Торможение на ЭПС. Классификация тормозов

Сопротивление движению поезда, рассмотренное выше (см. 4.2), является естественной неуправляемой силой, возникающей в процессе движения. Снизить скорость до необходимого значения или поддержать её на определённом уровне при движении по спуску можно только за счет приложения к поезду искусственных сил. Сумму всех искусственных сил, приложенных к поезду и направленных навстречу Движению, называют тормозной силой.

4.9.2. Системы торможения

Системы торможения, используемые на железнодорожном транспорте различны по способу создания тормозной силы. Они подразделяются на две группы: механические и электрические.

При механическом торможении искусственно создается тормозной момент, приложенный к колесной паре. Такая система используется как на локомотивах всех видов тяги, так и на вагонах.

Электрическое торможение может быть электродинамическим и электромагнитным. Электродинамическое торможение основано на принципе обратимости электрических машин: любая электрическая машина может работать двигателем и создавать движущий вращающий момент, и генератором, создавая тормозной момент, приложенный к колесной паре через тяговую передачу от ТД. Электрическое торможение возможно на любом локомотиве, оборудованном тяговыми электродвигателями.

В свою очередь, электрическое торможение может быть реостатным, когда выработанная ТД электрическая энергия гасится в специальном наборе резисторов, образующих тормозной реостат, и рекуперативным, когда эта энергия, возвращается в контактную сеть. Рекуперативное торможение может быть осуществлено только на ЭПС, возможность его применения является одним из преимуществ электрической тяги.

Электромагнитное торможение осуществляется за счет взаимодействия электромагнита, установленного на ЭПС, с рельсами. Этот вид торможения называют еще магниторельсовым, им оборудованы скоростной электропоезд ЭР200, на котором он выполняет роль дополнительного (аварийного) тормоза, а также моторные вагоны современных трамваев.

4,9.3. Механическое торможение

Основным видом механического торможения, применяемого на железнодорожном транспорте, является колодочное, при котором колодка прижимается к бандажу колесной пары, создается сила трения между колодкой и бандажом, образующая тормозной момент.

К другим видам механического торможения относятся дисковое и барабанное. Дисковое использовано на электропоезде ЭР-200, а барабанное — на трамвайных вагонах современных типов. Подробно с этими системами можно ознакомиться в [1, 2].

4.9.4. Образование тормозной силы при механическом колодочном торможении

Если к вращающейся колесной паре в направлении против часовой стрелки (рис. 4.44, а) прижать колодку силой К, то возникнет сила трения, приложенная к колодке в направлении вращения B₁. По первому закону Ньютона она будет. равна силе, приложенной к колесной паре В₂, причем

|, (4.95)

где φ-— коэффициент трения колодки о бандаж.

Рис. 4.44

Сила B₂ уравновесится силой В₂', приложенной к колесной паре по ее оси: . Пара сил В₂—В₂' образует момент М_К.П, который направлен по часовой стрелке, то есть против направления вращения, а следовательно, является тормозным:

, (4.96)

или с учетом (4.95),

. (4.97)

Если предположить, что колесная пара не опирается на рельсовый путь, то под действием момента М_К.Пее вращение будет замедляться, но тормозной силы не возникнет.

Если же в месте контакта колеса и рельса действует вертикальная .сила G_KП (рис. 4.44,6), то момент М_к._п можно заменить парой сил В₃—В₄, одна из которых (В₃) уравновешивается силой сцепления Т, адругая (S₄) действует от оси колесной пары на раму тележки и направлена навстречу движению, то есть является тормозной силой. Иными словами, тормозная сила будет существовать, пока не нарушено сцепление колес с рельсами, то есть если выполняется условие:

(4.98)

Если это неравенство будет нарушено, то колесная пара прекратит вращение и будет скользить по рельсовому пути. Это явление называют юзом. В результате возникновения юза материал бандажа за короткий промежуток времени износится и появится так называемый «ползун» (рис. 4.45) — нарушение нормальной формы колес по окружности. Заметим, что при ползуне размером h=0,7 мм дальнейшая эксплуатация колесной пары запрещается, она подлежит обточке.

Рис. 4.45

Тормозную силу при механическом колодочном- торможении могут создавать колесные пары как локомотива, так и вагонов. Полная величина тормозной силы поезда

, (4.99)

где N_П — количество тормозных осей локомотива и состава.

В качестве материала для колодок используют чугун или композицию из различных материалов (бакелит, эбонит, каучук, асбест и т. д.); которые имеют больший коэффициент трения и в меньшей степени подвержены износу.

Коэффициент трения рассчитывают по эмпирическим формулам:

(4.100)

для стандартных чугунных колодок и

(4.101)

для композиционных колодок.

В формулах (4.100) и (4101) К — сила нажатия колодки на бандаж, кН; V— скорость движения, км/ч.

Управление механическим тормозом осуществляют с помощью сжатого воздуха, который создает силы нажатия тормозных колодок на бандажи колесных пар. Поэтому часто эту систему торможения называют пневматической.

4.9.6. Электрическое торможение

При электрическом реостатном торможенииТД работает в генераторном режиме, а выработанная им электрическая энергия потребляется тормозным реостатом, то есть превращается в тепловую энергию и рассеивается в окружающую среду.

Представим себе, что ТД развивал вращающий момент, направление токов и противоЭДС соответствовало изображенному стрелками на рис. 4.46, а. ТД развивал вращающий момент, направленный по часовой стрелке, якорь вращался в том же направлении, ТД работал в режиме двигателя.

