Механическое торможение

Вращательно-фрикционные тормоза. Колесно-колодочный тормоз, который широко применяется на магистраль­ном железнодорожном подвижном составе и на метрополи­тене, в настоящее время не применяется на наземном го­родском электрическом транспорте. В этом типе тормоза тормозные колодки прижимаются непосредственно к бан­дажам колес.

Для уменьшения шума на трамвае в настоящее время применяется подрессоривание бандажей через специ­альные резиновые прокладки, которые затрудняют отвод тепла от бандажей. Бандажи в процессе торможения могут перегреться и произойдет авария. Поэтому как на трамвае, так и на троллейбусе устанавливают специальные тормоз­ные барабаны, связанные с колесами, на которые и давят при торможении колодки (рис. 2, а).

Рис. 2. Образование тормозной силы при механическом торможении (а) и барабанном тормозе (б)

Тормозной момент, возникающий в этом случае, кН м,

(3)

где R_б - радиус тормозного барабана, м; К - нажатие на колодку, кН; - коэффициент трения между поверхностью тормозного бара­бана и колодкой.

Для того чтобы нажатие от колодок на тормозной барабан уравновешивалось, т. е. вал барабана не ис­пытывал изгибающий момент, тормозных колодок бы­вает несколько и их располагают симметрично (рис. 2, б). В этом случае тормозной момент, кН м,

, (4)

где п – число тормозных колодок.

Тормозная сила, Н, в общем случае в соответствии с рис. 3:

, (5)

где μ – передаточное отношение редуктора; η_К - коэффициент полезного действия редуктора; R_К - радиус колеса подвижного состава, м.

Выражение (5) справедливо в том случае, если тормозной барабан укреплен либо на валу двигателя, либо на горловине редуктора, как это имеет место на трамвайных вагонах. На троллейбусах тормозные барабаны крепят непосредственно к ступицам ведущих колес. Тогда μ = 1 и η_К = 1, и выражение (5) примет вид:

(6)

Коэффициент 1000 в выражениях (5) и (6) служит для перевода килоньютонов в ньютоны.

При данном нажатии К на тормозные колодки тормоз­ная сила будет зависеть от коэффициента трения φ_к. Иссле­дования показали, что величина φ_к определяется материа­лами трущихся поверхностей, скоростью поверхности тор­мозного барабана, нажатием на тормозную колодку К.

Тормозные барабаны, как правило, изготовляют из ста­ли, тормозные колодки - из различных материалов. Наи­более дешевым является изготовление тормозных колодок из чугуна, но такие колодки обладают тем недостатком, что относительно быстро изнашиваются и, превращаясь в чугунную пыль, засоряют тормозное устройство и окружа­ющую среду. Лучшие показатели имеют тормозные колод­ки, изготавливаемые из специальных материалов, так назы­ваемых композиционных составов. В такие композиции входят составными частями асбест, бакелит, древесные опилки. Эти колодки в процессе торможения сгорают, т. е. превращаются в основном в газы и улетучиваются.

На основании экспериментов для этих материалов вы­ведены следующие зависимости:

для чугунных колодок и стального колеса

(7)

и для композиционных колодок и стального колеса

(8)

В этих выражениях нажатие К имеет размерность килоньютоны, а скорость v - метр в секунду. На рис. 3 представлены эти зависимости при нажатии на тормозные колодки К = 20 кН.

И з выражений (7) и (8) следует, что с увеличением нажатия К на колодку коэффициент трения φ_к падает, так­же он уменьшается и при увеличении скорости. При более высоких скоростях, особенно для композиционных тормозных колодок, коэффициент трения φ_к становится практически постоянным. Поэтому для получения надежно работающего тормозного устройства целесообразно при­менение большего числа колодок с меньшим усилием К на колодку и с большей скоростью на поверхности тормоз­ного барабана, т. е. тормозной барабан следует устанав­ливать на валу двигателя или входного вала редуктора (рис. 4).

Рис. 3. Зависимости коэффициента трения от скорости

при чугунных колодках (1) и композиционных (2)

Рис. 4. Схема центрального барабанного тормоза: D_б , D_к – диаметры барабана и ведущего колеса

Расчет тормозной силы. Тормозная сила электропод­вижного состава В будет равна сумме тормозных сил, развиваемых тормозными устройствами:

, (9)

здесь k - число тормозных барабанов на подвижном составе. С учетом выражения (5):

(10)

Для двухосного троллейбуса, где на каждом движу­щемся колесе имеется тормозной барабан, k = 2, а для четырехосного трамвая k = 4.

