ). Испытания проводили в разные периоды года и при различных погодных условиях (при осадках в виде дождя и снега, метели и поземки, смене положительных и отрицательных температур окружающего воздуха). Тормозная система электропоезда и УСРТ работали стабильно. Ни одного случая заклиниваний колесных пар отмечено не было.

Следует отметить, что экспериментальные пробеги электропоезда, в отличие от опытной эксплуатации, выполняли без пассажиров, т.е. в худших условиях с точки зрения появления юза. Тормозной путь электропоезда при экстренных торможениях с начальных скоростей движения 70— 120 км/ч и включенным УСРТ уменьшался на 15 — 25 %. Более высоким скоростям соответствовало и более высокое относительное сокращение тормозного пути. Дважды в тормозных испытаниях электропоезда ЭР9Е-611 принимали участие сотрудники ВНИИЖТа, а также специалисты ПКБ ЦТ и Департамента локомотивного хозяйства ОАО «РЖД».

В настоящее время с учетом замечаний, которые были отмечены в период экспериментальных поездок и опытной эксплуатации, подготовили конструкторскую и техническую документацию на УСРТ и РТНЭ. Согласно этой документации на электропоезде ЭР9Е-614 приписки депо Минск-Северный смонтировали устройство скоростного регулирования тормозных нажатий. Схема пневматического оборудования прицепного вагона электропоезда ЭР9Е-614 представлена на рис. 2. Все изменения в схеме выделены утолщенными линиями. Модернизация пневматической части заключается в следующем.

Комплект «воздухораспределитель № 292 — электровоздухораспределитель № 305» разъединен. Между воздухораспределителем 4 и электровоздухораспределителем 5 установлен кронштейн-вставка 31 с типовыми резиновыми прокладками № 216-1916А по привалочным фланцам. Кронштейн-вставка при помощи воздухопроводов из труб диаметром 1/2" подключен к запасному резервуару 14(1) и через разобщительный кран — к дополнительному резервуару 33 объемом 15 л. При этом воздух проходит через разобщительный кран 20(1) и электропневматический клапан 29(2) типа КП-39-04, установленный таким образом, что при обесточенной катушке резервуар 33 сообщается с атмосферой.

Электровоздухораспределитель (ЭВР) через обратный клапан 23(2) соединен с запасным резервуаром 14(1), а через разобщительный кран 20(3), обратный клапан 23(1) и электропневматический 29(1) — с дополнительно устанавливаемым рабочим резервуаром 14(2) объемом 78 л. Этот резервуар высокого давления постоянно сообщается с напорной магистралью через редуктор 30 (Ns 348-002) и разобщительный кран 20(2). Соединение с напорной магистралью выполнено при помощи тройника 25(2) типа № 573. При обесточенной катушке электропневматический клапан 29(1) закрыт, а трубопровод между обратным клапаном 23(1) и электропневматическим клапаном 29(1) сообщается с атмосферой.

Давление в резервуаре 14(2) регулируется редуктором 30 при наладке тормозной системы электропоезда от 0,55 до 0,65 МПа (от 5,5 до 6,5 кгс/см2) таким образом, чтобы была обеспечена примерно одинаковая величина давления в тормозных цилиндрах всех вагонов в случае применения экстренного торможения на максимальной скорости следования. За счет регулирования величины давления в резервуаре 14(2) компенсируется разность конечных давлений в ТЦ вагонов, вызванная различием характеристик тормозных приборов и устройств (настройкой ЭВР на время наполнения тормозных цилиндров, выход их штоков и др.). Чтобы контролировать давление в резервуаре 14(2) при наладке УСРТ на электропоезде, после редуктора 30 на трубопроводе установлен манометр 32.

Разобщительные краны в перекрытом состоянии сообщают с атмосферой через контрольные отверстия участки трубопроводов между краном 20(2) и редуктором 30, обратным клапаном 23(1) и краном 20(3), а также между краном 20(1) и электропневматическим клапаном 29(2). Электропневматические клапаны в обесточенном состоянии сообщают с атмосферой резервуар 33 и участок трубопровода между обратным клапаном 23(1) и электропневматическим клапаном 29(1). Принцип действия пневматической части тормоза прицепного вагона следующий.

