20.2 C
Москва
06.07.2022
Евины инструменты

Воздухораспределители

Один из пассажиров железной дороги Ливерпуль – Манчестер, совершивший поездку в 1833 году, записал в своем путевом блокноте следующие любопытные наблюдения:

«Никогда в Ливерпуле не наблюдалось такого множества приезжего народа, собравшегося со всех концов трёх королевств. Все постоялые дворы были переполнены, и даже на улицах оставались кареты, для которых не хватало места на дворах.
В среду с самого утра народ стал собираться около железной дороги. Стояла прекрасная погода. Находящаяся за городом станция железно-дорожного общества служила местом для встречи гостей, приглашенных для участия в торжественной поездке из Ливерпуля в Манчестер. Вскоре помещение, где находились повозки железной дороги, наполнились веселыми группами гостей, спешно разыскивающих предоставленные им места, номера которых были проставлены на пригласительных билетах. В этот момент  станция представляла великолепное зрелище. На путях стояли 33 наполненные нарядной публикой повозки, разделенные на 8 поездов, отличавшихся друг от друга разными цветами шёлковых флагов. Почти непрерывно раздавались звуки оркестра.
Около 10 часов прибыл герцог Веллингтон, и после того, как он со своей свитой занял предназначенные для них места, кареты покатились.  Я умышленно говорю «кареты покатились», так как не было никакой видимой силы, приводивших их в движение; просто тормоза были отпущены и кареты покатились по наклонной плоскости тоннеля. Этой покатости было достаточно, чтобы привести их в движение.
Когда наш поезд прибыл на паровозную станцию, его прицепили к паровозу, названному «Нортумберлендец».  Наш поезд состоял, кроме вагона герцога Веллингтона, из двух крытых и трех открытых карет с 26 пассажирами в каждой. На высоких откосах паровозной станции теснились тысячи зрителей, возгласы которых заставляли дрожать воздух.
Мы опасались, что путь будет скучен и однообразен, так как слышали, что он проложен в горизонтальном направлении, но мы ошиблись.
В момент отъезда железный конь разражается взрывом пара, бьющего ввысь, затем он секунду или две словно отдыхает, после чего взрывы следуют один за другим, все чаще и чаще, пока повторение их не становится настолько быстрым, что их уже нельзя сосчитать,  хотя каждый удар все еще отчетливо слышен. По звуку эти взрывы скорее всего напоминают короткое рычание льва или тигра. На подъеме они становятся все реже, пока, наконец, в своем страшном усилии добраться до вершины этот огромный автомат начинает походить на запаленную лошадь. С того момента, как вершина достигнута и подъем переходит в уклон, удары вновь становятся чаще, машина, везущая поезд, начинает торопиться, и в несколько секунд, как молния, слетает по спуску, сопровождаемая беспрерывными взрывами пара. Поезд мчится со скоростью 55 – 65 км/час. Я сидел в первом вагоне, так сказать над машиной. Несмотря на то, что погода стояла совершенно безветренная, нам навстречу несся ураган – с такой скоростью мы рассекали воздух.
Грохот извержения Везувия и Этны потрясают человека своей грандиозностью и глубоко подавляют его. Зрелище же, которое мы наблюдали при открытии железной дороги Ливерпуль – Манчестер, будит в нас высокое чувство собственного достоинства и изумление перед силой человеческого духа. Оно так захватывает, что всякое описание его бледнее действительности».

На рисунке показан один из первых пассажирских вагонов. Собственно говоря – это и не вагон вовсе, а обычная карета, поставленная на железные колеса с ребордами, позволяющими катиться по рельсовому пути. Довольно хорошо видны у передних колес тормозные колодки и длинный, идущий наверх рычаг, посредством которого эти колодки прижимались к поверхности катания колес. Рукоятка управления находится по левую руку кучера. Стоп – стоп! Какого кучера? Ведь это вагон пассажирского поезда! Тем не менее, на сиденье близ тормозного рычага постоянно находился человек и по звуковому сигналу машиниста паровоза затормаживал свой вагон. Этот человек назывался «кондуктор», что в переводе с английского означает «сопровождающий».

На другом рисунке изображен грузовой вагон – двухосная платформа. Здесь достаточно подробно и четко показана вся тормозная система – колодки, тормозные тяги и рычаги, тормозной винт с рукояткой. Место кондуктора менее комфортно; он, как видно, не сидит, а стоит возле своего тормозного винта.

