Почему поезд не сходит с рельс
Если представить себе поезд и подумать, почему он не сходит с рельс, первая мысль, которая возникает – это происходит потому, что он удерживается выступами на внутренних частях колес. Но если бы действительно было так, такие выступы постоянно терлись бы об рельсы, вызывая сильный скрежет.
И такого не происходит именно потому, что выступы к колесу не прикасаются. Они нужны только для предотвращения заносов во время поворотов, и никак не влияют на процесс схождения или не схождения с рельс.
Что представляет собой колесо поезда
Стоит разобраться, как устроены колеса поезда, чтобы понять, каким образом они держатся на рельсах. Важными особенностями этих компонентов состава являются:
Получается, что не вся плоскость соприкосновения колеса лежит непосредственно на рельсе. Примечательно, что форма этого компонента конусная, а не цилиндрическая.Конус более широкой частью обращен внутрь, а узкой – наружу. В результате, во время езды состава сила тяжести одновременно оттягивает колесо вниз и внутрь. Именно благодаря силе притяжения оно и удерживается на рельсе.
Колеса поезда удерживают его на рельсах
Когда поезд поворачивает, слышится характерное поскрипывание потому, что выступы на колесах прижимаются к рельсам. Именно благодаря конусной форме колесных пар вагоны могут поворачивать. Оба колеса закрепляются на одной цельной оси. Конус обеспечивает легкий наклон вагона, который происходит во время поворота. Колесная пара от центра поворота смещается за счет воздействия центробежной силы.
Потому тогда, когда поезд поворачивает налево, правое колесо наезжает на рельс более широкой частью. А левое, в свою очередь, смещается и наезжает более узкой частью. Следовательно, диаметр правого колеса становится больше, как и путь, который он проходит, превышает проходимый левым. Диаметр последнего, соответственно, уменьшается. Благодаря этому колесная пара поворачивает. Колеса поезда устроены просто, но вместе с тем, именно благодаря им обеспечивается удержание состава на рельсах, предотвращаются аварии.
Что удерживает поезд на рельсах
Как-то в Испании ехал из Мадрида в Барселону на поезде — пуле, ехавшем со скоростью 300 километров в час. Задумался над вопросом, а как интересно поезд на такой скорости может ехать так тихо. Меня занимал не столько вопрос что не стучат колеса — это объясняется бесшовной сваркой путей, но как получается так, что колеса на такой скорости не пищат. Начал задумываться над вопросом, а как поезд вообще едет и не сходит с рельсов. 99% людей в том числе и я поначалу полагают, что поезд удерживают на рельсах особые выступы на колёсах, которые и не дают поезду слететь с рельс. Однако размышлял я, если сама поверхность колеса катиться по рельсе и тут вопросов не возникает, то выступы находятся по бокам рельсы и когда поезд хочет соскочить с рельсы этот выступ трется об рельсу упираясь в неё и тогда по логике должен возникать дикий писк, более того как от точильного станка должен идти сноп искр. Если бы эти выступы терлись постоянно то поезд должен был бы ехать громче ракеты и как пылать как факел снопами искр из под колёс на такой скорости. С другой стороны поезд не может катиться идеально ровно, даже малейшее дуновение ветра его бы кидало выступом на рельсу и рождало бы описанный выше эффект. Но этого всего нет. Значит дело не в этом. Ответ содержится в самом колесе поезда. Всё как обычно ещё проще чем кажется. Колеса поезда конусообразные если к ним присмотреться. То есть поезд стоит на рельсах не плашмя колесами, а как бы более толстыми основаниями конусов к центру и более тонкими наружу. Таким образом сила притяжения тянет поезд вниз и вместе с тем тянет его как бы внутрь колеи и вниз — эта сила на самом деле и держит поезд на рельсах. А выступы на колесах лишь для безопасности, когда во время поворотов поезд сильно накреняется и силы конусов не достаточно, тогда он упирается в рельсу выступом, как раз тогда мы и слышим писк этого трения. Поэтому он обычно возникает именно при поворотах поезда.
Недавно посмотрел видео одного знаменитого физика, как раз на эту тему. Он ещё больше расширил моё понимание этого процесса. В отличии от колёс автомобиля оси которого не цельные, а разрезаны на две части и между ними установлен дифференциал, оси у поезда цельные. По сути о чём тут речь — вопрос о том как они поворачивают. Если посмотреть на траекторию поворота то всегда видно, что внутренние колеса делают меньше оборотов — так как длина внутренней колеи меньше внешней, а внешние колеса делают больше оборотов — проезжая большую дистанцию — за счёт дифференциала это и возможно. Если бы ось была цельной — колеса могли бы вращаться только вместе, а поскольку у каждого своя полуось машина и может поворачивать. А как же с поездом, его колеса находятся на цельной оси, но в тоже время там такой же закон — внешняя колея длиннее, чем внутренняя. Как же внешние колеса могут сделать больше оборотов чем внутренние. Тут нам и помогают наши конусы — поезд просто наклоняется в повороте и при наклоне внешние колеса от центробежной силы выносит наружу поворота и колесо перемещается на более толстый участок конуса, а внутреннее наоборот съезжает с рельсы более внутрь на более тонкий участок конуса и получается, что внешнее колесо становиться большего диаметра и может при том же количестве оборотов проехать большую дистанцию, а внутреннее наоборот при том же количестве оборотов проехать меньшую дистанцию. Так поезд и поворачивает.
Как поезд проходит путь от станции до станции: особенности маршрутизации
Архитектура железной дороги — вещь достаточно интересная с точки зрения принципов маршрутизации. Есть перегон — некий линейный маршрут от одного узла до другого, например, от обгонного пункта до станции. По перегону поездам можно следовать только по очереди, не обгоняя друг друга и не «соприкасаясь». Маршрутизация по большей части производится на раздельных пунктах. То есть на перегоне можно только ехать или стоять.
