Теория механического оборудования городского транспорта - Механические тормоза

Глава 18
МЕХАНИЧЕСКИЕ ТОРМОЗА
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Механическим тормозом называется устройство для преобразования кинетической энергии движущегося экипажа в тепловую за счет работы сил трения при управляемом снижении скорости экипажа или его остановке.
Различают три режима торможения подвижного состава:

1. экстренное (аварийное);
2. служебное;
3. торможение стоящего подвижного состава.

При экстренном торможении необходимо обеспечить минимальный тормозной путь (максимальное замедление) без потери устойчивости (заноса) или возникновения юза подвижного состава при сохранении необходимой безопасности движения.
Хотя экстренное торможение производится сравнительно редко (сотые доли процента от общего числа торможений), на городском транспорте оно имеет важное значение и определяет в основном требования к тормозным устройствам по обеспечению безопасной эксплуатации подвижного состава.
Служебное торможение — наиболее распространенный тормозной режим. Оно применяется для уменьшения скорости и остановки подвижного состава у посадочных пунктов или для подтормаживания при требуемых ограничениях скорости движения.
При торможении стоящего подвижного состава он должен удерживаться неограниченно долго на таком наибольшем подъеме, который может быть преодолен им по условиям тяги.
Надежное аварийное и служебное торможение подвижного состава городского электрического транспорта обеспечивается механической и электрической системами тормозов. Последние преобразуют кинетическую энергию в электрическую при помощи тяговых двигателей, работающих в режиме генератора. Полученная электрическая энергия возвращается в тяговую сеть (рекуперативное торможение) или преобразуется в тепловую в пускотормозных сопротивлениях (реостатное торможение). В последнем случае энергия рассеивается в атмосферу или используется в системе подогрева воздуха пассажирского салона. Для безопасности движения подвижной состав городского электрического транспорта оборудуется электрическим тормозом и двумя тормозными системами механического тормоза, одна из которых, как и электрическая, является служебной, а вторая — стояночной.
По принципу реализации тормозных сил механические тормоза на городском электрическом транспорте подразделяют на две группы:
тормоза, реализующие тормозную силу через сцепление колес с дорожным покрытием или рельсами;
тормоза, реализующие тормозную силу не за счет сцепления колес и пути.
Первая группа тормозов применяется на подвижном составе всех типов (безрельсовом) и на подвижном составе со специальными путевыми устройствами (рельсовом, монорельсовом, бирельсовом и др.). Тормозные силы у тормозов этой группы передаются на путевое устройство через колеса или колесные пары за счет сцепления. Максимальная величина тормозных сил в этом случае ограничивается предельной силой сцепления колес и дорожного полотна или рельсов.
Тормоза второй группы находят применение только на подвижном составе со специальными путевыми устройствами (рельсовом, монорельсовом, бирельсовом) и обычно устанавливаются совместно с механическими тормозами первой группы. У тормозов второй группы усилия торможения передаются непосредственно на рельсы или другие путевые устройства (например, монорельсовую балку), минуя колесные пары. Совместное применение тормозов первой и второй групп позволяет значительно уменьшить тормозные пути и тем самым повысить безопасность движения вагонов.
Тормозные системы механического тормоза состоят из двух групп устройств: тормозных механизмов и тормозных приводов.
Тормозным механизмом называется система устройств, осуществляющих непосредственное преобразование кинетической энергии поезда в тепловую. Тормозной механизм механических тормозов первой группы представляет собой фрикционную пару, одним из элементов которой является тормозная колодка, а вторым — вращающийся барабан (или диск), связанный непосредственно или через элементы тяговой передачи с колесом, или поверхность катания самого колеса. Тормозной механизм механических тормозов второй группы (рельсовых тормозов) представляет собой фрикционную пару, одним из элементов которой является тормозная колодка, а вторым — рельс. На современных трамвайных вагонах и вагонах метрополитена нашли применение электромагнитные рельсовые тормоза. У этих тормозов роль тормозных колодок выполняют полюсные башмаки электромагнита. Возможно применение и других систем рельсовых тормозов, например пневматических.
Тормозным приводом называется устройство для создания управляемого усилия, необходимого для приведения в действие тормозных механизмов. Оно включает в себя преобразователь энергии, тормозную передачу и орган управления. Для приведения в действие механических тормозов используют мускульную энергию водителя или какой- либо другой вид энергии: энергию сжатого воздуха, сжатой пружины и пр.
Преобразователь тормозного привода представляет собой устройство, использующее поступающую в него определенную энергию для создания через тормозную передачу управляемого усилия на тормозных механизмах. Тормозная передача осуществляет передачу, усиление и распределение управляемого усилия от преобразователя к тормозным механизмам. Орган управления тормозного привода регулирует подачу энергии из источника в преобразователь.
По виду энергии, используемой в тормозных приводах, различают мускульный привод (ручной или ножной), в котором используется мускульная энергия водителя, пневматический привод, использующий энергию сжатого воздуха, пружинный привод, использующий потенциальную энергию сжатой пружины, гидравлический, электрический и т. д. Особенностью всех типов приводов, кроме мускульного, является то, что вся энергия, затрачиваемая в них на создание необходимого управляемого усилия на выходе, поступает из специального источника достаточно большой мощности, а энергия водителя затрачивается только на регулирование этого процесса.
В мускульном приводе вся энергия, необходимая для создания требуемого усилия на выходе, отдается водителем. На подвижном составе городского пассажирского транспорта усилие водителя недостаточно для быстрого затормаживания. Поэтому мускульные приводы используются только для стояночного тормоза.