При отключенном УСРТ на вагоне перекрыты разобщительные краны 20(1), 20(2) и 20(3). Катушки электропневматических клапанов 29(1 и 2) обесточены. Резервуары 33 и 14(2) сообщаются с атмосферой. Тормоз работает обычным порядком, как штатный. Когда служебное торможение осуществляется электропневматическим тормозом, воздух из запасного резервуара 14(1) через обратный клапан 23(2) поступает к ЭВР 5 и далее в тормозной цилиндр 6. В случае применения экстренного торможения срабатывает также воздухораспределитель 4. Воздух из запасного резервуара 14(1) направляется через ВР и кронштейн-вставку 31 к переключательному клапану ЭВР, обеспечивая замещение электропневматического тормоза при отказе последнего.

При включенном устройстве разобщительные краны 20(1, 2 и 3) открыты. Через редуктор 30 и кран 20(2) резервуар 14(2) заполняется сжатым воздухом до давления, величина которого устанавливается регулировкой редуктора 30 на вагоне. Когда служебное торможение выполняют краном машиниста, катушки электропневматических клапанов 29(1 и 2) обесточены. Участок между обратным клапаном 23(1) и клапаном 29(1) сообщается через выпускное отверстие с атмосферой, как и резервуар 33 — через выпускное отверстие клапана 29(2). Пневматический и электропневматический тормоза работают в обычном режиме.

Служебное торможение может быть выполнено также тумблером СТ, дополнительно установленным в кабине головного вагона. Кран машиниста при этом находится в поездном положении. Когда включают тумблер СТ, осуществляется запуск РТНЭ. В электропневматический тормоз подается сигнал на торможение. При этом питание на электропневматические клапаны 29(1 и 2) не подается. Воздух из запасного резервуара 14(1) через обратный клапан 23(2) и ЭВР 5 поступает в тормозной цилиндр 6. Максимальное давление в тормозном цилиндре, не превышающее давление полного служебного торможения штатным тормозом при положении V3 ручки крана машиниста, устанавливается при скорости выше 30 км/ч после выравнивания давлений в ТЦ и запасном резервуаре 14(1).

Когда скорость становится менее 30 км/ч, происходит ступенчатое снижение давления в ТЦ в соответствии с заданной кривой регулирования. Благодаря этому при торможении тумблером СТ обеспечивается допускаемое по условию безъюзового торможения давление в тормозных цилиндрах. В момент остановки электропоезда давление составляет 0,09 — 0,12 МПа (0,9 — 1,2 кгс/см2). Для отпуска тормоза на любом этапе торможения тумблер СТ выключают. При переводе ручки крана машиниста в положение перекрыши или торможения при включенном тумблере СТ управление тормозами переходит к крану машиниста (кроме положения отпуска).

При экстренном торможении положением VI ручки крана машиниста № 395М-4-01 замыкаются контакты третьего микровыключателя контроллера и включается РТНЭ. Одновременно вводятся контроль скорости датчиком угловых перемещений ДПС-4М, а также контроль давления в тормозных цилиндрах датчиком избыточного давления СТЭК-1-0,6-05, которые установлены на головном вагоне электропоезда. Когда давление в тормозном цилиндре головного вагона достигает 0,15 МПа (1,5 кгс/см2) и при этом датчики давления и скорости находятся в исправном состоянии, в цепь питания электропневматических клапанов 29(1 и 2) по проводам 43 и 46 подается напряжение 110 В постоянного тока.

При этом электропневматические клапаны 29(1 и 2) открываются. Из резервуара 14(2) через электропневматический клапан 29(1), обратный клапан 23(1) и разобщительный кран 20(3) сжатый воздух поступает к ЭВР. Давление в его рабочей камере растет до величины, которая устанавливается регулятором РТНЭ в зависимости от скорости движения. Минимальное давление в ТЦ устанавливается при скорости менее 30 км/ч в пределах от 0,36 до 0,4 МПа (от 3,6 до 4 кгс/см2), т.е. такое же, как при полном служебном торможении штатным тормозом. В результате экстренной разрядки тормозной магистрали срабатывает воздухораспределитель 4.

Сжатый воздух из резервуара 14(1) поступает к переключательному клапану ЭВР 5 и одновременно через отверстие в кронштейне-вставке 31, разобщительный кран 20(1) и открытый электропневматический клапан 29(2) — в дополнительный резервуар 33. Завершается процесс перетекания воздуха полным выравниванием давлений в резервуарах 14(1) и 33. Величина установившегося давления определяет давление замещения пневматическим тормозом при отказе ЭПТ или снижении скорости менее 30 км/ч. Объем резервуара 33 рассчитан таким образом, чтобы обеспечивалось давление замещения, равное величине давления в ТЦ при полном служебном и экстренном торможениях штатным тормозом.

Когда давление в тормозных цилиндрах возрастет до максимальной величины, соответствующей скорости движения, прекращается подача напряжения на электропневматические клапаны 29(1 и 2). Резервуар 33 при этом сообщается с атмосферой, а ЭВР отключается от резервуара 14(2). По мере снижения скорости ступенями уменьшается, согласно программной кривой регулирования, давление в ТЦ. Когда срабатывает электропневматический клапан ЭПК-150И-1 автостопа, тормозная система работает таким же образом, как и при постановке ручки крана машиниста в положение VI. Регулятор РТНЭ в этом случае включается контактами ЭПК-150И-1.

На головном вагоне, в отличие от прицепного, при переоборудовании пневматической части тормозной системы в кабине машиниста дополнительно устанавливают датчик избыточного давления СТЭК1 -0,6-05, который подключают к трубопроводу, идущему от тормозного цилиндра к манометру и индикатору давления скоростемера. Особенность модернизации тормозной системы моторного вагона состоит в том, что в качестве резервуара высокого давления используется штатный резервуар, предназначенный для питания через реле давления тормозных цилиндров второй тележки. Этот резервуар дополнительно через разобщительный кран, обратный клапан и редуктор, отрегулированный на давление 0,55 — 0,65 МПа (5,5 — 6,5 кгс/см2), подключается к напорной магистрали.

Электропневматические клапаны, редуктор и манометр смонтированы на общей плите в металлических ящиках (рис. 3),

которые размещены под каждым вагоном. Принципиальная электрическая схема модернизированной тормозной системы представлена на рис. 4.

Электронный регулятор тормозных нажатий (рис. 5) устанавливают в кабине машиниста головного вагона. Здесь же на трубопроводе от тормозного цилиндра к манометру и индикатору давления скоростемера расположен датчик избыточного давления СТЭК-1-0,6-05. В качестве датчика скорости используется установленный на первой колесной паре датчик угловых перемещений ДПС-4М, входящий в состав унифицированной системы автоматизированного ведения электропоезда (УСАВП).

Кроме того, в кабине машиниста размещаются: тумблер SA1 (РТН), которым подают питание на РТНЭ; тумблер СТ, предназначенный для выполнения служебного торможения с включением РТНЭ; кнопка Н, используемая для наладки УСРТ на электропоезде; кнопка V, с помощью которой условно задают скорость движения электропоезда во время проверки работы РТНЭ на стоянке. Кнопки Н и V не имеют фиксации. В шкафу располагают реле РРТ для включения электропневматических клапанов ЭПВ1 и ЭПВ2. Последние устанавливают в ящиках для пневматического оборудования всех вагонов электропоезда. При модернизации контроллер крана машиниста № 395М-5- 01 заменяют контроллером крана N2 395М-4-01, который имеет три микровыключателя.

Регулятор РТНЭ питается постоянным током напряжением 50 В от бортовой сети электропоезда (провода 78КА и 78Я), подключается через штепсельные разъемы, розетки которых установлены на корпусе регулятора, а в вилках смонтированы провода и кабели. Положительное напряжение (+50 В) проводом 78КА1 подается на контакт 6 вилки ХР1, отрицательное (-50 В) через тумблеры ВЗЗ (ЭПТ) и SA1 (РТН), по проводу ЗЭТ — на контакт 9 вилки ХР1. Все остальные приборы также подключены к регулятору через штепсельные разъемы. Цепи датчиков избыточного давления СТЭК 1-0,6-05 и угловых перемещений ДПС-4М собирают экранированными кабелями из четырех проводов 8ЭТ и 9ЭТ.

Питаются электропневматические клапаны ЭПВ1 и ЭПВ2 постоянным током напряжением 110 В через промежуточное реле РРТ. Его цепь питания проходит от вилки ХР1 (контакт 3) по проводу 2ЭТ. Обратный провод 78Я2 подключен к зажиму 78Я на панели 1 ПА.388. Катушки электропневматических клапанов ЭПВ1 и ЭПВ2 всех вагонов подключены к поездным проводам 43 и 46.

Для подключения регулятора к схеме электропоезда на панели 1 ПА.388 устанавливают дополнительные зажимы 78КА1 и 78Е1. Провод 78КА снимают с зажима 78КА и подключают к зажиму 78КА1. К зажиму 78КА подводят провод 78КА1, идущий к контакту 6 вилки ХР1 регулятора. Зажим 78КА1 на панели 1 ПА.388 соединяют проводом 78КА2 с контактом 7 вилки ХР1. В результате приведенных переключений цепь питания реле РТ и РО размыкается на панели 1 ПА.388 (провода 78КА и 78КА1), но замыкается через регулятор (контакты 6 и 7 вилки ХР1, а также размыкающие контакты реле КЗ).

Когда торможение выполняют с помощью ЭПТ, регулятор не включается. При этом цепь питания реле РТ и РО от контроллера крана машиниста замыкается через размыкающие контакты реле КЗ. Если же для экстренного торможения используется РТНЭ, то при постановке ручки крана машиниста в положение VI, после замыкания контактов микровыключателя ЭТ или срабатывания ЭПК-150, включается реле КЗ и размыкается цепь питания реле РТ и РО от контроллера машиниста. Данные реле включаются регулятором соответственно по проводам 78Н1 и 78Е1.

При монтаже регулятора на электропоезде провод 78Е подключают к зажиму 78Е1. Между зажимами 78Е и 78Е1 устанавливают диод VD1. Зажим 78Е проводом 78Е1 соединяют с контактом 4 вилки ХР1. Благодаря этому исключается подпитка реле РТ через контроллер крана машиниста в положении «Перекрыта».

Микровыкпючатель ЭТ расположен на контроллере крана машиниста. Его контакт 1 через контакт 2 разъема Ш25 проводом 78БА2 подключают перемычкой к контакту 1 вилки Ш25 (+50 В). Контакт 2 микровыключателя ЭТ через контакт 7 разъема Ш25 соединяют с зажимом 7 провода ЭПК- 150 и проводом 78БАЗ — с контактом 2 вилки ХР1.

Изменяется схема подключения контактов реле РПТ к проводам 47 и 49 так, как показано на рис. 4. В цепь, проходящую от источника +50 В через контакты реле РПТ к проводам 49 и 47, вводят размыкающие контакты реле КЗ (вместо провода 78Л устанавливают перемычку 78КАЗ).

Во время экстренного торможения электропоезда с использованием РТНЭ через контакт 8 вилки ХР1 по проводу 78У1 осуществляется блокировочная подпитка срыв- ного клапана СК. Для служебного торможения поезда с помощью РТНЭ на пульте машиниста предусмотрен тумблер SA2 (СТ). К одному его контакту проводом 78КА от зажима 1 разъема Ш25 подводится напряжение +50 В. Второй контакт тумблера SA2 (СТ) соединяется проводом 1ЭТ с контактом 1 вилки ХР1.

Во всех положениях крана машиниста, кроме положения VI, электрические цепи включения реле РТ и РО, проходящие через контакты ККМ и используемые при служебном торможении, замыкаются через размыкающие контакты реле КЗ, установленного в РТНЭ. При этом провод 78КА между тормозным переключателем ПТ и ККМ разомкнут, так как перемычка между зажимами 78КА и 78КА1 снята. Токи питания реле РТ и РО протекают по цепи: +50 В, предохранитель Пр9, замыкающие контакты реле РКБ1, контакты переключателя ПТ, провод 78К, диод D10, провода 78КА и 78КА-1, размыкающие контакты реле КЗ в блоке РТНЭ, провод 78КА-2, контроллер КМ, обмотки реле РТ и РО.