Он разделён на блок-участки. Блок-участок — это маленький отрезок перегона, чаще всего от светофора до светофора. В обычной ситуации на одном блок-участке может находиться только один поезд. То есть если на блок-участке сейчас кто-то есть, в его начале горит запрещающий сигнал, не позволяющий следующему поезду заехать на него. А на блок-участке до этого горит жёлтый, ограничивающий максимальную скорость.
Понятное дело, бывают исключения вроде ситуации, когда нужно вытолкать с блок-участка электричку, оставшуюся без питания (и нужно заехать под красный), но мы сейчас будем говорить про то, как устроено в упрощённых случаях.
Сигналы
Машинист в кабине получает в свой мозг сигналы. Правильно реагируя на них, он может провести поезд безопасно и вовремя.
Светофоры можно увидеть. Изредка попадаются семафоры (это которые машут, а не светят), ещё можно увидеть щиты, фонари, флаги и так далее. Свистки локомотива, речевые информаторы, сирены и гудки можно услышать. Есть старые ветки типа Кувшиново, где вроде сохранился семафор, но я уже давно не работаю с машиной, поэтому не могу точно сказать.
Вот ещё пример: когда на участке работают путейцы, то вначале места работ ставится сигнальный знак — жёлтый щит. Он устанавливается от начала места работ. Если видишь такой — значит, там будут люди на путях. Действует ограничение скорости. Через некоторое время сигнальный знак круглый: «начало опасного места», потом «конец опасного места» — проехал конец, но не должен сразу разгоняться, потому что за тобой вагоны. Нужно, чтобы все выехали с прежней скоростью, и только потом знак зелёного щита — можно разгоняться.
Фонарь — это ночная версия флага. А флаги вы могли видеть у проводников. Как только посадка закончена — машут зелёным флагом. Бабушка с тележкой провалилась под платформу — красный флаг. А ночью красный фонарь. Помощник видит красное и не отправляется.
Звук — например, когда локомотив свистит три раза, он собирается остановиться. Два раза — движется назад. Один — вперёд.
Отправляемся
Когда машинист хочет отправиться с начальной станции перегона, сначала дежурный по станции даёт разрешение. Вообще, очень много что делается вручную, потому что требует контроля. Те же стрелки обычно управляются с пульта, автоматическая (диспетчерская централизация) редко применяется. Но конкретно со станции можно уйти и по ещё одному набору условий: если открыт выходной сигнал, и настало твоё время в расписании. По факту диспетчер и открывает выходной сигнал. То есть чаще всего — включает зелёный сигнал светофора. И сразу же дублирует команду по радиосвязи в кабину — «Выходной сигнал открыт» (не всем, обычно скоростным поездам). Машинист обязан подтвердить получение приказа диспетчера на отправление поезда повторением голосовой команды — «Принято. Выходной сигнал открыт. Отправляемся». Ну а если диспетчер не вызвал — просто едет.
Дальше поезд должен линейно проследовать через перегон, но при этом не приближаясь слишком близко к идущему перед ним составу:
Когда поезд проезжает светофор, он сразу переключается на красный. Это значит, что на данный блок-участок заезжать нельзя.
Переключение на красный выходного светофора на блок-участке (поезд ушёл с отрезка) переключает входной на жёлтый. Переключение выходного на жёлтый переключает входной на зелёный. Выходной светофор одного участка сам по себе является входным для следующего, и называется проходным светофором.
То есть на блок-участок с другим поездом заезжать нельзя. На участке за ним надо двигаться медленно. На участке через один можно двигаться с любой скоростью в рамках разумного и допустимого.
Эта система называется автоматическая блокировка, проще — автоблокировка. Когда-то давно давно была только трёхзначная, как выше. А ещё есть четырёхзначная, сейчас часто между жёлтым и зелёным добавляется ещё один промежуточный светофор с двумя огнями, жёлтым и зелёным. Он просто для информации, что следующий сигнал ограничивает. Чтобы скорость не подбавлял.
Перегон метрополитена, обратите внимание на показания светофоров. На примере метрополитена хорошо видно работу автоблокировки, хотя блок-участки в метрополитене гораздо короче, чем на железной дороге, но алгоритм срабатывания автоматики одинаков.
Принцип работы автоблокировки основан на передаче по рельсовой цепи кодированного электрического сигнала, соответствующего показаниям светофора. Сигнал кодируется в шифраторе, который можно найти в релейном шкафе у каждого светофора.
На автоблокировку завязана система автоматического управления торможением (САУТ). Она устанавливается на предвходных и входных светофорах. Она измеряет скорость движения подвижного состава в соответствии с сигналами светофоров. САУТ нужна для автоматического включения торможения на подвижном составе.
Устройство СЦБ (систем централизации, сигнализации, блокировки), трансформаторный ящик светофора.
Это первое поколение автоматики, сейчас она уже считается чуть ли не археологией, почти везде стоят КЛУБы. Из важного КЛУБ отличается от САУТа тем, что основной блок измерения и обработки находится в кабине, а не на светофоре.
Как локомотивная бригада узнаёт показания следующего светофора, ещё не видя его? В кабине каждого локомотива, электро-или-дизель-поезда установлен локомотивный светофор и дешифратор (сейчас это на КЛУБе). Приёмные катушки, расположенные на локомотиве снизу, над железнодорожными путями, считывают электромагнитные коды с рельсов и передают в дешифратор. Дешифратор, получая электрические импульсы, обрабатывает их и подает сигнал на локомотивный светофор. Так происходит передача автоматической локомотивной сигнализации (АЛС).