Если ТД отключить от источника энергии и замкнуть его цепь на резистор R_т (рис. 4.46,6), то произойдет следующее. Ток в цепи станет равным нулю, а небольшой магнитный поток Ф₀ сохранится вследствие так называемого остаточного магнетизма (рис. 4.47). В обмотке якоря сохранится ЭДС от остаточного магнетизма Е₀, которая определит появление тока в цепи I₀, в противоположном по отношению к двигательному режиму направлении от точки К к точке Н. Этот ток уменьшит магнитный поток до нуля, станет равным нулю ЭДС Е_0,, а следовательно, и ток. Якорь будет вращаться по инерции в прежнем направлении, но момента создавать не будет, так как I_я и Ф равны нулю.

Рис.4.46

Cледовательно, для осуществления реостатного торможения необходимо выполнить переключение в силовой цепи таким образом, чтобы ток, возникший в цепи, соответствовал бы по направлению току в обмотке возбуждения в двигательном режиме (рис.4.46, в).

При переключении концов обмотки возбуждения так, как показано на рис. 4.46, в, ЭДС в обмотке якоря Е₀ от вращения в магнитном потоке остаточного магнетизма Ф₀ вызовет появление тока в цепи ТД, направление тока I_в будет соответствовать его направлению в двигательном режиме (от точки Н к К), магнитный поток будет возрастать в прежнем направлении, будет происходить и рост тока в обмотке якоря. Направление тока в обмотке якоря будет иным, чем в двигательном режиме, а направление магнитного потока сохранится прежним. Следовательно, знак момента на валу ТД изменится на противоположный при вращении якоря в прежнем направлении, то есть он будет направлен навстречу вращению и будет тормозным М_т.

Процесс роста тока, магнитного потока и тормозного момента будет продолжаться до тех пор, пока противоЭДС не будет равна сумме потерь напряжения в замкнутой цепи:

(4.102)

Отсюда

(4.103)

Тормозная сила (по аналогии с силой тяги) одного КМБ (4,104)

Электромеханические характеристики на ободе колеса при реостатном торможении и разных значениях сопротивления резистора R_T будут иметь вид, представленный на рис. 4.48, а, а тормозные характеристики В(V) — на рис. 4.48, б, причем R_T1>R_T2>R_T3

Регулирование тормозной силы осуществляют изменением величины сопротивления тормозного резистора, в качестве которого на ЭПС постоянного тока используют пусковой реостат (см. 4.8.9). Реостатное торможение возможно осуществить при -независимом возбуждении ТД; в этом случае регулирование тормозной силы производят изменением тока в обмотке возбуждения, питание которой осуществляется от отдельного источника энергии.

Рис.4.48

При рекуперативном торможении на ЭПС постоянного тока ТДработают в генераторном режиме, вырабатывают электрическую энергию, которая через тяговую сеть потребляется другими электровозами, работающими в тяговом режиме.

Как было рассмотрено выше, на ЭПС постоянного тока преимущественно используются ТД с последовательным возбуждением, по своим свойствам такой двигатель не может автоматически перейти в режим генератора, так как его скоростная характеристика не пересекается с осью ординат (см. рис. 4.28). Свойством автоматического перехода из двигательного режима в генераторный обладают двигатели с независимым возбуждением (см. рис.4.31). Как только скорость движения превысит значение при I=0, ток якоря, а следовательно, и касательная сила на ободе колеса по (4.67) также будет иметь другое направление, то есть из тяговой превратится в тормозную. Поэтому для рекуперативного торможения необходимо выполнить перевод ТД с последовательного на независимое возбуждение. На примере двух ТД (рис. 4.49) показана такая схема в упрощенном виде. Обмотки возбуждения ТД получают питание от специального двигатель-генератора (Д—Г), двигатель которого подключается под напряжение контактной сети. Этот агрегат называют преобразователем или возбудителем. Схема рекуперации на реальном электровозе имеет более сложный вид, что определяется необходимостью обеспечить устойчивость режима торможения и равномерно распределить токи по ТД. Эти вопросы будут рассмотрены в специальных дисциплинах на старших курсах.

Рекуперативное торможение возможно на каждом из предусмотренных на электровозе соединений ТД (С, СП и П), однако до полной остановки поезда его применить не удается, так как сумма ЭДС ТД, включенных последовательно, при V=0 равна нулю, а ТД подключены к контактной сети с напряжением U_с, то есть ток I_я необходимо иметь в виду, что рекуперативное торможение возможно лишь при наличии потребителя выработанной им энергии. Так как тяговые подстанции постоянного тока в своем подавляющем большинстве не имеют возможности преобразовывать постоянный ток в переменный, то таким потребителем (или потребителями) могут быть только электровозы, работающие в тяговом режиме —цепь тока рекуперации должна, быть замкнутой. На рис. 4.49 показана упрощённая схема работы двух электровозов, находящихся между тяговыми подстанциями, один из которых, двигаясь по спуску, рекуперирует, энергию, а другой, двигаясь по подъему, ее потребляет.

Если тяговые подстанции оборудованы преобразователями, которые могут работать как в режиме выпрямления, так и в режиме преобразования постоянного тока в переменный (инвертирование), то появляется возможность использования рекуперированной энергии потребителями на стороне переменного тока, то есть нетяговыми потребителями общего назначения.

Инверторы устанавливают только па ТП участков с очень тяжелым профилем, когда образуется избыточная энергия рекуперации, то есть энергия, которую потребить электровозы, работающие в режиме тяги, не могут. Инверторы пока достаточно дороги, сложны и требуют тщательной настройки и регулировки.

Рис.4.49