У железнодорожных вагонов есть тормозные что
У железнодорожных вагонов есть тормозные что
Взгляд в историю
Утром, 27 сентября 1825 года многочисленная толпа наблюдала историческое событие. По первой в мире железной дороге между английскими городками Стоктоном и Дарлингтоном отправился в рейс первый в мире поезд. Паровоз «Локомоушен №1» под управлением его изобретателя Джорджа Стефенсона тянул поезд из 33 вагонов общим весом 90 тонн. В вагонах находилось 450 пассажиров.
Впереди паровоза следовал верховой с флагом, зрители бежали за поездом, другие верхом на лошадях сопровождали поезд по обеим сторонам пути.
Когда поезд подошел к небольшому уклону перед Дарлингтоном, Стефенсон дал сигнал и увеличил скорость до 15 миль в час (24 км/час). Пешие и конные отстали…
Простейшая схема пневматического тормоза
Рассмотрим схему на рисунке 1. Компрессор – воздушный насос с цилиндром и поршнем – всасывает воздух, сжимает его и выталкивает (нагнетает) в главный резервуар. В главном резервуаре (далее будем именовать его сокращенно ГР) воздух охлаждается и «успокаивается от толчков». Далее по трубе, которая называется питательной магистралью (ПМ) сжатый воздух подводится к крану машиниста (КМ).
Реальный кран машиниста имеет довольно сложную конструкцию, но на нашей упрощенной схеме он изображен в виде обычной переключательной пробки, в которой высверлен канал в форме прямого угла.
Рисунок 1 – Схема прямодействующего неавтоматического тормоза
В положении I (торможение) через этот канал воздух из ПМ поступает в тормозную магистраль (ТМ) и по ней – в тормозные цилиндры (ТЦ) локомотива и вагонов. В ТЦ воздух воздействует на поршень 1 и смещает его вместе со штоком 2 вправо по рисунку, сжимая отпускную (оттормаживающую) пружину 3. Шток ТЦ действует через рычаг 4 на тормозную колодку 5, которая прижимается к колесу.
Для отпуска тормоза ручку КМ ставят в положение III (отпуск). Через прямоугольный канал воздух из ТМ выйдет в атмосферу (Ат; так в тормозной науке принято называть окружающее пространство). Пружины ТЦ вернут на место поршни со штоками, колодки отойдут от колес, и торможение прекратится.
«Перекрыша» и ступени
Автоматические тормоза
Умозрительно предложенная конструкция представляется работоспособной. Но практически она невозможна. Вся проблема в том, что для остановки тяжелого грузового поезда колодки должны прижаться к колесам очень сильно, с силой порядка 3 тонны (одна колодка!). Во времена Вестингауза таких пружин, способных жать с силой 3 тонны, просто не было. Предположим, что металлурги изготовили некую сверхупругую сталь для этой цели. Но ведь большую часть пути, когда поезд не нуждается в торможении, надо держать пружины сжатыми. А для этого надо иметь идеально плотную тормозную магистраль, без малейших утечек воздуха. Этого на практике обеспечить нереально. А, подумайте, каким сальником уплотнить шток тормозного цилиндра, чтобы он герметизировал ТЦ при огромном давлении, и в то же время обеспечивал свободный легкий ход штока?
Раз колодки нельзя прижать пружинами, их следует прижимать воздухом. Но при разрыве ТМ воздух с шипением и свистом уходит в атмосферу. Сообщение с ГР (который, как помним, на локомотиве) прерывается. Откуда же тогда взять воздух для наполнения ТЦ?
Ответ: надо поставить на каждом вагоне специальный бак и держать в нем запас воздуха на этот случай. Этот бак называется запасной резервуар (ЗР). А также на каждый вагон надо установить особый тормозной прибор, который Вестингауз назвал «тройной клапан», а мы теперь называем «воздухораспределитель», сокращенно ВР.
Это, пожалуй, самый важный и самый сложный по конструкции прибор во всей тормозной технике. Он как бы «наблюдает» за давлением воздуха в ТМ и при его изменении выполняет те или иные действия.
Автоматический тормоз Вестингауза изображен на рисунке 2. На верхней картинке нарисованы три тормозных прибора, которые установлены на каждом вагоне: воздухораспределитель (ВР), запасной резервуар (ЗР) и тормозной цилиндр (ТЦ). А внизу представлено схематическое устройство ВР и принцип его работы при торможении и отпуске.
Рассмотрим эти картинки. Когда вагон, стоящий без воздуха, прицепляют к тормозной сети локомотива (то есть соединяют резиновые рукава и открывают концевые краны) – воздух начинает заполнять и трубы и тормозные приборы вагона. Этот процесс принято называть зарядкой.
При зарядке растёт давление в ТМ и, соответственно, в полости ВР справа от магистрального поршня и сдвигает его (поршень) в левую сторону. Открывается канал (довольно узкий), по которому воздух из ТМ поступает в ЗР, показано на схеме стрелочками. ЗР наполняется воздухом, то есть заряжается.
Поршень 1 обрамлен какими-то чёрненькими квадратиками. Это резиновая манжета (естественно, кольцевая), которая герметизирует поршень, то есть отделяет друг от друга полости слева и справа поршня. С поршнем жестко связан золотник 2, показанный перекрёстной штриховкой.