Если в выражении (10) коэффициент трения φ_к при­нять постоянным, т. е. можно вынести за знак суммы, то получим

. (11)

Выражение под знаком суммы называют приведенным к ободу колеса нажатием тормозных колодок, т.е.

(12)

Тогда тормозная сила

(13)

или в удельных единицах

(14)

Для удобства построения тормозных характеристик вводится понятие тормозного коэффициента подвижного состава θ, который характеризует мощность тормозных средств и равен отношению суммы приведенных нажатий колодок на вес подвижного состава

(15)

Тогда выражение (14) примет вид

(16)

Значения расчетных коэффициентов трения φ_к для раз­личных типов тормозов следующие:

Чугунные колодки - 0,27; дисковые и барабанные тормоза с позиционными колодками - 0,35; рельсовые электромагнитные тормоза - 0,18.

Пользуясь выражением (16), можно построить тор­мозную характеристику подвижного состава b(v).

Ограничение тормозной силы. Как видно из выражения (12), с увеличением нажатия на колодки тормозная сила увеличивается. Но она не может расти беспредельно. Наи­большее значение тормозной силы ограничено силой сцеп­ления колеса с рельсом, которая определяется по следующему выражению

B_max = 1000m_тgψ, (17)

где m_тg - тормозной вес поезда; ψ- коэффициент сцепления колеса с рельсом.

При превышении этой величины нарушается сцепление колеса с рельсом или полотном дороги и возникает юз. Для избегания юза необходимо, чтобы общая тормозная сила любой колесной пары не превосходила наибольшей по сцеплению тормозной силы

В ≤ B_max = 1000m_тgψ (18)

С учетом выражения (14) получим:

(19)

или

, (20)

откуда следует

(21)

Отношение наибольшего суммарного нажатия колодок к силе нажатия на рельсы или полотно дороги m_Т g называется коэффициентом нажатия тормозных коло­док δ

(22)

Из неравенства (21) следует,

(23)

т. е. сила нажатия ограничена условиями сцепления коле­са и рельса или колеса и дороги.

При условии, что все оси подвижного состава тормоз­ные (т = т_т), наибольший тормозной коэффициент будет равен коэффициенту нажатия Θ_mах = δ. Такое значение тормозного коэффициента следует выбирать при тормо­жении с наибольшим нажатием колодок, т. е. при экстрен­ном торможении.

При рабочем торможении тормозной коэффициент подвижного состава составляет 0,6 - 0,7 от наибольшего значения. Значения коэффициентов нажатия для различ­ных видов подвижного состава городского электрического транспорта (ГЭТ) следующие:

Трамвайные, вагоны (моторные) - 0,85 - 1,2; вагоны метрополитена - 0,5 - 0,6; вагоны с дисковыми и барабанными тормозами - 0,6 - 0,7; троллейбус - 1,5 – 2; трамвайные вагоны с рельсовым электро­магнитным тормозом – 2,0.

Механическая устойчивость. Рассмотрим тормозную характеристику подвижного состава B(v) для тормоза с чугунными и композиционными колодками (рис. 5). При торможении на спуске силой, вызывающей ускорение, является направленная по движению подвижного состава сила от уклона mgi. Ускорению подвижного состава будет противодействовать сумма сил торможения и основного сопротивления движению B + W_o. Следовательно, тормоз­ная характеристика будет устойчива в том случае, если сумма сил В + W₀ возрастает с увеличением скорости. Условие механической устойчивости при торможении на спуске запишется в виде

(24)

Как следует из рис. 5, при движении по спуску уста­новившаяся скорость v_у будет иметь место в точке а, в ко­торой В + W₀ = mgi. Согласно основному уравнению дви­жения справа от точки а ускорение будет положительно, а слева - отрицательно.

Для тормоза с чугунными колодками (рис. 5, а) при случайном увеличении скорости на значение Δv замед­ляющая сила B + W₀ будет меньше силы от уклона В+Wo<mgi, и произойдет дальнейшее увеличение скорости. При уменьшении скорости на значение Δv

В+Wo >mgi (25)

и скорость будет уменьшаться.