Рис. 18.1. Структурные схемы механических тормозов

На рис. 18.1 показаны три характерные структурные схемы механического тормоза. Все они отливаются тем, что на одну и ту же группу тормозных механизмов ТМ работают два тормозных привода: служебный от специального источника энергии 1 и ручной 2. Тормозными механизмами 3 на пассажирском подвижном составе оборудуются обычно все колеса или колесные пары. Привод служебного тормоза включает в себя преобразователь 4 (один или несколько), тормозную передачу 5 от преобразователя к тормозным механизмам и орган управления 6 на пути потока энергии от источника 1 к преобразователям 4.
На схеме а показана схема тормоза с индивидуальными преобразователями 4 и передачами 5 служебного привода па каждый тормозной механизм 3. Такую схему тормоза имеют троллейбусы и трамвайные вагоны РВЗ, Т-2, Т-3, КТМ-5М. На схеме б показана схема тормоза с с общим преобразователем и групповой передачей служебного тормозного привода на все тормозные механизмы экипажа. Такую схему тормоза имеют моторные трамвайные вагоны МТВ-82, КТМ-2, прицепные вагоны КТП-2 и др. На схеме в показана схема тормоза с двумя преобразователями служебного привода — по одному на каждую тележку двухтележечного вагона и групповыми передачами на каждую тележку. Такую схему тормоза имеют, в частности, трамвайные вагоны ЛМ-49.
В зависимости от конструктивных особенностей ходовых частей подвижного состава применяют и другие схемы механического тормоза. Общая их особенность состоит в том, что независимо от числа преобразователей служебного тормоза на экипаже в любой схеме механического тормоза предусматривают одни стояночный привод с групповой тормозной передачей, воздействующей на все тормозные механизмы или часть их.
Тормозные передачи могут представлять собой систему рычагов и тяг (механическая передача), гидравлические, пневматические, электрические и другие системы. Основным признаком, отличающим индивидуальную тормозную передачу от групповой, является то, что неисправность любого звена групповой передачи приводит к отказу всего тормоза, в то время как неисправность какой-либо индивидуальной передачи приводит к отказу только того тормозного механизма, который с ней связан. Таким образом, надежность групповых передач при прочих равных условиях ниже, чем индивидуальных. Кроме того, регулировка групповых передач значительно сложнее, чем индивидуальных.

(18.3)
Характеристики тормоза зависят от конструкции и жесткости его элементов, их регулировки и меняются при износе деталей привода и тормозных механизмов.

Тормозная система подвижного состава должна удовлетворять следующим требованиям:

1. Минимальный тормозной путь или максимальное замедление при экстренном торможении с учетом сцепления и требований сохранения устойчивости экипажа при торможении, исключающей боковой занос или юз экипажа. Выполнение этого требования связано с обеспечением необходимой безопасности эксплуатации подвижного состава и составляет одно из основных условий возможности его движения с высокими скоростями.

Максимальные величины тормозных путей при экстренном торможении отечественного подвижного состава нормируются Правилами технической эксплуатации (ПТЭ) и ГОСТ. Эксплуатация подвижного состава с тормозами, не обеспечивающими нормируемые длины тормозных путей, не допускается.
В частности, по ГОСТ 8802—69 тормозной путь трамвайных вагонов при скорости 8,33 м/сек (30 км/ч), нормальной нагрузке, сухих и чистых рельсах на горизонтальном участке пути при служебном торможении должен быть не более 35 м. При экстренном торможении с дополнительным применением рельсового электромагнитного тормоза в тех же условиях тормозной путь для трамвайных вагонов и поездов не должен быть более 16 м. Для троллейбусов ГОСТ 7495—63 нормирует величину установившегося замедления, которое при движении троллейбуса с нормальной нагрузкой на горизонтальном участке сухой дороги с асфальтобетонным покрытием при торможении механическим тормозом должно быть не менее 5 м/сек2. Тормозной путь ненагруженного троллейбуса на горизонтальном участке пути при комбинированном торможении механическим и реостатным тормозом с начальной скоростью 8,33 м/сек не должен превышать 7 мг.
Необходимыми условиями получения минимального тормозного пути являются: минимальное время срабатывания привода тормозной системы, обеспечение необходимого распределения тормозных усилий между колесами и их одновременное затормаживание.

1. Минимальные затраты мускульной энергии водителя для приведения в действие органа управления привода тормоза при ограниченном его перемещении. Затраты мускульной энергии на приведение в действие служебного тормоза, привод которого работает от специального источника энергии, малы и поэтому не нормируются. На рабочем органе стояночного привода водителю приходится развивать большие мускульные усилия. На тормозной педали его обычно ограничивают величиной 500 н при ходе педали не более 180 мм, на рычаге ручного тор- дюза — величиной 400 и при ходе рычага до 300 мм. Необходимые усилия нажатия тормозных колодок получают при этом соответствующим выбором передаточных чисел и конструкции тормозной системы.
2. Плавное нарастание тормозной силы и возможность ее простого регулирования. Выполнение этого требования имеет особое значение при проектировании систем служебного тормоза, так как определяет комфортабельность пассажирского подвижного состава.
3. Хороший отвод тепла от тормозных механизмов, обеспечивающий работу тормозов без перегрева при частых торможениях. Это требование связано с сохранением тормозных качеств подвижного состава при нагреве тормозов и возможном при этом нарушении их действия, в частности при снижении коэффициента трения фрикционных пар.
4. Стабильность характеристик тормозной системы в процессе эксплуатации. Для выполнения этого требования необходимо, чтобы износ фрикционных нар был малым и равномерным и на работу тормозной системы не оказывали влияния колебания наружной температуры, атмосферные осадки и пр. Регулировка зазоров в фрикционных парах тормозных механизмов должна быть простой, удобной и по возможности автоматической.
5. Безотказное торможение подвижного состава при всех условиях. Выполнение этого требования на электрическом подвижном составе достигается применением двух или трех независимых тормозных систем (электрический, механический, рельсовый тормоз). На подвижном составе трамвая и троллейбусах основными системами тормозов управляет водитель. На подвижном составе метрополитена кроме этих систем применяют также различные автотормозные устройства, связанные с автоблокировкой отдельных участков пути.

К основным вопросам проектирования тормозных устройств относят:

1. выбор необходимой мощности тормозных устройств;
2. правильное распределение тормозных сил по колесам для обеспечения полного использования сцепного веса при торможении с целью предупреждения заноса или юза экипажа;
3. обеспечение абсолютной надежности действия тормоза, непосредственно связанной с безопасностью движения;
4. обеспечение максимальной быстроты действия при экстренном торможении;
5. обеспечение нормируемого хода рабочего органа привода: угла поворота рукоятки или педали ручного или ножного привода тормоза, выхода штока тормозного цилиндра или тормозной камеры и т. п.