При торможении давление в ТМ снижается, снижается оно и в полости справа от поршня. Воздух из ЗР тоже начинает выходить через канал зарядки, но канал этот, как мы сказали, довольно узок. Оттого давление Ртм падает быстрее, чем давление Рзр. Возникнет перепад (разница) давлений на поршень с двух сторон Рзр > Ртм.
Перепад сдвинет поршень вправо и, первым делом, перекроется манжетами поршня зарядный канал. Теперь уже ЗР полностью отделён от ТМ, и дальнейшее снижение РТМ не вызовет снижения давления в запасном резервуаре. Золотник, конечно, тоже сдвинется вслед за поршнем, и его выемка закроет, изолирует атмосферный канал Ат. Зато откроется свободный проход воздуха из ЗР в ТЦ; тормозной цилиндр наполняется и происходит торможение.
Рисунок 2 – Схема автоматического непрямодействующего тормоза
Для отпуска машинист с помощью крана повышает давление в ТМ, магистральный поршень воздухораспределителя сдвигается влево и открывает зарядный канал, по которому в ЗР пополняется запас воздуха, истраченный на торможение. А золотник встаёт таким образом, что его выемка соединяет ТЦ и Ат. Воздух из ТЦ выходит в атмосферу.
При движении поезда в ТМ продолжает сохраняться давление, созданное для отпуска (его называют зарядным давлением, оно равно приблизительно 5 атм.). Поэтому тормоза находятся в отпущенном состоянии, ТЦ соединены с Ат, а ЗР соединён зарядным каналом с ТМ, для того, чтобы в нём постоянно был воздух и чтобы он был всегда готов к торможению.
Из схемы очевидно, что ВР сработает на торможение при любом снижении давления в ТМ, по какой бы причине оно не произошло:
1) при постановке КМ в положение III;
2) при срыве пассажиром стоп-крана (стоп-кран соединяет ТМ с Ат);
3) при повреждении тормозной магистрали или саморасцепе. Причем, в двух последних случаях это произойдет независимо от машиниста, автоматически.
Поэтому железнодорожные тормоза принято называть автоматическими тормозами, и даже учебная дисциплина для студентов называется не просто «Тормоза» а «Автотормоза».
Неистощимые тормоза
Главное
На железнодорожном подвижном составе (локомотивах и вагонах) применяются ФРИКЦИОННЫЕ ПНЕВМАТЧЕСКИЕ тормоза. Первое слово означает, что тормозная сила возникает из-за фрикции, то есть трения между колесами и специальными тормозными колодками. Второе слово – пневмо- выражает тот факт, что колодки прижимаются к колесам энергией сжатого воздуха.
Через весь поезд, даже если он длиной более километра, проложен непрерывный пневматический канал, называемый ТОРМОЗНОЙ МАГИСТРАЛЬЮ. Физически этот канал представляет собой стальные трубы, укрепленные под каждым вагоном, связанные междувагонными резиновыми рукавами.
Железнодорожные тормоза бывают АВТОМАТИЧЕСКИМИ и НЕИСТОЩИМЫМИ. Свойство «автоматичности» заключается в том, что при разрыве поезда, срыве стоп-крана или любой другой неисправности, повредившей тормозную магистраль, тормоза сами собой, без участия машиниста, сработают и остановят поезд.
Свойство неистощимости позволяет поезду находиться в заторможенном состоянии сколь угодно долгое время, несмотря на то, что и в тормозной магистрали, и в тормозных цилиндрах возможны утечки воздуха из-за неплотности соединений.
Как устроены тормоза у поезда?
Опубликовано 26.07.2019 · Обновлено 13.11.2021
Многим знакомы эти специфические звуки, когда поезд тормозит – шипение воздуха, стуки под вагоном и запах «подгоревших» тормозных колодок. Просто романтика путешествий! А теперь опустим романтические воспоминания и попробуем узнать, что-же так шипит, стучит и пахнет.
Немного истории, поезда ходят по стальным магистралям уже очень давно и раньше вагоны не имели тормозных устройств, кроме ручных. Сам мог останавливаться только паровоз. Поэтому существовали кондукторские бригады. Они следовали с каждым грузовым составом и работа их состояла в том, чтобы по команде тормозить (помните песню из известного фильма).
Вагоны были оборудованы рычажной передачей, которая прижимала колодки к колесам. Но вся эта система работала вручную. Старшее поколение еще помнит грузовые вагоны с площадками для кондуктора а на них располагался рычаг с червячной передачей, его рабочий инструмент.
Так вот составы ходили короткие и кондуктор всю дорогу внимательно слушал сигналы гудка, подаваемые машинистом паровоза. Если подавался сигнал «тормозить» — все начинали крутить рычаги ну а рычажная передача прижимала колодки к колесам, при сигнале «отпустить тормоза» все снова крутилось, только в другую сторону.