Через локомотив всегда идёт трафик со светофора.
То есть сигнал подаётся прямо по рельсам и считывается локомотивом с помощью первой колёсной пары, замыкающей цепь. Точнее, катушки над ней. Поезд, светофор и рельсы всегда образуют замкнутую цепь. Дальше поезда сигнал не идёт. Есть исключения с сразу двумя сигналами спереди и сзади, но это для особых ситуаций.
Если машинист ошибается или происходит какая-то авария, автоматическая сигнализация просто не даёт совершить потенциально опасное действие. Если поезд всё-таки прошёл красный запрещающий сигнал без разрешения диспетчера, то сработает АЛС. И поезд автоматически перейдёт в режим экстренного торможения для предотвращения столкновения или схода с рельс в случае неисправности пути.
Показания локомотивного светофора — цветные панели слева от шкалы скоростемера. Их читает не только человек, но и КЛУБ (комплексное локомотивное устройство безопасности). Эта система получает числовой код с рельс о показаниях впередистоящих светофоров. На фото фактическая скорость зелёная, красная — это допустимая на участке. Расстояние до цели — графа слева. Вместо слова «переезд» до светофора будет «светофора» и количество метров — 129, 90, 70. И красная скорость начнёт падать пропорционально расстоянию. Когда останется до сигнала 100 метров, она будет равна нулю. Ближе не подъехать. Если нужно заехать под красный — надо ввести специальную команду для выставления допустимой скорости на 20. КЛУБ по сложности комбинации понимает, что в кабине кто-то подумал, прежде, чем делать. Мы несколько раз использовали такой режим, и один раз «разведывая» кривой участок наткнулись за поворотом на хвост электрички, вставшей по срыву стоп-крана.
Какой сигнал показывается на впередистоящем светофоре, тот же дублируется и на локомотивном светофоре в кабине машиниста. Белый сигнал — следующий участок не кодируется.
Зелёный свет — следуй с установленной скоростью, загорелся жёлтый — внимание, проследовать светофор с жёлтым сигналом разрешается со скоростью не выше 60 км/час. Проезд красного сигнала — нарушение, со всеми вытекающими отсюда последствиями для локомотивной бригады (кроме ситуаций, которые по инструкции регламентировано разрешают это делать).
На малодеятельных участках железных дорог работает так называемая полуавтоблокировка. Там, на перегонах между станциями, нет проходных светофоров и блок-участков. Пока движущийся состав не проследует весь перегон полностью и не прибудет на следующую станцию, идущий за ним поезд, будет стоять на станции и ждать, на перегон он не отправится. У нас в Подмосковье на Конаковской ветке такое было раньше.
Какова пропускная способность такого участка? Конечно, не очень высокая. Вот почему нужно отправлять больше пакетов! Так что автоблокировка и разбиение на блок-участки позволила в разы повысить пропускную способность железных дорог.
Светофоры бывают не только входные, выходные, проходные и маршрутные (проходные внутри станций), но и прикрытия для пересечения с другими линиями (например, трамвайными), заградительными (например, в местах частых обвалов — он стоит перед переездом, там дежурная по переезду включает из будки, надо сразу дать торможение), предупредительными (анонсируют следующий светофор), повторительные (на случай, если плохо видно основной в кривой) и так далее. Один светофор может совмещать несколько назначений (входной и выходной, выходной и маневровый, выходной и маршрутный и другие).
Приоритеты движения опережение подвижного состава
У пассажирского поезда приоритет. Когда нужно опередить товарный поезд, машинист пассажирского связывается для согласования опережения с диспетчером участка пути либо дежурным по станции. После согласования грузовой поезд останавливается на станции, пассажирский опережает его.
Приоритетов много. Высокоскоростные поезда бьют скоростных, скоростные бьют скорые, скорые бьют обычных пассажирских, обычные пассажирские важнее пригородных, и в конце грузовые. Ещё бывают всякие странные исключения вроде правительственных поездов, у которых приоритет превышает максимальное значение int.
Когда опережение нужно сделать не на станции, а на перегоне, тогда машинист совместно с дежурным диспетчером блок-участка пути выбирает удобный для опережения участок. Для этого у машиниста есть карта профилей перегонов, чтобы выбрать наиболее удобный и безопасный участок пути для возобновления движения с места остановки с учётом веса состава.
Вот едет машинист на грузовом поезде с бензином, у него 60 вагонов. Диспетчер говорит — за тобой пассажирский, надо убрать тебя на обгон (но прямо так не скажет, а простой уберёт словами «маршрут на боковой путь»). Машинист будет выполнять. Карта профилей важна вот почему: если обгонный путь от станции, а длина у него всего 30 вагонов, то наш товарняк с бензином не влезет. Значит, дальше надо ехать до другого пункта, где уже можно поместиться.
На каждом перегоне для совершения опережения есть «правильное» и «неправильное» направление движения. В правильном направлении поезда движутся по светофорам. А в неправильном направлении (встречном) движутся не по светофорам, а по показаниям АЛС в кабине локомотива. Смена направления движения по перегону возможна в исключительных случаях и только при участии двух дежурных по станциям (ДСП), контролирующих данный перегон.
Редкий случай на самом деле. Вот есть двухпутка. Правильный путь занят твоим поездом. Тебя берут на перегоне встречку, это «неправильный» путь. Всё встречное движение останавливается, ты едешь в гордом одиночестве, пытаясь понять что это было. Тут — ВЖУХ! — проносится опаздывающий куда-то Сапсан. Ну а в конце перегона снова заходишь на правильный. Да, там уже «пробка» из тех, кто должен был ехать в другую сторону, но маршрутизация по приоритетам есть маршрутизация по приоритетам.