Ручное  управление тормозами существовало несколько десятилетий. Оно дополнялось тем непременным условием, что площадку для железной дороги стремились делать близкой к горизонтали. Также машинист мог использовать для торможения так называемый «контрпар». Реверс переводился в позицию «назад», и кинетическая энергия поезда затрачивалась на сжатие пара в цилиндрах паровой машины.

Но и тогда уже происходили события, побуждающие искать иной способ управления тормозами. Случалось, кондуктор засыпал и не реагировал на гудок машиниста. Бывало, что люди падали с тормозных площадок, калечились и даже гибли. При этом вагон оставался без тормозов – опасности подвергались и пассажиры.

Была попытка управлять тормозами с помощью системы тросов, наматывающихся на барабан в кабине машиниста и протянутых к тормозным рычагам каждого вагона.  Такие устройства применялись в России на Николаевской железной дороге в середине XIX века. Но тросы путались, рвались, работали крайне ненадежно.

Воздушный тормоз, применяемый до сегодняшнего дня, изобрел Джордж Вестингауз.  Джордж родился в Сентрал-Бридж, штат Нью-Йорк в 1846 году. Его отец – владелец механических мастерских – был талантливым изобретателем и успешным бизнесменом, занимаясь разработкой сельскохозяйственных приспособлений. Юный Джордж пошел по стопам родителя, но много дальше. В 19 лет он сделал первое изобретение – ротационный паровой двигатель; до того применялись лишь поршневые. В 21 год Вестингауз стал случайным  свидетелем крупной железнодорожной аварии. Машинисты и кондукторы не могли остановить свои мчащиеся навстречу друг другу поезда из-за несовершенства тормозной системы.

Джордж Вестингауз - изобретатель автоматического тормоза
Джордж Вестингауз – изобретатель автоматического тормоза

Молодому изобретателю пришла в голову идея, что тормозные колодки можно прижимать к колесам не мускульной силой человека, а силой сжатого пара, предаваемого по специальному трубопроводу с гибкими междувагонными связями к каждому вагону. Пара на локомотиве было предостаточно; и логично  попытаться ту же самую силу, которая тянет поезда, заставить работать и для их остановки.  Скоро, правда, выяснилось, что пар для этой цели не вполне пригоден; тогда Вестингауз создал паровоздушный насос, который энергию сжатого пара преобразовывал в энергию сжатого воздуха, а уже сжатый воздух шёл в тормозную трубу поезда.

Изобретение было запатентовано в 1872 году, тогда же была основана Westinghouse Air Brake Company (WABCO), которая существует по сегодняшний день, производя тормозные приборы не только для вагонов, но также для большегрузных автомобилей и автобусов.

Всего Джордж Вестингауз запатентовал около 400 изобретений, он сотрудничал с Эдисоном и Тесла, увлекаясь в более зрелом возрасте электричеством. Им разработаны  тяговый электродвигатель для трамвая, усовершенствованная конструкция силового трансформатора, предложен электрический локомотив (электровоз), вместе с Тесла и Эдисоном он внедрял систему многофазного переменного тока и даже принимал участие в создании орудия казни преступников – американского электрического стула. Созданная им компания «Вестингауз Электрик» до сих пор является крупнейшей электротехнической корпорацией в мире.

Джордж Вестингауз был женат на Маргарет Уокер, с которой они прожили 47 лет и имели одного ребенка – Джорджа Вестингауза – Третьего. Умер изобретатель и бизнесмен в 1914 году в возрасте 67 лет.

Теперь давайте рассмотрим, в чем же, собственно, заключалось изобретение Джорджа Вестингауза, просуществовавшее полтора столетия и до сих пор не имеющее реальной альтернативы. Ознакомимся со схемой, так называемого прямодействующего воздушного тормоза, представленной на картинке.