Но техника не стоит на месте и были придуманы автоматические тормоза и теперь кондукторы стали не нужны и машинист сам мог управлять замедлением всех вагонов не вставая со своего рабочего места на паровозе. Локомотивы и вагоны оснащались такой системой американской фирмы «Вестингауз» а наши машинисты Казанцев а позже Матросов очень хорошо усовершенствовали ее, да в общем-то она совершенствовалась все годы развития железных дорог, и теперь поезда двигаются имея очень надежные и безотказные тормоза! Это точно! Покачиваясь в романтическом настроении на верхней полке в купе будьте спокойны, все под контролем!
Тормоза у нас автоматические, что это значит?
Все современные тормозные системы на железной дороге пневматические, и их работа зависит от сжатого воздуха и от простых физических законов. Это просто – изменение давления воздуха в тормозной магистрали: падает – происходит прижатие колодок, поднимается – происходит отпуск. Воздушная магистраль система закрытая и любое нарушение ее целостности приводит к падению давления а соответственно к срабатыванию тормозов, поэтому они и называются автоматические.
Регулирование давления воздуха и есть принцип управления тормозами. Как же это происходит?
Для начала познакомимся с тормозными приборами и устройствами которые принимают самое непосредственное участие в процессе. Я сохраню сейчас их технические маркировки, так будет полегче и кругозор расширится.
Это – кран машиниста усл. № 395 находится в кабине машиниста рядом с пультом управления;
кран вспомогательного тормоза усл. № 254 в профессиональной среде называется «свой», почему объясню позже, находится также в кабине машиниста;
Воздухораспределитель
воздухораспределитель устанавливается на локомотивах и вагонах как правило под кузовом и имеет обозначение усл.№ 292 для пассажирских вагонов, усл. № 483 для грузовых вагонов;
Тормозной цилиндр
тормозной цилиндр, устанавливается абсолютно на всем подвижном составе под кузовом; запасный резервуар, также устанавливается под кузовом.
Все это соединено соединительными трубами где проходит воздух, а также рычажной передачей которая и прижимает к бандажам колес « башмаки» в которые вставлены колодки.
Тяги к тормозным колодкам
Вся эта система соединяется воедино посредством рукавов – от локомотива до последнего вагона. Все трубы по которым проходит воздух и есть непосредственно тормозная магистраль, контролируемая и управляемая машинистом, а все остальное механические и пневматические устройства, просто необходимое оборудование.
» data-medium-file=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/07/qq9-300×225.jpg» data-large-file=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/07/qq9-1024×768.jpg» width=»1024″ height=»768″ gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7″ data-src=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/07/qq9-1024×768.jpg» alt=»Компрессор электровоза ЭП1 | Компрессор электровоза ЭП1 | Движение24″class=»wp-image-604″ data-srcset=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/07/qq9-300×225.jpg 300w, https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/07/qq9-768×576.jpg 768w, https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/07/qq9.jpg 1200w» data-sizes=»(max-width: 1024px) 100vw, 1024px» /title=»Компрессор электровоза ЭП1 | Движение24″ />
На локомотиве установлены компрессора которые и заполняют тормозную систему сжатым воздухом, предварительно закачав его в главные резервуары, находящиеся также на локомотиве.
Компрессоры имеют как правило привод от электродвигателей, но на многих типах тепловозов непосредственно от дизеля через систему валов отбора мощности. Вот и подходим к главному – надо сбить скорость а для этого надо создать падение давления воздуха в тормозной магистрали.
Поехали: идем в кабину машиниста к прибору который и создает эти перепады давления – кран машиниста усл.№ 395 он имеет шесть положений, кому особо интересно: 1 – отпуск и зарядка тормозной магистрали (ТМ), 2 – поездное, 3 – перекрыша без питания, 4 – перекрыша с питанием, 5 – служебное и 6 – экстренное торможение, повторюсь, только кому особо интересно. Давление в ТМ контролируется машинистом по манометру на пульте управления.
Разрядив тормозную магистраль на необходимую величину машинист переводит ручку крана в положение 4, все утечка прекращена и магистраль больше не теряет воздух, а дальше самое главное. На всех вагонах и локомотивах стоит вышеуказанный замечательный прибор – воздухораспределитель и дальше его главная работа. Расскажу просто, в нем находится такая воздушная камера, разделенная на две половины поршнем, который вставлен в мягкую манжету. В поршень вставлены клапаны, необходимые для работы воздухораспределителя.
Воздухораспределитель очень сложное устройство имеющее множество каналов, клапанов, золотников, манжет, пружин и т.д. Он соединен воздушными трубопроводами с запасным резервуаром и тормозным цилиндром — единое целое. Вот тут и пошла физика – в обоих половинах камеры давление одинаковое, а тут машинист взял и создал выход воздуха и оно уменьшилось в одной половине камеры а манжета поршня у нас мягкая, резиновая и она конечно, толкаемая более высоким давлением в другой половине камеры, передвинется в сторону низкого вместе с поршнем и откроется путь воздуха по разным каналам из запасного резервуара прямиком в тормозной цилиндр. В нем находится поршень со штоком и возвратная пружина а воздух, поступивший в цилиндр преодолевает натяжение возвратной пружины, поршень перемещается и своим штоком приводит в действие рычажную передачу, а та в свою очередь прижмет колодки к бандажам колес и поезд тормозит.