Радиосвязь
Радиосвязью пользуются все: машинисты локомотивов, дежурные по станциям, поездные диспетчеры, начальники пассажирских поездов, дежурные по депо и так далее, практически все службы. Диапазоны КВ и УКВ.
За радиосвязь на железных дорогах отвечает служба связи — ШЧ и региональные центры связи — РЦС. При производстве маневровых работ общение происходит точно так же, но на другой частоте, чтобы маневровая работа не мешала поездной. На случай отказа или сбоя, всегда существуют резервные диапазоны и каналы. Если на локомотиве полностью отказывает радиосвязь, то машинист обязан довести поезд до первой станции, там остановить состав, устно сообщить о проблеме дежурному по станции, и совместно с поездным диспетчером принимается решение о дальнейшем следовании данного поезда с локомотивом, имеющим исправную радиосвязь. Диспетчер может дать приказ, как следовать с неисправной связью.
Все радиостанции дают вести радиопереговоры на больших расстояниях и со всеми причастными. Машинисты поездов могут разговаривать между собой, с дежурными по станциям, с поездным диспетчером, с начальником поезда, без всяких помех и проблем. У Сапсанов своя частота, их слышат теперь не все желающие.
По радио можно вызвать врача или полицию с ближайших станций.
Из Москвы можно было вызвать Петербург при желании. Только просто поговорить не выйдет: всё это пишется, если послать кого-то в эфире, будет резолюция и выговор.
Вот примерно так. Перегоны — это то, что между точками маршрутизации. Они разделены на отрезки блок-участков, на каждом из которых может быть в обычной ситуации только один поезд. Это снабжено системой автоматического контроля и проверяется разными людьми — как минимум машинистом и диспетчером. Всё безопасно и логично прямо на уровне протокола.
IT News
Last update Вс, 29 Янв 2017 11pm
Устойчивость поездов на рельсах
Теперь железнодорожные составы имеют значительно большую длину, и скорость, и вес по сравнению с первыми поездами, что ходили 160 лет тому назад. Но они имеют все те же стальные колеса с выступом на краю обода и катятся по чугунным рельсам все той же формы в виде латинской буквы I. Каждое поездное колесо имеет на внутренней стороне обода выступ размером в 1 дюйм.
Именно эти выступы и направляют колеса по рельсам, будь то прямой участок или закругление пути. Железнодорожное колесо и рельс так хорошо подходят друг к другу, то есть имеют такой маленький коэффициент трения, что если 40-тонный вагон пустить свободно катиться по горизонтальному пути со скоростью 60 миль в час, он проедет еще целых 5 миль до остановки. В то время как грузовик весом в 40 тонн с выключенным мотором и той же начальной скоростью сможет проехать до остановки около 1 мили.
Упругая опора для рельса
Рельс покоится на деревянных или бетонных шпалах, уложенных в основание из гравия. Как правило, длинные болты, проходящие сквозь пружинные скобы, удерживают рельс на положенном ему месте. Такая упругая система крепления способствует более мягкой езде.
Рельсовый стык
Когда рельсы состыкованы, между каждым их отрезком длиной 39 футов имеется небольшой зазор. Он-то и позволяет металлическим рельсам без помех расширяться при нагревании. Скрепленная болтами рельсовая накладка удерживает вместе соседние отрезки рельсов. Хотя в настоящее время на основных железнодорожных магистралях все отрезки на каждой стороне колеи свариваются в один рельс.
Сила тяги
Железнодорожный состав всем своим весом (через колеса) давит на рельсы. Катящееся колесо из-за трения сцепляется с рельсом и от этого в месте их соприкосновения возникает сила тяги, которая двигает состав вперед и на ровных участках и на подъемах. Вес плюс трение между рельс и катящимся колесом ведут себя так, что тянут состав вперед.
ц — коэффициент трения
Обгонные пути
Для того, чтобы движущийся поезд мог перейти с одной колеи на другую, такой переход должны сделать его колеса. И в этом им помогают переводочные железнодорожные стрелки. Направляющие рельсы позволяют колесам пересечь «крестовину», где встречаются обе колеи. Если поезд попадает на стрелку, двигаясь по картинке снизу вверх, то после стрелки он продолжит движение по прямой колее, нарисованной справа.
Движение на сгибах путей
Когда поезд движется по изгибу пути, на него действует так называемая центробежная сила, которая стремится вытолкнуть поезд с его колеи наружу. Чтобы оказать противодействие этой боковой силе, наружный рельс устанавливают выше внутреннего. Подобное превышение одного рельса над другим называется наклоном виража. Оно позволяет поездам не снижая скорости преодолевать закругленные участки пути.
Провес
Расстояние между рельсами на изгибах пути делают больше, чем на прямых участках. В результате этого уменьшается сила трения, которая действует на колеса, когда центробежная сила тянет вагон вбок, и заодно уменьшается износ рельсов.
Тележки на колесах
Неизвестный «Сапсан»: часть 1 — общий обзор конструкции электропоезда
Как-то, давным-давно, обещал я рассказать об электропоезде «Сапсан». Пришло время выполнить свое обещание.
Для начала скажу, что речь не пойдет о дороговизне билетов, расписании этого поезда, о его уместности в инфраструктуре Октябрьской железной дороги. Пройдем мимо хайповых тем. Речь пойдет сугубо о технической стороне вопроса, затрагивающей в частности и тормоза. Но не только их.
1. Немного общих цифр
Электропоезд «Сапсан» является локализованной версией семейства высокоскоростных поездов Velaro, на базе которого Siemens производит высокоскоростные поезда как для Deutsche Bahn (немецких железных дорог), так и много ещё для кого. У нас поезду дали обозначение ЭВС — Электропоезд Высокоскоростной Сименс. Дорога эксплуатирует два его варианта: ЭВС1 для участков, работающих на постоянном токе 3 кВ и ЭВС2 — двухсистемый электропоезд для сетей постоянного тока 3 кВ и переменного тока 25 кВ.
