Скоростные поезда

Остановить вовремя

Один старый опытный автомобилист говорил так: «Когда я подхожу к новому автомобилю, на котором мне предстоит поехать, я обращаю мало внимания на подвеску, не очень старательно проверяю работу двигателя… Но тормоза… Тут от моего внимания не ускользает ни одна маленькая деталь. Ведь от их исправной работы зависит жизнь…». Может быть, он несколько преувеличил, говоря о невнимании, с которым относится к работе двигателя или подвески, но лишь для того, чтоб подчеркнуть серьезность, с какой надо относиться к тормозам. Что же оказать о том значении, которое имеет надежность и эффективность тормозов для современных скоростных поездов, когда составы мчатся значительно быстрей автомобилей, и не одна, а сотни жизней могут зависеть от того, насколько быстро остановится поезд?

В том комплексе проблем, которые решают конструкторы, создавая скоростные поезда, проблема торможения является одной из ведущих. В популярной книге Г. Гюнтера «Железная дорога», изданной в нашей стране в 1930 г., говорится, что путь, пройденный скорым поездом с начала торможения до полной остановки, составляет довольно значительное расстояние — около 500 м.

За годы, прошедшие с тех пор, изменилось многое. И тормозные пути скорых поездов тоже. При скорости 120 км/ч и очень незначительном уклоне тормозной путь составляет 1200 м. Это при том условии, что поезд оборудован чугунными колодками и пневматической системой тормозов, т. е. так же, как и десятки лет назад. Задача номер один — сокращение длины тормозного пути. Но не любым способом. При резком торможении даже в троллейбусе люди валятся друг на друга, что же будет с ними в мчащемся поезде?

Максимальная величина замедления, которую человек переносит без неприятных ощущений, равна 1,5 м/сек². При этом замедлении человек еще может передвигаться по вагону, а посуда в вагоне-ресторане не слетает со столов. И все же 1,5 м/сек² — это для экстренного торможения; при эксплуатационном величина замедления не должна превышать 1,2 м/сек². Тормозные механизмы должны быть достаточно мощными и, кроме того, необходимо предусмотреть устройства для отвода тепла. Вот все эти проблемы и встали перед конструкторами.

Прежде всего надо было найти замену старому испытанному материалу для тормозных колодок — чугуну. Чугунные колодки честно служили при небольших скоростях движения; с увеличением скоростей стала обнаруживаться их несостоятельность. Нужен был материал, коэффициент трения которого мало зависел бы от скорости, усилия, с которым прижимается колодка, погоды. Он должен был иметь износостойкость, превышающую износостойкость чугуна в 2–3 раза, необходимую прочность и теплостойкость. Последнее свойство имеет особо важное значение. (При высоких скоростях торможение сопровождается тем, что поверхностные слои чугунных колодок плавятся, пленка жидкого металла действует как смазка, и коэффициент трения снижается до недопустимо малых величин.) Кроме всего этого, колодки из такого материала должны были бы гарантировать мягкое, спокойное торможение.

Ученые начали искать материал, который мог бы удовлетворить всем этим требованиям. Несколько лет назад в результате совместной работы многих научно-исследовательских институтов, появились так называемые «композиционные» колодки. Их основной материал — асбест, а для того, чтобы колодка обладала необходимыми механическими и физическими свойствами, в состав их вводят самые разные компоненты: каучук, железный сурик, бакелитовую и эпоксидную смолы, чешуйчатый графит, окись цинка и т. д. Асбестовая колодка значительно лучше чугунной. У нее выше коэффициент трения; при большой скорости и увеличении тормозного усилия он снижается не так резко. Тормозной путь сокращается, а торможение проходит плавно и без рывков. Не надо применять особые устройства — скоростные регуляторы, которые меняют усилие нажатия в зависимости от скорости. Служит композиционная колодка в 3–4 раза больше чугунной, а весит в 3 раза меньше.

Однако и у композиционных колодок есть существенный недостаток — низкая теплопроводность. Колеса, схваченные этими колодками, очень сильно нагреваются, поверхность катания их при этом портится. Поэтому необходимо было принципиальное решение, которое освободило бы поверхность катания колес от воздействия на них тормозных усилий. Таким решением явились дисковые тормоза.

Колодочные тормоза для вагонов и автомобилей пришли из глубокой старины, еще со времен карет. Модернизируясь, они дошли до наших дней. Но нынче и в автомобилях и в поездах колодочные тормоза уступают место дисковым. На ось колесной пары напрессовывают стальные ступицы, а к ним болтами и специальными втулками крепят чугунные диски. Это один элемент фрикционной пары. Второй — накладки из композиционного материала. При торможении накладки плотно прижимаются к дискам. Тепло, которое при этом возникает, через поверхность дисков (значительно большую, чем поверхность колодок) рассеивается в воздухе. Диски изнашиваются в той же степени, что и колеса — поэтому менять их можно одновременно.

Дисковые тормоза легче колодочных на 30–35 %. Почему это так? Между диском и накладкой более высокий коэффициент трения, чем между колодками и колесами. Изнашиваются и диски, и накладки очень мало. Поэтому рычажная передача, через которую усилие передается к дискам, имеет сравнительно небольшой ход, и не нужно регулировать силу торможения в зависимости от износа тормоза. Не надо менять тормозные накладки, и нет пыли от чугунных тормозных колодок, которая портит вагоны и ухудшает изоляционные свойства систем сигнализации и связи.

Как бы ни были хороши дисковые тормоза, у них есть принципиальный недостаток, присущий любой системе тормозов, воздействующих на колесо. Сила, с которой действуют на него диски или колодки, не должна превышать силу сцепления колеса с рельсом, иначе начнется скольжение. Поэтому даже ту величину замедления при торможении, которую человек переносит без вреда, — 1,5 м/сек² — получить нельзя. В поезде Ленинград — Москва, движущемся со скоростью 160 км/ч, удалось получить замедление, равное лишь 0,7 м/сек².

Для того чтобы избавиться от этого недостатка, применяют противоюзные устройства и автоматические регуляторы тормозного нажатия. Этот механизм позволяет повышать тормозное усилие до предела, равного силе сцепления колеса с рельсом. Выше этого подняться уже нельзя. А между тем коэффициент сцепления колес с рельсами величина нестабильная, уменьшающаяся с повышением скорости. Опять-таки потребовалось принципиальное решение — тормоза, эффективность действия которых не зависит от силы сцепления колес с рельсами. Для этой цели можно использовать воздушное-сопротивление, можно даже реактивные двигатели, можно, наконец, магнитно-рельсовые тормоза. Именно эта конструкция привлекает к себе пристальное внимание инженеров. При испытаниях в ФРГ поезд с магнитно-рельсовыми тормозами, мчащийся со скоростью 150 км/ч, проехал после включения тормозной системы всего 425 м. Как же выглядит и действует такой тормоз?

Между колесами тележки установлены башмаки, в верхней части которых помещены обмотки электромагнитов (рис. 4).

^{Рис. 4. Устройство магнитно-рельсового тормоза: 1 — башмаки; 2 — пневматические цилиндры; 3, 5 — трубки сжатого воздуха; 4 — провода; 6 — электромагнитный клапан; 7 — кран машиниста; 8 — реле.}

Расстояние от головки рельса до низа башмака 130 мм. Башмаки прикреплены к штокам пневматических цилиндров, соединенных с магистралью сжатого воздуха. Когда машинист поворачивает рукоятку крана в позицию экстренного торможения, ток от батареи идет в цепь, электромагнитный клапан вступает в действие, и поршни несколько прижимают башмаки к рельсам. При этом вступает в действие реле, через которое идет ток к магнитам башмаков, и они прижимаются к рельсам с гораздо большей силой — от 2500 до 12 000 кГ. Когда машинист поворачивает рукоятку назад, электромагниты обесточиваются, воздух через электромагнитный клапан выходит из цилиндров, и башмаки под действием пружин поднимаются вверх.

Тормозной путь французского поезда из четырех пассажирских вагонов с электровозом ВВ9291 составляет при использовании пневматических дисковых тормозов 2500 м. Применение магнитно-рельсового тормоза позволяет сократить эту величину до 1400–1700 м. Электрический и дисковый тормоза применяются в режиме служебного торможения. Магнитно-рельсовый тормоз включается только при экстренном торможении.

И колодочные, и дисковые, и магнитно-рельсовые тормоза действуют по одному принципу — использованию силы трения. Но опять-таки возможен совершенно иной метод — электрическое торможение. Современные скоростные электропоезда оборудуются подобными устройствами, и в некоторых случаях фрикционное торможение отступает на второй план. Его применяют лишь тогда, когда поезд движется с небольшой скоростью. Особо широко применяется на высокоскоростных локомотивах электрическое реостатное торможение. При этом способе тяговые двигатели включаются для замедления хода на постоянное сопротивление. Мощность реостатного торможения может быть доведена до часовой мощности локомотива и даже стать больше ее.

Испытания реостатного торможения на электровозах и тепловозах, мчащихся со скоростью 160 км/ч, показали, что система эта по эффективности превосходит обычное фрикционное торможение. Тормозной путь электровоза ЧС4, снабженного тормозными сопротивлениями мощностью 5000 квт, составил при начальной скорости 160 км/ч 1200 м. Если пневматические и реостатный тормоза действуют совместно, давая замедление 0,5 м/сек², на долю последнего приходится 30–50 % общего тормозного усилия.

Итак, все эти новые конструкции и системы, действуя порознь или совместно, обеспечивают плавное, мягкое и быстрое торможение.