Тормозной цилиндр
Этот процесс происходит в каждом вагоне, ведь есть единая магистраль (ТМ), все вагоны соединены пневматическими рукавами. Машинист может увеличить величину разрядки и еще сильнее отодвинется манжета в воздухораспределителе и еще больше воздуха пойдет из запасного резервуара в тормозной цилиндр и еще сильнее прижмутся к бандажам колодки и еще возрастет останавливающая сила а соответственно уменьшится тормозной путь. Мы и чувствуем запах «горелых» колодок и стук рычажной передачи и шипение воздуха. Ну а если, не дай Бог, какая-то аварийная ситуация, машинист применяет экстренное, «бросая» ручку крана в шестое положение, тогда весь воздух в магистрали устремится через отверстие в кране машиниста с очень сильным шипением и манжеты в воздухораспределителях подвинутся на максимальную величину и весь воздух из запасных резервуаров пойдет в цилиндры и колодки просто вопьются в бандажи колес, тормозная сила будет огромной – состав будет остановлен достаточно быстро. Но опять-же это быстро зависит от его веса и длины!
Теперь Вы точно усвоили очень серьезную вещь – мгновенно его остановить нельзя! Передайте всем знакомым, а особенно детям! Ну мы остановились или просто снизили скорость и надо тормоза «отпустить» и конечно зарядить запасные резервуары во всех вагонах, ведь мы потратили много воздуха. И снова – идем в кабину: наш машинист берет и переводит рукоятку всемогущего крана в первое положение – отпуск и зарядка магистрали. А что дальше – то? А дальше все как и прежде, только немного наоборот: воздух из главных резервуаров локомотива усиленно поступает в ТМ поезда, а там-же в каждом вагоне умные воздухораспределители, они-то свято чтут законы физики, по которым и работают: воздух из тормозной магистрали поступает в камеру, из которой только что выходил, ну а там мягкая манжета с поршнем – она передвигается, только в другую сторону, вместе с поршнем.
Только вот это перемещение немного больше начального, статического положения и поршень посредством своих клапанов открывает другие каналы и воздух из-под поршня тормозного цилиндра, через воздухораспределитель выходит в атмосферу, да правильно, с шипением. Ну а в цилиндре возвратная пружина не дремлет и своей силой, которой ничего теперь не мешает, убирает поршень со штоком на прежнее место. Шток ушел и рычажная передача перемещается, отпуская колодки от бандажей. Все, тормоза отпустили. Одновременно идет и наполнение запасных резервуаров до нужного давления, оно называется «зарядное» и устанавливается машинистом через специальное устройство расположенное на кране машиниста, называемое «редуктор», ведь поезда у нас разные, в пассажирских одно зарядное, а в грузовых другое, поэтому есть такой редуктор.
Все эти величины разрядок, зарядок и весь порядок управления тормозами а также все нестандартные ситуации определяются «Инструкцией по эксплуатации тормозов подвижного состава». Серьезный документ. Мы коснулись чуть-чуть, просто так принципа, а на самом деле управление ими вещь сложная. Поезда разные: пассажирские, грузовые, которые в свою очередь бывают длинносоставные и тяжеловесные а еще и стыкованные, это когда два самостоятельных состава соединяют в один и много другого. С ними нельзя шутить, не зная можно натворить дел даже стоя на месте. На станциях существует технология опробования, которую проводят осмотрщики вагонов так называемые «автоматчики» они проверяют полностью, как срабатывают и отпускают тормоза от первого до последнего вагона и убедившись, что все нормально выдают машинисту справку формы ВУ-45, где все написано о состоянии тормозов. Без их доклада и доклада машиниста о произведенной пробе и выдаче справки дежурный по станции никогда не даст отправление. Ну а по поводу спокойных и романтических мыслей на верхней полке – мечтайте и наслаждайтесь жизнью под стук колес, ведь тормоза у нас автоматические, и если по какой-то нехорошей причине у нас воздух начнет где-то выходить из ТМ то воздухораспределители своей чуткой мембраной приведут цилиндры в действие. А дальше уже машинист знает что делать, он ведь ведет поезд и ему не до романтики.
Электропневматические тормоза (ЭПТ)
Еще немного ценной информации, сейчас все пассажирские оборудованы и следуют на ЭПТ – электропневматических тормозах. Великая вещь! Чтобы колодки прижались и отпустили по всему составу требуется время для распространения так называемой «тормозной волны» и цилиндры вагонов в голове (первые вагоны) сработают раньше чем в хвосте и также при отпуске, а когда ведешь длинный и тяжелый грузовой это очень и очень чувствуется, поэтому при неправильном управлении тормозами в грузовом составе, можно его «порвать» — голова отпустила а хвост нет и если переломный профиль, какая-нибудь автосцепка не выдерживает нагрузки на разрыв и он рвется! Очень серьезное происшествие!
Так вот ЭПТ «хрустальная» мечта грузовых машинистов и вот почему – ЭПТ срабатывает мгновенно в каждом вагоне и отпускает мгновенно, представляете, тормоза всех вагонов срабатывают одновременно и сразу отпускают! Конечно здорово но и очень дорого, поэтому грузовики ждут и еще видимо долго будут ждать. Электропневматические тормоза устанавливаются только на пассажирских вагонах и локомотивах. Управляются они также с крана машиниста усл. № 395, но с некоторыми особенностями. На локомотиве установлен источник питания ЭПТ – 50 Вольт и тормозные рукава с небольшими изменениями в связи с наличием провода для питания электровоздухорасределителей на всех пассажирских вагонах. Этот воздухораспределитель имеет свой усл. № 305 и представляет собой два электропневматических вентиля соединенных с соответствующими трубопроводами ТМ на запасный резервуар и тормозной цилиндр непосредственно. Устанавливается такое устройство на обычном воздухораспределителе усл. № 292.
Принцип работы прост: на кране машиниста есть небольшие электрические переключатели которые при переводе рукоятки крана в соответствующее положение для срабатывание создают электрическую цепь на вентиль торможения а он открывает сразу через свой клапан доступ воздуха из запасного резервуара в тормозной цилиндр и все, при отпуске получает питание отпускной вентиль и напрямую выпускается воздух из цилиндра и заряжается запасный резервуар. Работа основного воздухораспределителя как-бы обходится. И каждый вагон мгновенно тормозит и мгновенно отпускает. Управляются ЭПТ также краном машиниста, но на его секторе добавлено еще одно положение для этого, а контролируются сигнальными лампами на пульте машиниста.
ЭПТ позволяют очень плавно тормозить, регулировать величину прижатия колодок не отпуская тормозов, пассажиры чувствуют себя комфортно в вагонах. Ну и напоследок как и обещал – кран усл. № 254 или «свой». А свой потому-что распространяется только на локомотив, ведь локомотив когда следует один тоже должен как-то останавливаться. Он имеет шесть положений и им регулируется величина давления в цилиндре а соответственно и усилие колодок. Но он взаимодействует с основным краном машиниста и при торможении всего поезда также тормозит локомотив, только машинист самостоятельно может уменьшить, совсем убрать или увеличить торм. усилие локомотива именно этим краном.
Все тормозные приборы и устройства на локомотиве точно такие-же как и на вагонах но с некоторыми изменениями, ведь локомотив все-таки не вагон. Ну вот и все типа коротко! Да и колодки тоже бывают разные, у пассажирских вагонов чугунные а у грузовых композиционные — из композитых материалов. А еще на электровозах применяется реостатное и рекуперативное торможение, это когда тяговые электродвигатели переходят в режим генераторов и как известно из физики в этом процессе возникает сила, препятствующая вращению якоря электродвигателя, называемая противоэлектродвижущая сила (ЭДС) она всеми силами препятствует вращению якорей и происходит остановка электродвигателями без задействования пневматических тормозов. Вот так-то! Это только малая но достаточная для понимания толика из жизни удивительного мира тормозов!
Правда о железнодорожных тормозах: часть 1
Кинетическая энергия «Сапсана» на максимальной скорости — свыше 1500 мегаджоулей. Для полной остановки вся она должна быть рассеяна на тормозных устройствах
1. История появления пневматического тормоза
Задача управления любым транспортом включает в себя регулирование скорости его движения. Железнодорожный транспорт не является исключением, более того, его конструктивные особенности вносят в этот процесс существенные нюансы. Поезд состоит из большого количества сцепленных между собой экипажей, и получившаяся система имеет значительную длину и массу при весьма приличной скорости движения.
По определению, тормоза — комплекс устройств, предназначенных для создания искусственных, регулируемых сил сопротивления, используемых для управляемого снижения скорости движения транспортного средства.
Самый очевидный, лежащий на поверхности, способ создания тормозного усилия — использование силы трения. С самого начала и до сегодняшнего дня используется колодочный фрикционный тормоз. Специальные устройства — тормозные колодки, изготовленные из материала с высоким коэффициентом трения, механически прижимаются к поверхности катания колеса (либо к специальным дискам, установленным на оси колесной пары). Между колодками и колесом возникает сила трения, создающая тормозной момент.
Регулирование тормозного усилия выполняется за счет изменения силы прижатия колодок к колесу — тормозного нажатия. Вопрос только в том, какой привод используется для прижатия колодок, и, история тормозов, отчасти, есть история развития этого привода.
Первые железнодорожные тормоза были механическими и приводились в действие вручную, отдельно на каждом вагоне специальным людьми — тормозильщиками или кондукторами. Кондукторы находились на так называемых тормозных площадках, которыми был оборудован каждый вагон, и приводили в действие тормоза по сигналу машиниста локомотива. Обмен сигналами между машинистом и кондукторами осуществлялся с помощью специальной сигнальной веревки, протянутой вдоль всего поезда, приводившей в действие специальный свисток.
Старинный двухосный грузовой вагон с тормозной площадкой. Виден вороток ручного тормоза
Сам по себе тормоз с механическим приводом обладает малой мощностью. Величина тормозного нажатия зависела от силы и сноровки кондуктора. К тому же в работу такой тормозной системы вмешивался человеческий фактор — кондукторы не всегда верно выполняли свои обязанности. О высокой эффективности таких тормозов, а так же об увеличении скорости движения поездов, оборудованных ими говорить не приходилось.
Дальнейшее развитие тормозов требовало, во-первых, увеличения тормозного нажатия, и во-вторых — обеспечения возможности дистанционного управления им на всех вагонах с рабочего места машиниста.