Рис. 5. К определению механической устойчивости колодочно-бандажного тормоза с чугунными (а) и композиционными (б) колодками при торможении на спуске

Таким образом, тормоз с чугунными колодками обла­дает механической неустойчивостью при торможении на спуске, так как тормозная сила при увеличении скорости падает резче, чем растет основное сопротивление дви­жению.

В случае применения композиционных колодок (рис. 5, б) в зоне рабочих скоростей получаем устойчи­вое механическое торможение.

По типу привода механические тормоза разделяются на ручные, пневматические, гидравлические. На мощных типах подвижного состава применяются только пневмати­ческий и гидравлический приводы. Пневматический привод применяется на трамвайных вагонах РВЗ-6М2, ЛМ-68 и троллейбусе ЗИУ-682. На городском электрическом транс­порте для упрощения схемы подвижного состава пневма­тический привод заменяют соленоидным. Соленоидный привод применяется на трамвайных вагонах КТМ-5МЗ и Т-3 (ЧССР).

Дисковый тормоз. Основное их отличие заключается в том, что тормозная сила создается в результате трения колодки о вращающиеся фрикционные диски, которые связаны с колесными парами или с валами тяговых дви­гателей. Если вращающиеся элементы тормоза имеют плоскую поверхность, то такие тормоза называются диско­выми.

Дисковые тормоза обладают следующими преиму­ществами:

- коэффициент трения дисковых тормозов относительно высок (0,25 - 0,35), так как колодки для такого тормоза изготовливают из смеси асбестового волокна с металли­ческими стружками и древесными опилками, пропитан­ными бакелитом;

- механически устойчивы, так как в рабочей зоне коэф­фициент трения практически не зависит от скорости.

При механическом торможении вся кинетическая энер­гия превращается в тепло и выделяется в диске. Диск нагревается и, если процесс торможения длительный, плавится. Поэтому дисковые тормоза применяются при торможении с малых скоростей и как аварийные. Меха­ническое торможение сочетают с реостатным либо с реку­перативным торможением.

Общим недостатком рассмотренных видов механи­ческих тормозов является то, что наибольшее нажатие колодок ограничено условиями сцепления колес с рельсами или дорогой. Тем самым ограничиваются макси­мально возможные тормозные силы и замедления. Наи­большие замедления при торможении в этих системах не превосходят 1,5 - 2 м/с². Между тем при экстренном торможении такие замедления недостаточны, поэтому при наличии только механического тормоза небезопасно раз­вивать высокие скорости движения. Особенно это отно­сится к тому виду городского электрического транспорта, у которого нет индивидуального полотна, изолированного от пешеходов и других видов транспорта.

Рельсовый тормоз. Рельсовые тормоза позволяют раз­вивать тормозные силы, не ограниченные сцеплением колес с рельсами. Сущность рельсового тормоза заклю­чается в том, что подвешенные на пружинах к тележке или раме вагона стальные электромагнитные рельсовые башмаки, свободно перемещающиеся в вертикальном направлении в специальных направляющих, притяги­ваются к рельсам при возбуждении их током. Сила трения, возникающая между башмаками и рельсами, является тормозной силой рельсового тормоза и определяется так:

(26)

где К_Р - сила притяжения башмака к рельсу, φ_р - коэффициент трения башмака о рельс.

Сила притяжения К_Р прямо пропорциональна квадрату магнитного потока Ф, который зависит от тока I, проте­кающего по катушке рельсового тормоза, и обратно про­порциональна значению воздушного зазора δ между рель­сом и башмаком.

Так как магнитный поток замыкается через рельсы, то воздушный зазор резко снижает магнитный поток и силу притяжения К_Р. В результате загрязнения рельса и неров­ностей башмак прилегает к рельсу не всей поверхностью. Поэтому при расчете рельсового торможения следует учитывать некоторый эквивалентный зазор. Чем больше загрязнен рельс, тем большим должен быть приведенный зазор. В целях быстрого введения в действие тормозов зазор должен быть невелик и при отсутствии торможения (порядка 10 - 12 мм), что предъявляет весьма жесткие требования к состоянию пути.

Так как коэффициент трения стали о сталь резко па­дает с увеличением скорости, то и тормозная сила рель­сового тормоза резко уменьшается с увеличением ско­рости.

В связи с такими неопределенными характеристиками рельсового тормоза он нашел применение в основном как аварийный тормоз и для удержания подвижного состава на остановке.