Текст книги "Скоростные поезда"
Автор книги: Ромэн Яров
сообщить о нарушении
Текущая страница: 3 (всего у книги 5 страниц)
Так же как и КВЗ-5, тележка КВЗ-ЦНИИ имеет двухступенчатое рессорное подвешивание. Первая ступень та, к которой подвешены буксы. Это витые пружины с фрикционными кольцевыми амортизаторами, которые нужны для того, чтобы гасить перемещения колесных пар. Вторая ступень – это центральные винтовые пружины с гидравлическими амортизаторами. Пружины в КВЗ-ЦНИИ устанавливаются в коробообразном поддоне – вместо балочного в КВЗ-5. Это вызвано тем, что пружины в новой тележке больше и эластичнее, чем в старой, следовательно, и основание должно быть больше.
Но основное в конструкции новой тележки, отличающее ее от старой, это узел опоры кузова. Кузов опирается не на подпятники тележки, а на боковые скользуны. Когда тележка поворачивается относительно кузова, между ними от сил трения возникает момент, который поглощает энергию влияния тележки. В результате и кузов вагона колеблется меньше.
Остановить вовремя
Один старый опытный автомобилист говорил так: «Когда я подхожу к новому автомобилю, на котором мне предстоит поехать, я обращаю мало внимания на подвеску, не очень старательно проверяю работу двигателя… Но тормоза… Тут от моего внимания не ускользает ни одна маленькая деталь. Ведь от их исправной работы зависит жизнь…». Может быть, он несколько преувеличил, говоря о невнимании, с которым относится к работе двигателя или подвески, но лишь для того, чтоб подчеркнуть серьезность, с какой надо относиться к тормозам. Что же оказать о том значении, которое имеет надежность и эффективность тормозов для современных скоростных поездов, когда составы мчатся значительно быстрей автомобилей, и не одна, а сотни жизней могут зависеть от того, насколько быстро остановится поезд?
В том комплексе проблем, которые решают конструкторы, создавая скоростные поезда, проблема торможения является одной из ведущих. В популярной книге Г. Гюнтера «Железная дорога», изданной в нашей стране в 1930 г., говорится, что путь, пройденный скорым поездом с начала торможения до полной остановки, составляет довольно значительное расстояние – около 500 м.
За годы, прошедшие с тех пор, изменилось многое. И тормозные пути скорых поездов тоже. При скорости 120 км/ч и очень незначительном уклоне тормозной путь составляет 1200 м. Это при том условии, что поезд оборудован чугунными колодками и пневматической системой тормозов, т. е. так же, как и десятки лет назад. Задача номер один – сокращение длины тормозного пути. Но не любым способом. При резком торможении даже в троллейбусе люди валятся друг на друга, что же будет с ними в мчащемся поезде?
Максимальная величина замедления, которую человек переносит без неприятных ощущений, равна 1,5 м/сек2. При этом замедлении человек еще может передвигаться по вагону, а посуда в вагоне-ресторане не слетает со столов. И все же 1,5 м/сек2 – это для экстренного торможения; при эксплуатационном величина замедления не должна превышать 1,2 м/сек2. Тормозные механизмы должны быть достаточно мощными и, кроме того, необходимо предусмотреть устройства для отвода тепла. Вот все эти проблемы и встали перед конструкторами.
Прежде всего надо было найти замену старому испытанному материалу для тормозных колодок – чугуну. Чугунные колодки честно служили при небольших скоростях движения; с увеличением скоростей стала обнаруживаться их несостоятельность. Нужен был материал, коэффициент трения которого мало зависел бы от скорости, усилия, с которым прижимается колодка, погоды. Он должен был иметь износостойкость, превышающую износостойкость чугуна в 2–3 раза, необходимую прочность и теплостойкость. Последнее свойство имеет особо важное значение. (При высоких скоростях торможение сопровождается тем, что поверхностные слои чугунных колодок плавятся, пленка жидкого металла действует как смазка, и коэффициент трения снижается до недопустимо малых величин.) Кроме всего этого, колодки из такого материала должны были бы гарантировать мягкое, спокойное торможение.
Ученые начали искать материал, который мог бы удовлетворить всем этим требованиям. Несколько лет назад в результате совместной работы многих научно-исследовательских институтов, появились так называемые «композиционные» колодки. Их основной материал – асбест, а для того, чтобы колодка обладала необходимыми механическими и физическими свойствами, в состав их вводят самые разные компоненты: каучук, железный сурик, бакелитовую и эпоксидную смолы, чешуйчатый графит, окись цинка и т. д. Асбестовая колодка значительно лучше чугунной. У нее выше коэффициент трения; при большой скорости и увеличении тормозного усилия он снижается не так резко. Тормозной путь сокращается, а торможение проходит плавно и без рывков. Не надо применять особые устройства – скоростные регуляторы, которые меняют усилие нажатия в зависимости от скорости. Служит композиционная колодка в 3–4 раза больше чугунной, а весит в 3 раза меньше.
Однако и у композиционных колодок есть существенный недостаток – низкая теплопроводность. Колеса, схваченные этими колодками, очень сильно нагреваются, поверхность катания их при этом портится. Поэтому необходимо было принципиальное решение, которое освободило бы поверхность катания колес от воздействия на них тормозных усилий. Таким решением явились дисковые тормоза.
Колодочные тормоза для вагонов и автомобилей пришли из глубокой старины, еще со времен карет. Модернизируясь, они дошли до наших дней. Но нынче и в автомобилях и в поездах колодочные тормоза уступают место дисковым. На ось колесной пары напрессовывают стальные ступицы, а к ним болтами и специальными втулками крепят чугунные диски. Это один элемент фрикционной пары. Второй – накладки из композиционного материала. При торможении накладки плотно прижимаются к дискам. Тепло, которое при этом возникает, через поверхность дисков (значительно большую, чем поверхность колодок) рассеивается в воздухе. Диски изнашиваются в той же степени, что и колеса – поэтому менять их можно одновременно.
Дисковые тормоза легче колодочных на 30–35 %. Почему это так? Между диском и накладкой более высокий коэффициент трения, чем между колодками и колесами. Изнашиваются и диски, и накладки очень мало. Поэтому рычажная передача, через которую усилие передается к дискам, имеет сравнительно небольшой ход, и не нужно регулировать силу торможения в зависимости от износа тормоза. Не надо менять тормозные накладки, и нет пыли от чугунных тормозных колодок, которая портит вагоны и ухудшает изоляционные свойства систем сигнализации и связи.
Как бы ни были хороши дисковые тормоза, у них есть принципиальный недостаток, присущий любой системе тормозов, воздействующих на колесо. Сила, с которой действуют на него диски или колодки, не должна превышать силу сцепления колеса с рельсом, иначе начнется скольжение. Поэтому даже ту величину замедления при торможении, которую человек переносит без вреда, – 1,5 м/сек2 – получить нельзя. В поезде Ленинград – Москва, движущемся со скоростью 160 км/ч, удалось получить замедление, равное лишь 0,7 м/сек2.
Для того чтобы избавиться от этого недостатка, применяют противоюзные устройства и автоматические регуляторы тормозного нажатия. Этот механизм позволяет повышать тормозное усилие до предела, равного силе сцепления колеса с рельсом. Выше этого подняться уже нельзя. А между тем коэффициент сцепления колес с рельсами величина нестабильная, уменьшающаяся с повышением скорости. Опять-таки потребовалось принципиальное решение – тормоза, эффективность действия которых не зависит от силы сцепления колес с рельсами. Для этой цели можно использовать воздушное-сопротивление, можно даже реактивные двигатели, можно, наконец, магнитно-рельсовые тормоза. Именно эта конструкция привлекает к себе пристальное внимание инженеров. При испытаниях в ФРГ поезд с магнитно-рельсовыми тормозами, мчащийся со скоростью 150 км/ч, проехал после включения тормозной системы всего 425 м. Как же выглядит и действует такой тормоз?
Между колесами тележки установлены башмаки, в верхней части которых помещены обмотки электромагнитов (рис. 4).
Рис. 4. Устройство магнитно-рельсового тормоза: 1 – башмаки; 2 – пневматические цилиндры; 3, 5 – трубки сжатого воздуха; 4 – провода; 6 – электромагнитный клапан; 7 – кран машиниста; 8 – реле.