«Сапсану» присущи все характерные черты высокоскоростных поездов, сформировавшиеся за 56 лет эксплуатации этого вида транспорта в разных странах мира.
Во-первых, «Сапсан» — поезд постоянного формирования. В отличие от пригородных электропоездов («собак»), которые формируются из пар «моторный вагон + прицепной вагон» (плюс головные вагоны с кабиной управления), за счет чего можно формировать «электрички» разной длины, «Сапсан» является монолитной неразделяемой инженерной системой. Все вагоны в поезде эксплуатируются вместе. Поезд сформирован из десяти 4-х осных вагонов, средней массой 65 тонн, то есть масса поезда около 650 тонн, что соответствует статической нагрузке от одной колесной пары на рельс 16,3 тонн, при допускаемой для высокоскоростных поездов 18 тонн. Вагоны поезда цельнометаллические, с несущим кузовом.
Условно поезд можно разделить на две пятивагонные секции, симметричные по компоновке.
Компоновка электропоезда ЭВС1 для системы постоянного тока (кликабельно)
Каждый вагон в пятивагонной секции имеет свою «профессию»:
Другая секция из пяти вагонов, с 6-го по 10-й, устроена совершенно симметрично.
Что же, от общего обзора в стиле википедии, можно перейти к деталям.
2. Механическая часть
Самый ответственный элемент в механической части поезда — экипажная часть, а именно тележка. Именно она обеспечивает образование и передачу на кузов тягового и тормозного усилия, ее элементы непосредственно взаимодействуют с верхним cтроением пути. При движении на высоких скоростях именно тут происходят самые интересные динамические процессы.
На «Сапсане» используется два типа тележек: тележка моторного вагона, и тележка прицепного вагона. Принципиальным и главным отличием одной от другой является наличие и отсутствие тягового привода. Наличие тягового привода определяет и разную конструкцию механики тормоза.
Общий вид тележки моторного вагона (кликабельно)
1 — рама тележки; 2 — клещевой механизм дискового тормоза; 3 — рессорное подвешивание 1-й тупени; 4 — пневморессора 2-й ступени; 5 — гаситель поперечных колебаний; 6 — демпфер виляния; 7 — тяговый электродвигатель (ТЭД); 8 — опора пружины качания; 9 — форсунка песочницы; 10 — путеочиститель (только на головных вагонах); 11 — зубчатая муфта поперечной компенсации; 12 — тяговый редуктор; 13 — колесная пара; 14 — буксовый узел; 15 — гаситель вертикальных колебаний 1-й ступени; 16 — гаситель вертикальных колебаний 2-й ступени;
Если посмотреть на эти чертежи, то видно, что тормозные диски моторной тележки установлены на колесные центры и на каждой колесной паре по два клещевых механизма, прижимающих колодки к дискам. Другую компоновку тормоза предусмотреть не получится — место между колесами плотно занято узлами тягового привода.
На необмоторенной колесной паре прицепного вагона тормозные диски напресованы на ось колесной пары, их по три на каждую колесную пару. Такое размещение дисков обеспечивает большую равномерность распределения тормозного момента вдоль оси, а так же несколько снижает требования к прочности самих дисков. Диски выполнены по вентилируемой схеме, даже на этом чертеже видны вентиляционные каналы в них.
Соответственно, эффективные радиусы трения для колодок на моторной и не моторной тележке находятся в соотношении 3/2, дабы обеспечить одинаковое тормозное усилие на той и другой тележке.
Общий вид тележки прицепного вагона (кликабельно)
1 — рама тележки; 2 — клещевой механизм; 3 — рессорное подвешивание 1-й ступени; 4 — пневморессора 2-й ступени; 5 — гаситель поперечных колебаний; 6 — демпфер виляния; 7 — опора пружины качания; 8 — колесная пара; 9 — букса колесной пары; 10 — гаситель вертикальных колебаний 1-й ступени; 11 — гаситель вертикальных колебаний 2-й ступени.
Чем выше скорость движения экипажа по рельсам, тем более выражена роль динамических нагрузок в общей картине распределения усилий, приложенных к его элементам. Источником возникновения динамических нагрузок является ряд возмущающих факторов, главными из которых являются неровности верхнего строения пути в вертикальном и поперечном направлениях, а так же кинематическая склонность колесных пар к развитию их поперечных колебаний в колее, за счет конической формы поверхности катания.
Если с первым все понятно, то со вторым — что я имел в виду? И зачем вообще железнодорожные колеса имеют коническую форму?
В колесной паре оба колеса жестко связаны между собой через ось, а значит, пренебрегая крутильной упругостью оси, можно считать, что оба колеса имеют одинаковую угловую скорость. Всегда. И при движении в прямом участке пути всё будет отлично. А если мы поедем в кривой? Вот тут, для того чтобы внутреннее колесо (ближнее к центру поворота) не проскальзывало, скорость его центра должна быть меньше скорости центра внешнего колеса. Если бы колеса не были связаны жестко, то так и получилось бы — внутреннее колесо стало бы вращаться медленнее внешнего. Но так как существует жесткая связь, внутреннее колесо начнет проскальзывать, а ось колесной пары испытывать серьезные нагрузки на кручение.
Чтобы избежать этого придумали остроумное решение — раз нельзя уменьшить угловую скорость внутреннего колеса, то тогда можно уменьшить его радиус! Уменьшить радиус внутреннего колеса, а радиус внешнего — увеличить, и тогда произойдет перераспределение скоростей центров колес, обеспечивая лучшие условия прохождения поворота в части проскальзывания и динамических нагрузок на ось. Для этого поверхность катания колес делается конической. При этом, как нетрудно сообразить, при входе в кривую, колесная пара смещается в поперечном направлении в сторону противоположную центру поворота. Выйдя из равновесного состояния, свободная колесная пара продолжит совершать поперечные колебания даже в прямом участке пути, с частотой тем большей, чем больше скорость её вращения.
Конечно, в реальных условиях это перемещение ограничивается буксовыми узлами, но, становится очевидным, что жесткость конструкции поперечных связей в тележке не должна быть чрезмерно высокой, поэтому поводки букс крепятся к раме через сайлентблоки. Кроме того, в буксовых узлах обеспечивается возможность смещения оси колесной пары — так называемый поперечный разбег.
Все эти факторы приводят к тому, что элементы ходовой части совершают сложные пространственные колебания, неизбежные при присутствии в связях между ними упругих элементов, обеспечивающих податливость конструкции в направлении действия динамических нагрузок. Колебания эти необходимо гасить, поэтому тележка «Сапсана» буквально обвешана гидравлическими гасителями. Кроме того, система управления электропоезда оценивает характеристики колебаний в реальном времени, делая вывод об устойчивости движения тележки в колее.
Описанию механики движения высокоскоростного поезда лучше посвятить отдельную статью, в рамках этой сложно будет рассказать обо всех нюансах, которые безусловно интересны. Пока только скажу, что механическая часть поезда, унаследованная от предка — немецкого ICE3, вполне рассчитана на скорости движения до 350 км/ч.
3. Силовая электрическая схема
Проще всего описать схему двухсистемного электропоезда ЭВС2 — односистемый ЭВС1 отличается от него отсутствием оборудования для работы на переменном токе.
Функциональная схема силовых цепей электропоезда ЭВС2 (кликабельно)
Traktions container — контейнер тягового преобразователя; Netzfilter — сетевой фильтр; Traktions motoren — тяговые двигатели
При работе на переменном токе, напряжение снимается из контактной сети одним из токоприемников переменного тока P-AC, и через главный выключатель AC-HS и крышевой ввод попадает в третий (или восьмой) вагон электропоезда. Токоприемников переменного тока на поезде два — поднимается задний по ходу движения токоприемник, второй выступает в качестве резервного и вступает в дело при повреждении основного токоприемника. Питание на секцию с опущенным токоприемником подается по крышевой высоковольтной шине, через пару разъединителей DLT. Переменное напряжение 25 кВ, 50 Гц, поступает на первичную обмотку тягового трансформатора, понижается им, и от четырех вторичных полуобмоток подается в контейнеры тяговых преобразователей (Traktions container). Там это напряжение выпрямляется четырехквадрантными преобразователями (4QS-преобразователи), подаваясь на вход звена постоянного тока, и далее на автономный инвертор напряжения (АИН) PWR, питающий тяговые двигатели.
Не следует путать 4QS-преобразователь с управляемым выпрямителем. Выпрямитель, в том числе управляемый, всегда является понижающим AC-DC преобразователем, в то время как 4QS-преобразователь, кроме того что может работать как управляемый выпрямитель, является ещё и повышающим AC-DC преобразователем, за счет наличия в его схеме контура короткого замыкания с индуктивным дросселем и специального алгоритма управления ключами. Подробнее о принципе его работы можно почитать, например, тут, так как в задачу данной статьи не входит описание принципов построения силовых преобразователей. Тем не менее, отмечу, что напряжение (действующее) на вторичной полуобмотке тягового трансформатора равно 1550 В, при этом с выхода 4QS-преобразователя снимается напряжение постоянного тока 3 кВ. За счет данного преобразователя, система управления стабилизирует напряжение в звене постоянного тока, вне зависимости от колебаний напряжения в тяговой сети (от 19 до 29 кВ).
Упрощенная схема силовой цепи при питании переменным током (кликабельно)
Часть схемы со звеном постоянного тока и АИН у ЭВС1 и ЭВС2 совершенно идентична, за исключением того, что при питании от постоянного тока, АИН вынужден довольствоваться тем напряжением постоянного тока, которое приготовила ему тяговая подстанция. С учетом тяги других поездов на участке, рабочие пределы его изменения от 2,2 до 4 кВ.
При работе на постоянном токе, каждая секция поезда питается от своего токоприемника постоянного тока P-DC. Таких токоприемников на поезде четыре, они попарно расположены на втором и девятом вагоне. В нормальной работе поднимается задний по ходу движения токоприемник в каждой пятивагонной секции. Второй токоприемник в паре является резервным.
Упрощенная схема силовой цепи при питании постоянным током (кликабельно)
Почему на постоянном токе поднимают два токоприемника? Потому, что действующее значение напряжения в сети постоянного тока (3 кВ) меньше действующего значения напряжения в сети переменного тока (25 кВ) в 8,3 раза. При одинаковой потребляемой из сети мощности, ток текущий через токоприемник постоянного тока будет выше во столько же раз. По правде несколько не совсем так, нужно еще учитывать реактивую мощность в цепи переменного тока, однако, если использовать один токоприемник, он получится и массивным, и протекание всего тягового тока может вызвать пережог контактного провода в месте токосъема, поэтому тяговый ток уполовинивают, питая каждую секцию от своего токоприемника.
Итак, постоянный ток, через токоприемник P-DC и быстродействующий выключатель DC-HS подается на отпайку плюсового провода звена постоянного тока тягового преобразователя и подается на вход автономного инвертора напряжения (АИН) PWR. АИН преобразует постоянный ток в переменный трехфазный, с изменяющейся частотой и амплитудой напряжения, за счет чего осуществляется регулирование тягового усилия, развиваемого тяговыми электродвигателями (ТЭД).
Рассмотренная схема обеспечивает режим тяги, так и режим электродинамического торможения, которое на «Сапсане» рекуперативно-реостатное.
При возможности выполнять рекуперацию (исправные силовые цепи и ненасыщенная контактная сеть с напряжением на постоянном токе менее 4кВ, на переменном — менее 29 кВ) выполняется рекуперативное торможение. АИН работает как регулируемый трехфазный выпрямитель по схеме Ларионова, преобразуя трехфазное напряжение, вырабатываемое ТЭД в постоянный ток, которое при работе на постоянном токе отдается в сеть, а при работе на переменном — преобразуется в однофазное напряжение 4QS-преобразователем, работающим в режиме инвертора, обеспечивающего компенсацию реактивной мощности, значение коэффициента мощности максимально близким к единице (пресловутый «косинус фи»). Далее, повышенное тяговым трансформатором напряжение, выдается в сеть.
При срыве рекуперации, энергия, преобразованная АИН, перераспределяется на тормозной резистор RB. Для решения этой задачи в звене постоянного тока в силовую цепь включен импульсный регулятор напряжения (ИР), представляющий собой транзисторный понижающий DC-DC преобразователь, основная задача которого — регулирование тока, протекающего через тормозной резистор.
Каждый тяговый преобразователь имеет индивидуальный тормозной резистор, которые собраны в блоки и располагаются под защитным обтекателем с жалюзи на крышах пятого и шестого вагонов.
Таким образом, каждый из четырех моторных вагона электропоезда оснащен одним тяговым преобразователем, обеспечивающим работу четырех тяговых двигателей в режиме тяги и электродинамического торможения. Из сорока осей в поезде, 16 осей оснащены тяговым приводом, общей мощностью 8 МВт в режиме тяги и рекуперации и 3,2 МВт в режиме реостатного торможения (40% мощности за счет ограничения тока через тормозные резисторы).
Приведу тяговую характеристику поезда — зависимость силы тяги от скорости (кликабельно)
Из этого графика, в частности, видно, что электропоезд способен разогнаться до скорости свыше 300 км/ч на площадке, а на подъеме в 10 тысячных поддерживать скорость 230 км/ч.
При исправном одном моторном вагоне (25% мощности) поезд на площадке вполне легко пойдет со скоростью 180 км/ч, а на подъем в 10 тысячный будет уверенно ехать со скоростью 80 км/ч.
Все вышесказанное говорит о том, что поезд располагает запасом мощности, и способен на гораздо более высокие эксплуатационные показатели, чем он демонстрирует сейчас.
Ограничение в 250 км/ч введено искусственно в системе управления тягой, из-за отсутствия на наших дорогах инфраструктуры для движения с большими скоростями. После модернизации участка Москва — Санкт-Петербург, однако, «Сапсан» (при отключенной системе АУДиТ — Автоматическое Управление Движением и Торможением, как раз и не дающей разогнаться выше 250) достиг скорости 291 км/ч. Быстрее по нашим железным дорогам пока никто не ездил.
4. Тормозные системы электропоезда
Рассмотрим общие черты тормозов. Электропоезд оснащен несколькими тормозными системами:
Управление движением, в том числе и торможением, обеспечивается тремя рукоятками на пульте машиниста. При этом различают несколько режимов регулирования скорости:
1 — задатчик скорости; 2 — дисплейный модуль устройства безопасности КЛУБ-У; 3 — задатчик силы тяги; 4 — тормозной контроллер (задатчик тормозного ускорения); 5 — реверсивный переключатель; 6 — дисплей интерфейса «человек-машина»; 7 — тормозной дисплей.
В любом из перечисленных режимов управления, система управления тормозами руководствуется, прежде всего, величиной заданного ускорения, которое, в ручном режиме, в зависимости от положения рукоятки контроллера и скорости поезда определяется по следующим кривым
Кривые заданного тормозного ускорения (кликабельно)
Для обеспечения заданного ускорения приводятся в действие тормоза, причем приоритетным рабочим тормозом является электродинамический рекуперативный тормоз (ЭДТ) на моторных вагонах.
Естественно и логично отдавать приоритет ЭДТ, так как 40% вагонов поезда являются моторными, при этом ЭДТ обеспечивает довольно существенное тормозное усилие. О мощности ЭДТ на «Сапсане» можно судить по его тормозной характеристике
Тормозные характеристики электропоезда в режиме ЭДТ (кликабельно)
При недостаточной эффективности ЭДТ, приводятся в действие пневматические (ПТ) или электропневматические (ЭПТ) тормоза на прицепных вагонах — моторные продолжают использовать ЭДТ. При этом тормозное усилие регулируется таким образом, чтобы, опять таки, поддерживать заданное ускорение. При превышении ускорения над заданным значением, прежде всего отпускаются пневматические тормоза. Система стремится, таким образом, максимально использовать возможности электрического тормоза.
При скорости ниже 3 км/ч, выполняется замещение электродинамического тормоза пневматическим. При снижении эффективности ЭДТ на каком либо из моторных вагонов, конкретно на этом вагоне выполняется замещение ЭДТ на ПТ/ЭПТ.
5. Особенности конструкции пневматических и электропневматических тормозов
Об этих системах следует поговорить подробнее, даже вне рамок данной статьи. В этой же статье поговорим об общих принципах реализации автоматических тормозов на «Сапсане».
Высокоскоростное движение предъявляет к пневматическим и электропневматическим тормозам обязательное требование — любое торможение с применением ПТ/ЭПТ должно происходить с обязательной разрядкой тормозной магистрали служебным темпом!
Исходя из данного требования, торможение всегда осуществляется путем разрядки тормозной магистрали с последующим срабатыванием на каждом вагоне воздухораспределителя (ВР), набирающего тормозные цилиндры из запасного резервуара (ЗР). Даже если это торможение электропневматическое.
При работе ЭПТ происходит одновременная разрядка тормозной магистрали на всех вагонах, локально, в месте подключения к ней воздухораспределителя, выполняемая электропневматическими вентилями. Этим обеспечивается одновременность их срабатывания, но и только! Воздухораспределитель реагирует только на разрядку тормозной магистрали. Конструкций подобных нашему пассажирскому ЭПТ, где разрядки ТМ практически не происходит, а наполнение тормозных цилиндров ведется из запасного резервуара непосредственно электровоздухораспределителем, с одновременной подпиткой ЗР из ТМ, вы на высокоскоростных поездах не увидите.
При выключении ЭПТ, разрядка тормозной магистрали выполняется с головы поезда, со стороны рабочей кабины, устройством, по своему действию аналогичным крану машиниста, именуемым блок управления тормозной магистралью (БУТМ). Посмотрим на схему тормозов головного вагона
Упрощенная схема тормозов головного моторного вагона (кликабельно)
Зарядное давление тормозной магистрали на «Сапсане» равно 0,5 МПа. Система управления, через электропнематические вентили, снижает давление в уравнительном резервуаре (УР) служебным темпом. В след за этим, БУТМ, стремясь поддерживать давление в тормозной магистрали давлению в УР, снижает давление и в ней служебным темпом.
Воздухораспределитель срабатывает на торможение. Но он не наполняет тормозные цилиндры! Он создает в своей тормозной камере давление, равное тому, которое должно установится в тормозных цилиндрах! За наполнение ТЦ отвечает преобразователь давления (ПД), работающий как пневматическое реле. Тормозная камера ВР соединена с рабочей камерой ПД трубопроводом, через запирающий электропневматический вентиль.
При подаче питания на этот вентиль, он перекрывает трубопровод и сбрасывает давление из рабочей камеры ПД, что приводит к отпуску тормозов даже при сработавшем на торможении воздухораспределителе. Питание на этот вентиль подается, если на вагоне работает электрический тормоз. Если электрический тормоз не работает, питание с этого вентиля снимается и происходит наполнение тормозных цилиндров до давления, заданного от ВР.
Замечу также и то, что запасный резервуар, непрерывно, через обратный клапан, отпитывается от питательной магистрали (ПМ), где поддерживается давление от 0,8 до 1 МПа, за счет работы компрессора. Давление в ЗР лежит в этих же пределах, так что пневматический тормоз электропоезда является неистощимым. В отличие от поездов с локомотивной тягой, питательная магистраль проходит через все вагоны электропоезда.
Схема тормозов моторного промежуточного вагона выглядит также, как и на головном, за исключением того что там отсутствует БУТМ. На прицепном вагоне установлено 6 тормозных цилиндров, вместо четырех на моторном, в остальном, его устройство в части тормоза, аналогично устройству моторного промежуточного вагона.
Следует отметить, что воздухораспределитель, обозначаемый страшной аббривеатурой KEdSo-EAE, производства Knorr Bremse, в отличие от ВР 242, принятого у нас, имеет ступенчатый пневматический отпуск, за счет того, что работает на разнице не двух давления (в ТМ и ЗР), а трех давлений: в тормозной магистрали (ТМ), рабочей камере (РК) и тормозной камере (ТК). В РК сохраняется давление равное зарядному, что позволяет выполнять отпуск ступенями.
Эта особенность идет от того, что на европейских дорогах ВР (серии KE) унифицированы между грузовыми и пассажирскими поездами, да и грузовые поезда короткие, так что для пневматического торможения в них нет нужды в монстрах типа ВР 483.
Второй нюанс — БУТМ, который является по сути не просто тормозным краном с дистанционным управлением, а управляется опосредованно, через систему управления поездом, которая сама, без участия машиниста решает, когда и насколько разрядить тормозную магистраль, чтобы обеспечить требуемое ускорение (заданное машинистом, подсистемой АУДиТ или системой автоведения), а так и когда отпустить тормоза, тоже принимает решение электроника.
А что делать, если «эта ваша электроника» выйдет из строя? Во-первых, есть режим экстренного торможения (ЭТ). Реализуется он безо всякой электроники — машинист, переведя контроллер в положение ЭТ, механическим клапаном открывает огромную дыру в тормозной магистрали. Справа, на тумбе, установлен второй клапан, выполняющий ту же функцию — нажатие на ударную кнопку открывает ТМ в атмосферу. Естественно, существует и ряд электрических цепей, образующих так называемую ПЭТ — Петлю Экстренного Торможения. Но её функция вторична, поезд может быть остановлен и без неё.
Вторым способом, уже после ЭТ и откачки поезда, если надо довести поезд до депо без вызова вспомогательного локомотива, является использование крана резервного управления. Он установлен справа от машиниста на боковой тумбе и имеет три положения: О — отпуск, П — перекрыша, Т — торможение. Этот кран позволяет вручную, пневмо-механически регулировать давление в ТМ, выполняя торможение и отпуск тормозов.
Заключение
Думаю, вышел неплохой обзор, думаю, статья будет интересна и полезна для любителей железной дороги. Пока я работал над ней, понял, что одной статьи для «Сапсана» будет мало. Поэтому, первая статья вышла пилотной, дающей общее представление об этом поезде, являющем собой сплав великолепной точной механики, современной силовой электроники и информационных технологий. Поэтому, спасибо за внимание и…
На закуску — предлагаю вашему вниманию видеоэкскурсию на тренажер «Сапсана», руководителем разработки которого является ваш покорный слуга