Под номером 1 изображен компрессор – аппарат, служащий для приготовления сжатого воздуха. Он затягивает воздух из окружающего пространства в свои цилиндры, где посредством движущихся поршней сжимает его до высокого давления. В проекте Вестингауза роль компрессора выполнял паровоздушный насос несложной конструкции; на рисунке показан современный компрессор, имеющий привод от электродвигателя или дизеля. Номер 2 – это главный резервуар, хранилище сжатого воздуха, расположенный, как и компрессор, на локомотиве. 3 – труба, связывающая компрессор и кран машиниста, эту трубу принято называть питательной магистралью. 4 – кран машиниста, прибор для управления тормозами. Он показан в виде цилиндрической пробки, в которой высверлен канал в форме прямого угла.
Кран (пробка) может иметь три положения. В положении I канал в пробке соединяет питательную магистраль 3 с тормозной магистралью 5, в которую поступает сжатый воздух и проходит по всем вагонам до хвоста поезда. На каждом вагоне имеется ответвление от тормозной магистрали, ведущее к тормозному цилиндру 6. Воздух воздействует на поршень тормозного цилиндра 7; поршень смещается вправо (по рисунку), выдвигая шток 8. Конец штока 8 посредством рычага 9 связан с тормозной колодкой 10. Таким образом, в положении I происходит торможение поезда.
Положение III переключательной пробки даёт выход воздуху из тормозной магистрали наружу, как говорят, в атмосферу. Оттормаживающие пружины, которые имеются в каждом тормозном цилиндре, возвращают поршни на место, соответственно уходят внутрь и штоки цилиндров, и тормозные колодки отодвигаются от колес. Происходит отпуск тормоза.

Положение II называют «перекрыша», поскольку углообразный канал в пробке становится таким образом, что перекрывает сообщение всех трубопроводов. Для чего оно?
С помощью крана машиниста можно создать давление в тормозной магистрали 5 атм., это означает, что на каждый квадратный сантиметр внутренней поверхности труб давит сила 5 кг. Зная площадь поршня тормозного цилиндра в квадратных сантиметрах и соотношение плеч рычага 9, легко вычислить давление тормозной колодки на колесо.  Но по дорожным обстоятельствам не всегда нужно создавать максимальную тормозную силу, иногда требуется лишь немного притормозить.  Поэтому машинист имеет возможность положением I впустить в тормозную магистраль воздух до давления, к примеру, 2 атм., а затем сделать «отсечку», установив кран в положение перекрыши.  Если же тормозной силы будет недостаточно, он может добавить давления и вновь перекрыть каналы. Так же частичными порциями можно выпускать воздух и при отпуске тормозов, чтобы уменьшить тормозную силу, но не отводить колодки от колес. Подобные действия принято называть ступенчатым торможением и ступенчатым отпуском.
Разобранная схема наглядно показывает, как потенциальная энергия сжатого воздуха, запасенная локомотивным компрессором, передается по трубопроводу в самый дальний конец поезда и там, в тормозном цилиндре, превращается в механическую силу, воздействующую через шток и тормозной рычаг на колодку. Тем не менее, мы должны признать, что тормоз, построенный по такой схеме, будет крайне ненадежным и опасным в эксплуатации.
Предположим, что во время движения сами собой расцепились вагоны. Это предположение совсем не умозрительное; так бывает часто. Нарушается целостность тормозной магистрали. При попытке машиниста затормозить воздух через прорыв выходит наружу в атмосферу, не доходя до тормозных цилиндров. Более того, если разрыв поезда произошел при заторможенном поезде, то тормоза отпустят, поскольку оттормаживающие пружины тормозных цилиндров посадят штоки на место, выдавливая из цилиндров весь бывший там воздух.

Разумеется, это понимал Джордж Вестингауз; в придуманной им схеме на каждом вагоне устанавливались тройной клапан и запасной резервуар. Картинки, поясняющие идею Вестингауза, взяты из английского источника; отдавая дань уважения изобретателю, мы запомним английские названия основных тормозных приборов.
Итак, после прицепки вагона к паровозу, тормозная магистраль вагона (Brake Pipe) наполняется сжатым воздухом.

Воздух поступает в тройной клапан (Triple Valve); воздействует на золотник (ползунок) с поршнем (Slide Valve), который смещается влево по рисунку. Верхняя часть золотника открывает выемку Feed Groove, через которую воздух из тормозной магистрали поступает в запасной резервуар (Auxiliary Reservoir). Нижняя часть золотника открывает выемку, через которую тормозной цилиндр (Brake cylinder) связан с атмосферой.

Этот этап работы тормоза называется зарядкой; он выполняется перед отправлением в путь. Заканчивается зарядка тогда, когда давление воздуха в запасном резервуаре станет равно давлению воздуха в тормозной магистрали. Обратим внимание, что заряженная (наполненная воздухом) тормозная магистраль и заряженный запасной резервуар – это состояние готовности к торможению, которое поддерживается во время движения поезда.

