Торможение — процесс, управляемый машинистом, при котором с помощью тормозных средств обеспечивается снижение скорости движения поезда или его полная остановка. Процесс торможения является динамическим, изменяющимся во времени.
Для предотвращения явления юза, когда колесная пара блокируется тормозными колодками и прекращается ее вращение при продолжающемся движении поезда, машинист изменяет силу нажатия тормозных колодок ΣК0, применяя различные ступени и режимы торможения. В результате происходит регулирование во времени t значения полной тормозной силы поезда Вт.
Как отмечалось ранее, значение полной тормозной силы тормозной оси В0 ограничивается силой сцепления колесе рельсами ΨΚ2Π. Это условие является основным для нормального процесса торможения. При нарушении условия сцепления колес колесной пары с рельсами при торможении увеличивается скорость скольжения VCK в зоне контактной площадки, что может привести к блокировке колес и юзу.
На графике, представленном на рис. 8, показано, что при увеличении суммарной силы нажатия Σ Kо на тормозную ось тормозная сила В о max достигает ограничение по сцеплению в точке «А», далее следует мгновенный срыв силы Bо (на участке А — Б) и начинается скольжение колес по рельсам.
В действительности процесс торможения, т.е. изменение тормозной силы В0 во времени t, выглядит несколько иначе (рис. 10). В период времени t1, процесс торможения происходит в условиях сцепления колес с рельсами и полного отсутствия скольжения VCK = 0. Значение тормозной силы не изменяется, т.е. Bo=const (участок а — б на кривой В0 =f(t) на рис. 10).
Рис. 10. Изменение тормозной силы В0, угловой скорости вращения колес w и относительной скорости скольжения VCK колесной пары от времени торможения
Необходимо отметить, что коэффициент сцепления колес с рельсами при торможении (кривая I на рис 11) меньше зависит от скорости скольжения Vск, чем в тяговом режиме (кривая 2), следовательно, при торможении можно допустить большее скольжение.
В отрезок времени t2 - (см. рис. 10) относительная скорость скольжения Vск колеса возрастает
(4.12)
где V — поступательная скорость движения колесной пары, м/с.
Значение тормозной силы В0 (участок б-в на рис 4.10) уменьшается из-за снижения коэффициента трения φκ. При достижении относительной скорости скольжения величины Vск = 100 % возникает блокировка колес и дальнейшее торможение происходит в условиях юза.
Количественные значения тормозной силы В0 и расчетной силы нажатия колодок ΣΚρ на тормозную ось в функции времени представлены на рис. 12.
Рис. 11. Зависимости коэффициента сцепления колес с рельсами от относительной скорости скольжения и режима работы локомотива: 1 — при торможении; 2 — тяговый режим
На участке а-6 кривой Bо=f(t) тормозная сила возрастает вследствие увеличения расчетной силы нажатия Σ Кр тормозных колодок на тормозную ось, а на участке 6-в из-за роста коэффициента трения φк тормозных колодок, т.к. поступательная скорость движения колесной пары снижается. В точке «в» нарушаются условия сцепления колес с рельсами, угловая скорость вращения колесной пары уменьшается и значение тормозной силы на участке в-г резко возрастает. На одиннадцатой секунде после начала нажатия тормозных колодок вращение колесной пары прекращается и происходит блокировка колес (участок г-д на рис. 12); тормозная сила резко уменьшается из-за того, что коэффициент трения скольжения колес по рельсам в несколько раз ниже коэффициента трения качения.
Некоторое увеличение тормозной силы В0 перед остановкой колесной пары (точка е на рис. 12) обусловлено увеличением коэффициента трения скольжения при снижении скорости. Из данных, представленных на рис. 12, также следует, что из-за блокировки колес время движения поезда до полной остановки и его тормозной путь увеличиваются (кривая д-е).
Рис. 12. Графики изменения тормозной силы В0 и силы нажатия тормозных колодок ΣΚо во времени
Опыт эксплуатации отечественного подвижного состава показал, что основными причинами блокировки колес и возникновения явления юза являются:
— неисправности воздухораспределителей и других тормозных приборов и неотпуск тормозов после торможения;
— износ и неисправности деталей рычажной передачи тормоза;
- неправильное включение режимов;
- низкая квалификация машинистов;
- отправление поездов с заторможенными осями;
- снижение коэффициента сцепления из-за различных эксплуатационных факторов.
Блокировки колес при торможении приводят к резкому снижению безопасности движения поездов, увеличивают эксплуатационные расходы на содержание и ремонт подвижного состава и верхнего строения пути, снижают эксплуатационную надежность узлов подвижного состава и рельсовой колеи и уменьшают оборот вагонов.
В целом, физические процессы, происходящие при торможении в зоне контактной площадки колеса и рельса, чрезвычайно сложны. В связи с отсутствием достаточного количества опытных данных по влиянию на тормозную силу поезда Вт различных случайных факторов процесс торможения несколько идеализируют.
Тормозным путем называется расстояние, проходимое поездом от момента поворота ручки крана машиниста в тормозное положение до его полной остановки. После поворота ручки крана машиниста в тормозное положение до момента соприкосновения (нажатия) тормозных колодок проходит время, которое называют временем подготовки тормозов к действию.
За этот период времени происходит распространение воздушной волны по тормозной магистрали поезда, срабатывание воздухораспределителей, наполнение тормозных цилиндров воздухом и перемещение тормозной рычажной передачи.
Во время подготовки тормозов к действию (интервал 0 — t1 на рис. 13, а) тормозная сила поезда Βт равна нулю, а скорость движения поезда принимается постоянной, т.е. V=const, хотя характер ее изменения в условиях реального движения будет определяться профилем пути, т.е. сопротивлением движению. Далее тормозные колодки прижимаются к бандажам колес колесных пар, и начинается процесс замедления скорости подвижного состава, т.е. его торможения. В связи с тем, что давление воздуха в тормозных цилиндрах растет в течение определенного времени и воздухораспределители хвостовой части поезда срабатывают позже, чем воздухораспределители головных вагонов, значение тормозной силы Вт увеличивается постепенно. На рис. 13, а темп изменения кривой BT=f (t) показан в виде линейной зависимости. После стабилизации тормозных процессов считается, что тормозная сила Вт имеет установившееся значение, т.е. является постоянной величиной в диапазоне времени t3 — t2.
Рис. 13. Расчетное представление процесса торможения: а — линейное изменение тормозной силы BT(t); б — легковесное изменение тормозной силы BT(t)
Учитывая, что темп и характер изменения кривой тормозной силы BT=f (t) на отрезке t1 — t2 (см. рис. 13, а) есть величины, зависящие от большого числа переменных параметров, при расчетах принимают, что тормозная сила достигает своего установившегося значения мгновенно при tcp = t1 + t2/2 в точке A (рис.4.13, б).
Полный тормозной путь S определяется как сумма двух составляющих
ST = Sn + Sa (4.13)
где Sn — путь подготовки тормозов к действию, м; SД — действительный тормозной путь, м.
Путь подготовки тормозов к действию S , м:
где VH — скорость поезда перед началом торможения, км/ч; tп — время подготовки тормозов к действию, с.