Гидравлический привод, применяемый в автомобильных тормозах, получил широкое распространение за счет того, что обеспечивает высокое нажатие при компактности исполнительных устройств. Однако, при применении такой системы в поезде проявятся её основной недостаток: необходимость в специальном рабочем теле — тормозной жидкости, утечка которой недопустима. Большая протяженность тормозных гидравлических линий в поезде, вместе с высокими требованиями к их герметичности делают невозможным и нерациональным создание гидравлического железнодорожного тормоза.
Другое дело пневматический привод. Использование воздуха высокого давления позволяет получить высокие тормозные нажатия при приемлемых габаритах исполнительных устройств — тормозных цилиндров. Нет недостатка в рабочем теле — воздух вокруг нас, и даже если возникает утечка рабочего тела из тормозной системы (а она непременно возникает) её относительно легко можно восполнить.
Простейшей системой тормоза, использующего энергию сжатого воздуха является прямодействующий неавтоматический тормоз
Схема прямодействующего неавтоматического тормоза: 1 — компрессор; 2 — главный резервуар; 3 — питательная магистраль; 4 — поездной кран машиниста; 5 — тормозная магистраль; 6 — тормозной цилиндр; 7 — отпускная пружина; 8, 9 — механическая тормозная передача; 10 — тормозная колодка. 
Для работы такого тормоза необходим запас сжатого воздуха, хранимый на локомотиве в специальном резервуаре, называемом главным резервуаром (2). Нагнетание воздуха в главный резервуар и поддержание в нем постоянного давления выполняется компрессором (1), приводимым в действие от энергетической установки локомотива. Подачу сжатого воздуха к приборам управления тормозами выполняют по специальному трубопроводу, называемому питательной (ПМ) или напорной магистралью (3).
Управление тормозами вагонов и подача в них сжатого воздуха производится посредством длинного трубопровода, идущего через весь поезд и называемого тормозной магистралью (ТМ) (5). При подаче сжатого воздуха по ТМ он наполняет тормозные цилиндры (ТЦ) (6) подключенные непосредственно к ТМ. Сжатый воздух давит на поршень, прижимая тормозные колодки 10 к колесам, как на локомотиве, так и на вагонах. Происходит торможение.
Для прекращения торможения, то есть отпуска тормозов, необходимо выпустить воздух из тормозной магистрали в атмосферу, что приведет к возврату тормозных механизмов в исходное положение за счет усилия отпускных пружин, установленных в ТЦ.
Для торможения необходимо соединить тормозную магистраль (ТМ) с питательной (ПМ). Для отпуска — соединить тормозную магистраль с атмосферой. Эти функции выполняет специальный прибор — поездной кран машиниста (4) — при торможении он соединяет ПМ и ТМ, при отпуске — разобщает эти трубопроводы, одновременно выпуская воздух из ТМ в атмосферу.
В такой системе существует и третье, промежуточное положение крана машиниста — перекрыша когда ПМ и ТМ разобщены, но и выпуск воздуха из ТМ в атмосферу не происходит — кран машиниста полностью изолирует её. Набранное в ТМ и ТЦ давление сохраняется и время его поддержания на установленном уровне определяется величиной утечек воздуха через различные неплотности, а так же термической стойкостью тормозных колодок, нагревающихся при трении о бандажи колес. Постановка в перекрышу как при торможении так и при отпуске позволяет регулировать тормозное усилие ступенями. Такой тормоз обеспечивает как ступенчатое торможение, так и ступенчатый отпуск.
При всей простоте такой системы тормоза у неё имеется фатальный недостаток — при расцеплении поезда происходит разрыв тормозной магистрали, воздух из неё выходит и поезд остается без тормозов. Именно по этой причине такой тормоз не может быть применен на железнодорожном транспорте, слишком велика цена его отказа. Даже без разрыва поезда, при наличии крупной утечки воздуха эффективность тормоза будет снижена.
Исходя из вышесказанного возникает требование, чтобы торможение поезда инициировалось не возрастанием, а понижением давления в ТМ. Но как тогда наполнить тормозные цилиндры? Это дает второе требование — на каждой подвижной единице в поезде должен хранится запас сжатого воздуха, которые необходимо оперативно пополнять после каждого торможения.
К похожим выводам пришла инженерная мысль конца XIX века, что выразилось в создании Джорджем Вестингаузом в 1872 году первого автоматического железнодорожного тормоза.
Устройство тормоза Вестингауза: 1 — компрессор; 2 — главный резервуар; 3 — питательная магистраль; 4 — поездной кран машиниста; 5 — тормозная магистраль; 6 — воздухораспределитель (тройной клапан) системы Вестингауза; 7 — тормозной цилиндр; 8 — запасный резервуар; 9 — стоп-кран.
На рисунке показано устройство этого тормоза (рисунок а — работа тормоза при отпуске; б — работа тормоза при торможении). Главным элементом тормоза Вестигауза стал тормозной воздухораспределитель или, как его еще иногда называют, тройной клапан. Этот воздухораспределитель (6) имеет чувствительный орган — поршень, работающий на разности двух давлений — в в тормозной магистрали (ТМ) и запасном резервуаре (ЗР). Если давление в ТМ становится меньше чем в ЗР, то поршень смещается влево, открывая путь воздуху из ЗР в ТЦ. Если давление в ТМ становится больше давления в ЗР — поршень смещается вправо, сообщая ТЦ с атмосферой, и одновременно сообщая ТМ и ЗР, обеспечивая наполнение последнего сжатым воздухом из ТМ.
Таким образом, при снижении давления в ТМ по любой причине, будь то действия машиниста, чрезмерная утечка воздуха из ТМ или разрыв поезда — тормоза сработают. То есть такие тормоза обладают автоматичностью действия. Это свойство тормоза позволило добавить еще одну возможность по управлению тормозами поезда, используемую на пассажирских поездах и поныне — экстренная остановка поезда пассажиром, путем сообщения тормозной магистрали с атмосферой через специальный клапан — стоп-кран (9).
Тем к то знаком с этой особенностью тормозной системы поезда смешно смотреть фильмы, где воры-ковбои лихо отцепляют от поезда вагон с золотом. Для того, чтобы подобное можно было осуществить, ковбои должны, перед отцепкой, перекрыть концевые краны на тормозной магистрали, разобщающие тормозную магистраль от соединительных рукавов между вагонами. Но они никогда этого не делают. С другой стороны, перекрытые концевые краны не раз послужили причиной страшных катастроф, связанных с отказом тормоза, как у нас (Каменск в 1987 году, Ерал-Симская в 2011), так и за рубежом.
Из-за того, что наполнение тормозных цилиндров происходит от вторичного источника сжатого воздуха (запасного резервуара), без возможности его постоянного пополнения, такой тормоз называется непрямодействующим. Зарядка ЗР сжатым воздухом происходит только при отпуске тормоза, что приводит к тому, что при частых торможениях с последующим отпуском, при недостаточной выдержке времени после отпуска, ЗР не успеют зарядится до нужного давления. Это может привести к полному истощению тормоза и потере управления тормозами поезда.
Пневматический тормоз обладает и другим недостатком, связанным с тем, что падение давления в тормозной магистрали, как и любое возмущение, в воздушной среде распространяется с большой, но все же конечной скоростью — не более 340 м/с. Почему не более? Потому, что скорость звука — это идеальный вариант. Но в пневмосистеме поезда существует ряд препятствий, снижающих скорость распространения скачка снижения давления, связанных с сопротивлением течению воздуха. Поэтому, если не принимать специальных мер, скорость снижения давления в ТМ будет тем ниже, чем дальше от локомотива находится вагон. В случае с тормозом Вестингауза скорость так называемой тормозной волны не превышает 180 — 200 м/с.
Тем не менее, появление пневматического тормоза позволило повысить как мощность тормозов, так и оперативность управления ими непосредственно с рабочего места машиниста Это послужило мощным толчком к развитию железнодорожного транспорта, повышению скорости движения и веса поездов, и как следствие, колоссальному увеличению грузооборота на железной дороге, росту протяженности железнодорожных линий во всем мире.
Джордж Вестингауз был не только изобретателем, но и предприимчивым дельцом. Свое изобретение он запатентовал еще 1869 году, что позволило ему развернуть массовое производство тормозного оборудования. Довольно быстро тормоз Вестингауза получил широкое распространение в США, Западной Европе и в Российской Империи.
В России тормоз Вестингауза безраздельно царил до Октябрьской революции, да и довольно долгое время после нее. Фирма «Вестингауз» построила в Петербурге свой тормозной завод, а так же умело вытеснила с российского рынка конкурентов. Однако, тормоз Вестингауза обладал рядом принципиальных недостатков.
Во-первых, этот тормоз обеспечивал только два режима работы: торможение до полного наполнения тормозных цилиндров, и отпуск — опорожнение тормозных цилиндров. Создать промежуточную величину тормозного нажатия с его длительным поддержанием было невозможно, то есть в тормозе Вестингауза отсутствовал режим перекрыши. Это не позволяло реализовать точное управление скоростью поезда.
Во-вторых, тормоз Вестингауза плохо работал в длинных поездах, и если в пассажирском движении с этим можно было как-то мириться, то в грузовом возникали проблемы. Помните о тормозной волне? Так вот, тормоз Вестингауза не обладал средствами увеличения её скорости, и в длинном поезде снижение давления в ТМ на последнем вагоне могло начаться слишком поздно, да и темпом, существенно ниже, чем в голове поезда, что создавало дикую неравномерность срабатывания тормозных приборов по составу.
Надо сказать, что вся деятельность фирмы «Вестингауз», как в России того времени, так и во всем мире насквозь пропитана капиталистическим душком патентных войн и недобросовестной конкуренции. Это и обеспечило столь несовершенной системе столь долгую жизнь, по крайней мере в тот исторический период.
При всем при этом следует признать — тормоз Вестингауза заложил основы тормозной науки и принцип его действия остался неизменным в современных тормозах подвижного состава.
2. От тормоза Вестингауза к тормозу Матросова — становление отечественной тормозной науки.
Практически сразу после появления тормоза Вестингауза и осознания его недостатков возникли попытки совершенствования этой системы, либо создания другой, принципиально новой. Наша страна не являлась исключением. На начало XX века Россия обладала развитой сетью железных дорог, игравших значительную роль в обеспечении экономического развития и обороноспособности страны. Повышение эффективности транспорта связано с увеличением скорости его движения и массы единовременно перевозимого груза, а значит остро поднимались вопросы совершенствования тормозных систем.
Существенным толчком к развитию тормозной науки в РСФСР а позже СССР послужило снижение влияние крупного западного капитала, в частности фирмы «Вестингауз», на развитие отечественной железнодорожной отрасли после октября 1917 года.
Ф.П. Казанцев (слева) и И.К. Матросов (справа) — создатели отечественного железнодорожного тормоза
Первой ласточкой, первым серьезным достижением молодой отечественной тормозной науки, стали разработки инженера Флорентия Пименовича Казанцева. В 1921 году Казанцев предложил систему прямодействующего автоматического тормоза. Приведенная ниже схема описывает все основные идеи, привнесенные не только Казанцевым, и её задача — объяснить основные принципы работы усовершенствованного автоматического тормоза
Прямодействующий автоматический тормоз: 1 — компрессор; 2 — главный резервуар; 3 — питательная магистраль; 4 — поездной кран машиниста; 5 — устройство питания утечек тормозной магистрали; 6 — тормозная магистраль; 7 — соединительные тормозные рукава; 8 — концевой кран; 9 — стоп-кран; 10 — обратный клапан; 11 — запасный резервуар; 12 — воздухораспределитель; 13 — тормозной цилиндр; 14 — тормозная рычажная передача. 
Итак, первой основной идеей является то, что управление давлением в ТМ осуществляется опосредованно — через снижение/повышение давления в специальном резервуаре, называемом уравнительным резервуаром (УР). Он показан на рисунке справа от крана машиниста (4) и сверху от устройства питания утечек из ТМ (5). Плотность этого резервуара обеспечить технически гораздо легче чем плотность тормозной магистрали — трубы длиной достигающей километровых порядков и идущей через весь поезд. Относительная стабильность давления в УР позволяет поддерживать давление в ТМ, используя давление в УР как задающее. И правда, поршень в устройстве (5) при снижении давления в ТМ опускается вниз, открывая клапан, наполняющий ТМ из питательной магистрали, тем самым поддерживая в ТМ давление, равное давлению в УР. Этой идее предстоял ещё длинный путь развития, но теперь давление в ТМ не зависело от наличия внешних утечек из неё (до известных пределов). Устройство 5 перекочевало в кран машиниста и остается в нем, в модифицированном виде, и по сей день.
Другой важной идеей, лежащей в основе конструкции данного типа тормоза, является питание ЗР от ТМ через обратный клапан 10. При превышении давления в ТМ над давлением в ЗР этот клапан открывается, наполняя ЗР из ТМ. Таким образом происходит непрерывное пополнение утечек из запасного резервуара и обеспечивается неистощимость тормоза.
Третьей важной идеей, предложенной Казанцевым, является конструкция воздухораспределителя, который работает на разности не двух давлений, а трех — давления в тормозной магистрали, давления в тормозном цилиндре, и давления в специальной рабочей камере (РК), которая при отпуске питается давлением от тормозной магистрали, вместе с запасным резервуаром. В режиме торможения РК разобщается с запасным резервуаром и тормозной магистралью, сохраняя величину изначального зарядного давления. Это свойство широко используется в тормозах подвижного состава как для обеспечения ступенчатого отпуска, так и для управления равномерностью наполнения ТЦ вдоль поезда в грузовых составах, ибо рабочая камера служит эталоном изначального зарядного давления. Исходя из его величины можно обеспечить и ступенчатый отпуск и организовать более раннее наполнение ТЦ в хвостовых вагонах. Подробное описание этих вещей оставлю для других статей по этой теме, пока лишь скажу, что работы Казанцева послужили стимулом для развития в нашей стране научной школы, приведшей к разработке оригинальных систем тормоза подвижного состава.
Другим советским изобретателем, кардинально повлиявшим на развитие отечественных тормозов подвижного состава стал Иван Константинович Матросов. Его идеи, принципиально не отличались от идей Казанцева, однако последовавшие позже эксплуатационные испытания систем тормозов Казанцева и Матросова (вкупе с другими системами тормоза) показали существенное превосходство второй системы в части эксплуатационных характеристик при применении, прежде всего, на грузовых поездах. Таким образом тормоз Матросова с воздухораспределителем усл. № 320 стал основой для дальнейшей разработки и проектирования тормозного оборудования железных дорог колеи 1520 миллиметров. Современный автоматический тормоз, используемый в России и странах СНГ, по праву может носить имя тормоза Матросова, так как впитал, на начальном этапе своего развития, идеи и конструкторские решения Ивана Константиновича.
Вместо заключения
А какое заключение? Работа над этой статьей убедила меня в том, что тема достойна цикла статей. В этой, пилотной статье, мы коснулись истории развития тормозов подвижного состава. В следующих уйдем в пикантные подробности, затронув не только отечественный тормоз, но и разработки коллег из Западной Европы, осветив устройство тормозов разных типов и рода службы подвижного состава. Так что, я надеюсь, тема будет интересной, и до новых встреч на хабре!