При саморасцепе вагонов воздух из поврежденной тормозной магистрали выходит в атмосферу.  Тогда поршень золотника тройного клапана оказывается под разностью давлений. Слева на него действует давление запасного резервуара, которое создалось там после зарядки и поддерживалось в пути. Справа – давление тормозной магистрали, которое после ее повреждения стремительно падает. От разности давления поршень вместе с ползунком-золотником смещается вправо по рисунку. Верхняя часть его отсекает выемку Feed Groove, и тем самым прерывает сообщение тормозной магистрали и запасного резервуара, предотвращая разрядку последнего.

Нижняя часть отсекает выход из тормозного цилиндра в атмосферу, зато становится таким образом, что позволяет воздуху перетечь из запасного резервуара в тормозной цилиндр. Воздух поступает в тормозной цилиндр, действует на поршень (Piston), выходит шток и тормозная колодка (Brake Block) прижимается к колесу (Wheel). Происходит торможение.

Торможение произошло само по себе, автоматически. Причиной его было снижение давления в тормозной магистрали вследствие расцепа вагонов.  Но снижение давления может произвести и машинист, выпустив через кран некоторое количество воздуха в атмосферу. Всё сработает таким же образом – произойдет торможение.
Правда, есть существенное отличие. При расцепе вагонов либо ином повреждении тормозной магистрали  воздух из неё выйдет весь, давление упадет до нуля. При торможении краном машиниста возможно понижение давления в тормозной магистрали, например с 5 до 4 атм., после чего кран будет переведен в положение перекрыши, зафиксировав пониженное давление.

Как отреагирует на это тройной клапан? Изначально он сдвинется вправо, как и при автоматическом торможении, от перепада давлений: 5 атм. со стороны запасного резервуара против 4 атм. со стороны тормозной магистрали. Но по мере того, как воздух перетекает из запасного резервуара в тормозной цилиндр, давление воздуха в запасном резервуаре падает, поскольку изначальный запас распределяется на два объема. Когда давление в запасном резервуаре станет 3,9 атм. (на 0,1 атм. меньше, чем в тормозной магистрали), возникнет обратный перепад давлений, сдвигающий золотник влево. Однако перепад весьма малый, поэтому и перемещение золотника будет малым. Он встанет в положение перекрыши – как показано на схеме ниже.

В положении перекрыши, как видно из схемы, отсекается канал, сообщающий запасной резервуар с тормозным цилиндром; наполнение последнего прекращается. Но продолжают оставаться закрытыми каналы сообщения: тормозная магистраль –  запасной резервуар и тормозной цилиндр – атмосфера. В тормозном цилиндре зафиксируется некоторое давление; тормозные колодки при перекрыше будут прижаты к колесам с определенной силой.

Из положения перекрыши тройной клапан можно вывести двумя способами: 1) Дополнительно снизить давление в тормозной магистрали (ниже, чем 3,9 атм.) – тогда произойдет вторая ступень торможения; 2) Повысить давление в тормозной магистрали на значительную величину, например до первоначальных 5 атм. Такого перепада будет достаточно, чтобы золотник сдвинулся влево до предела, как на первой схеме (при зарядке).

Нижняя выемка золотника сообщит тормозной цилиндр с атмосферой – произойдет отпуск тормозов. А сверху откроется канал Feed Groove, через который снова зарядится запасной резервуар для готовности к следующему торможению.
Таким образом, центральной частью, «изюминкой» изобретения Вестингауза был именно TRIPLE VALVE – ТРОЙНОЙ КЛАПАН.  Он назван так  потому, что соединяет три канала: тормозную магистраль, запасной резервуар, тормозной цилиндр.  Тормозная магистраль в таком тормозе играет двоякую роль. Она 1) поставщик сжатого воздуха от локомотива для зарядки запасного резервуара; 2) средство для управления действием тройного клапана.  При снижении давления в магистрали тройной клапан переводится в положение торможения, при повышении давления – в положение отпуска и зарядки.

Тройной клапан Вестингауза в конце XIX века выглядел вот так (картинка взята из тогдашней английской инструкции по тормозам).

А вот схема тормозного оборудования из старинной инструкции:

На железных дорогах России тройной клапан Вестингауза применялся почти сто лет, до 1959 года. Вот рисунок, изображающий одну из последних его модификаций – условный номер 219 (слева).

После 1959 года приборы Вестингауза  заменены отечественными приборами – воздухораспределителями условный номер 292 (рисунок справа), но даже беглый взгляд на представленные картинки позволяет утверждать, что образцом для российского изобретателя Матросова было изделие Джорджа.

Смотрите также: