ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИННОВАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТОРМОЗНЫХ СРЕДСТВ ПОЕЗДА

При развитии скоростного движения пассажирских поездов, всегда актуальна проблема обеспечения безопасности движе­ния, залогом которой в данном направлении является адекватность сил тяги и торможения. В тоже время увеличение мощности послед­них требует отхода от классических схем торможения к новым типам тормозов, который возможен за счет внедрения тормозных систем бесконтактного действия. К таким системам мож­но отнести вихретоковые тормоза (ВТ) в линейном (ЛВТ) и вращающемся (ВВТ) исполнении.

Рисунок 1. Принцип действия вихретокового тормоза

Во время движения поезда (V > 0) магнитное поле становится нестационарным. Согласно закону электромагнитной индукции возникает электродвижущая сила индукции (э.д.с.). Под действием э.д.с. появ­ляется вихревой ток, магнитное поле кото­рого имеет противоположное направление относительно основного магнитного поля, создаваемого соленоидами. Это приводит к ослаблению поля в той половине полюс­ных сердечников, которая расположена по направлению движения, и к соответствую­щему усилению поля в сердечниках, которые находятся с противоположной стороны (против направления движения). В результа­те усилие притяжения (магнитная сила F) отклоняется от вертикали и раскладывается на две составляющих: силу притяжения F_A и тормозную силу F_B.

На высокоскоростных поездах IСЕ 3 (Inter Сitу Ехргеss, Германия) установлен линейный вихретоковый тормоз (ЛВТ), производства компании Кnогг-Вгеmsе.

Рисунок 2. Общий вид ЛВТ тележки поезда IСЕ 3

Конструктивное исполне­ние ЛВТ (рис. 2) состоит из жесткой рамы (1), к которой крепится поводок для передачи тормозного усилия на раму (2) и резиновые амортизаторы (3), через которые усилие от жесткой рамы передается на бук­сы (4). Жесткие рамы соединены между со­бой поперечными балками (5), к которым крепятся компоненты дискового тормоза. Башмак (6) опускается на рабочую позицию (зазор между башмаком и рельсом стано­вится равен 7 мм) над рельсом при помощи пневмобаллонов подвески (7).

Тормозные магниты получают питание через тиристорный выпрямитель и промежу­точный трансформатор от общей поездной шины, напряжение на которой 1ООО В. В слу­чае если питание прерывается, они автома­тически переключаются на аккумуляторную батарею.

Тормозная сила, создаваемая этим тормо­зом, не зависит от коэффициента сцепления колеса с рельсом, так как башмак не касается головки рельса, но существенное влияние на тормозную силу ЛВТ оказывает величина зазора между баш­маком и головкой рельса (в пределах 5 - 7 мм), что конечно предъявляет определенные требования к инфраструктуре железных дорог.

Принцип работы вращающегося вихретокового тормоза ВВТ тот же, что и в линейном исполнении (рис. 3). 

Рисунок 3. Схема вращающегося вихретокового тормоза

При вра­щении колесной пары с высокой частотой ротор (1) вращается параллельно магни­там (2), которые расположены в корпусе (3) с чередованием северного и южного по­люсов. Между магнитами и ротором воз­никают вихревые токи, которые создаютсилы, направленные против вращения ро­тора. За счет этого колесная пара начина­ет тормозить. Стоит отметить, что в ЛВТ роль приемщика тепла играл рельс. В ВВТ таким приемщиком является ротор. Кор­пус может крепиться к раме тележки или размещаться на колесной паре. Поскольку внешняя тормозная сила у ВВТ реализует­ся в точках контакта колес с рельсами, то ему присуще ограничение по сцеплению, в отличие от ЛВТ.

Инновационные технологии в области магнетиз­ма открывают новые пути развития желез­нодорожного транспорта. ЛВТ и ВВТ в широких пределах позволяют ре­гулировать силу сопротивления движению подвижного состава изменением силы тока в катушках тормозного башмака, торможение реализуется без износа, что делает вихретоковую концепцию особенно интересной для высокоскоростного движе­ния. Вихретоковые тормоза более экономичны и экологичны, чем фрикционные. Однако внедрение ЛВТ и ВВТ (в меньшей степени) требует суще­ственных финансовых вложений в инфра­структуру железной дороги.

Наряду с инновационными разработками тормозов, системой обеспечивающей базовые условия безопасности движения в каждом поезде остается автоматический колодочный (дисковый) тормоз. Тормозная сила поезда при использовании сил трения между колодкой и колесом во многом зависит силы нажатия колодки и величины коэффициента трения. Если силу нажатия колодки при современных тормозных системах можно регулировать, изменяя давление в ТЦ, то коэффициент трения тормозной колодки величина не постоянная и зависит, как от материала, из которого она изготовлена, так и скорости движения.

Современный подвижной состав в основном оборудован двумя типами тормозных колодок: чугунными и композиционными. Как те, так и другие относительно друг друга имеют ряд преимуществ и недостатков. Например, композиционные имеют более высокий и более стабильный коэффициент трения, но уступают чугунным колодкам по степени теплопроводности. Чугунные обладают хорошей теплопроводностью, но имеют низкий коэффициент трения, особенно при больших скоростях и низкую износостойкость. Эти недостатки усугубляются с увеличением скоростей движения подвижного состава и величины средней осевой нагрузки. Поэтому перспектива развития железнодорожного транспорта требует разработки новых фрикционных материалов, которые должны обеспечивать стабильный коэффициент трения во всем диапазоне скоростей и нажатий на колодку, обладать повышенной износостойкостью и исключать изменение структуры металла колеса.

На некоторых зарубежных железных дорогах (например, в Чехии) разработаны и применяются металлокерамические тормозные колодки на медной основе. Опыт эксплуатации показывает, что такой вид фрикционного материала обладает более высокой износостойкостью и  более стабильным коэффициентом трения по сравнению с композиционными тормозными колодками, применяемыми на подвижном составе Российских железных дорог.    Основным препятствием для эксплуатации металлокерамических тормозных колодок на медной основе на подвижном составе Российских железных дорог является их высокая себестоимость, которая определяется составом материала.

Российское предприятие ООО «НТЦ Информационные Технологии» проводит разработку новой тормозной колодки из металлокерамического материала ФМТК на основе железа. Такой вид фрикционного материала уже на первоначальном этапе дает возможность снизить себестоимость по сравнению с металлокерамикой на медной основе более чем в пять раз. Результаты испытаний показывают, что износостойкость разработанного металлокерамического материала выше материала стандартных тормозных колодок примерно в 3 – 4 раза, а по сравнению с металлокерамическими колодками на медной основе в 1,3 раза. Величина коэффициента трения материала ФМТК на 10% больше чем у колодок из композитных составов.

Согласно технико-экономических расчетов, при замене металлокерамическими колодками стандартных чугунных на пассажирских вагонах окупаемость их составит 0,62 года, а при замене металлокерамикой полимерных композиционных колодок на грузовых вагонах – 3,06 года.

Все это дает широкие перспективы в решении задач транспорта по повышению скоростей движения, эффективности его работы, снижению эксплуатационных и экономических затрат.

Список литературы:

1. Локомотивные энергетические установки [Текст]: учеб./ под ред. А.И.  Володина. – М.: Желдориздат, 2002
2. Локомотив [Текст]: ежемесяч. производ. и научно-популярн. Журн./ учредитель ОАО «РЖД». – 2017
3. Техника железных дорог [Текст]: журн./ при поддержк. ОАО «Союз машиностроителей России. – 2015