При установке ручки крана машиниста в положение VI (экстренное торможение) замыкаются контакты микровыключателя ЭТ на ККМ, через которые постоянное напряжение от источника +50 В подается в регулятор тормозных нажатий. То же самое происходит при замыкании контактов ЭПК-150, когда в РТНЭ включается реле К2. Через размыкающий контакт реле К1 и замыкающий контакт реле К2 включаются реле РТ и РО в кабине головного вагона электропоезда.

Реле К1 и К2 установлены на модуле К регулятора РТНЭ. Питание реле РТ и РО через контакты реле К1 и К2 получают по следующим цепям: +50 В, провод 78КА электропоезда, контакты микровыключателя ЭТ контроллера КМ. Далее первая цепь — замыкающий контакт реле К2, провод 78Е1, обмотка реле РО и вторая — размыкающий контакт реле К1, провод 78Н1, обмотка реле РТ.

При включении экстренного торможения получают питание реле РТ и РО в кабине головного вагона электропоезда, а их контактами включаются вентили торможения ВТ и отпуска ВО на всех вагонах. Начинается торможение
поезда. Давление в тормозных цилиндрах повышается до 0,15 МПа (1,5 кгс/см2), при котором включается реле КЗ в РТНЭ, а через его контакты — реле РРТ. Когда контакты этого реле замыкаются, срабатывают клапаны ЭПВ1 и ЭПВ2 всех вагонов. Давление воздуха в ТЦ повышается до величины, соответствующей скорости движения, после чего включается реле К1 и выключаются реле РТ и РРТ, вентили ВТ и клапаны ЭПВ.

При этом повышение давления в тормозных цилиндрах прекращается. Реле К2 и РО, вентили ВО остаются включенными, создается режим «Перекрыта». Скорость движения поезда снижается, реле К2 и РО, а также вентили ВО выключаются, и происходит отпуск тормозов на одну ступень. Реле К2 и РО, а также вентили ВО снова включаются, и наступает режим «Перекрыта». Изложенные процессы повторяются. Служебное торможение задают тумблером СТ. В этом случае реле КЗ и РРТ, а также клапаны ЭПВ1 и ЭПВ2 не включаются.

Испытания электропоезда ЭР9Е-614 проводили на участке Минск — Беларусь в конце 2004 г. Для получения достоверной информации торможения базовым тормозом и с использованием системы регулирования тормозных нажатий выполняли в одних и тех же местах. В таблице приведены результаты испытаний. Отмечено постоянство величины замедления, особенно при торможении тумблером СТ, поскольку в этом случае величина давления в тормозных цилиндрах снижается с 0,36 — 0,4 МПа (3,6 — 4 кгс/см2) при скорости 30 км/ч до 0,09 — 0,12 МПа (0,9 — 1,2 кгс/см2) в момент остановки. Это повышает надежность торможения без заклинивания колесных пар.

Устройство УСРТ снижает вероятность заклинивания, поскольку уменьшение числа оборотов первой колесной пары первого вагона автоматически вызывает снижение давления в тормозных цилиндрах всего поезда. Поэтому при соответствующей регулировке давления в тормозном цилиндре головного вагона возрастает эффективность торможения без заклинивания колесных пар. Устройство при его отказе не влияет на работоспособность существующего тормоза. В этом случае обеспечивается торможение в штатном режиме.

Д-р техн. наук Э.И. ГАЛАЙ, канд. техн. наук М.В. КУРОВСКИЙ,
инж. П.К. РУДОВ, научные сотрудники
Отраслевой научно-исследовательской лаборатории
«Тормозные системы подвижного состава» БелГУТа,
инж. О.А. СИДОРОВИЧ, начальник моторвагонного депо
Минск-Северный,
Белорусской дороги

[СЦБот]

Эта тема была перенесена из раздела Журнал "Локомотив".

Перенес: Admin