Расстояние от головки рельса до низа башмака 130 мм. Башмаки прикреплены к штокам пневматических цилиндров, соединенных с магистралью сжатого воздуха. Когда машинист поворачивает рукоятку крана в позицию экстренного торможения, ток от батареи идет в цепь, электромагнитный клапан вступает в действие, и поршни несколько прижимают башмаки к рельсам. При этом вступает в действие реле, через которое идет ток к магнитам башмаков, и они прижимаются к рельсам с гораздо большей силой – от 2500 до 12 000 кГ. Когда машинист поворачивает рукоятку назад, электромагниты обесточиваются, воздух через электромагнитный клапан выходит из цилиндров, и башмаки под действием пружин поднимаются вверх.
Тормозной путь французского поезда из четырех пассажирских вагонов с электровозом ВВ9291 составляет при использовании пневматических дисковых тормозов 2500 м. Применение магнитно-рельсового тормоза позволяет сократить эту величину до 1400–1700 м. Электрический и дисковый тормоза применяются в режиме служебного торможения. Магнитно-рельсовый тормоз включается только при экстренном торможении.
И колодочные, и дисковые, и магнитно-рельсовые тормоза действуют по одному принципу – использованию силы трения. Но опять-таки возможен совершенно иной метод – электрическое торможение. Современные скоростные электропоезда оборудуются подобными устройствами, и в некоторых случаях фрикционное торможение отступает на второй план. Его применяют лишь тогда, когда поезд движется с небольшой скоростью. Особо широко применяется на высокоскоростных локомотивах электрическое реостатное торможение. При этом способе тяговые двигатели включаются для замедления хода на постоянное сопротивление. Мощность реостатного торможения может быть доведена до часовой мощности локомотива и даже стать больше ее.
Испытания реостатного торможения на электровозах и тепловозах, мчащихся со скоростью 160 км/ч, показали, что система эта по эффективности превосходит обычное фрикционное торможение. Тормозной путь электровоза ЧС4, снабженного тормозными сопротивлениями мощностью 5000 квт, составил при начальной скорости 160 км/ч 1200 м. Если пневматические и реостатный тормоза действуют совместно, давая замедление 0,5 м/сек2, на долю последнего приходится 30–50 % общего тормозного усилия.
Итак, все эти новые конструкции и системы, действуя порознь или совместно, обеспечивают плавное, мягкое и быстрое торможение.
Поездом управляет автомат
Трудно найти людей, которые бы так любили свою профессию, как старые паровозные машинисты. Вот как рассуждает один из них в рассказе прекрасного писателя Андрея Платонова «Происхождение мастера»: «…Где вы, старинные механики, помощники, – кочегары, обтирщики? Бывало, близ паровоза люди трепетали…».
Писатель сам одно время работал на железной дороге, и во многих его произведениях сквозит это нежно-восторженное отношение человека к машине. Причин такого отношения много. Искусство паровозного машиниста очень сложно, на овладение им уходили годы. А самое главное – это то, что, отбывая в рейс, человек как бы уходил от обычного, наскучившего житейского распорядка. Был только он, машина и дорога. И это чувство освобожденности и одновременно власти над пространством, свойственное, быть может, еще только капитанам судов дальнего плавания, и заставляло машинистов обожать свою профессию.
Не то сейчас. Любовь к делу осталась; оторванность в рейсе от событий на том же участке пути – нет. Да и невозможно машинисту в условиях нынешнего интенсивнейшего, а особенно скоростного движения вести состав, не зная, что делается сзади и что спереди. На поезд и с поезда все время должна передаваться информация. Не обязательно, чтобы ее принимал именно машинист. Могут и приборы, но обойтись без нее нельзя. Поэтому даже когда еще речи не было о скоростном движении, начали применять радиосвязь с поездами. В то время (конец 40-х – середина 50-х годов) задачи радиосигнализации на железной дороге были ограниченными. В основном это была радиотелефонная связь, служившая для вызова ремонтно-восстановительных бригад. При авариях или стихийных бедствиях, когда нарушался график, можно было с ее помощью управлять движением поездов.
Радиотелефонная связь осталась и даже значительно расширила свои функции. На линии Новая Токайдо, например, поездной диспетчер может информировать машиниста о том, соблюдается ли график, и, если нарушен, то, как это нарушение ликвидировать. Но вообще-то этот вид связи не является специфической принадлежностью именно скоростного движения. Есть, однако, вещи, которые присущи только ему.
Электроника пришла на железную дорогу гораздо позже, чем в авиацию. Грохочущий, грязный паровоз – мало подходящее место для работы хрупкой электронной аппаратуры. Да и нужды в ней при низких скоростях не было. Другое дело теперь. Аппаратура стала надежнее; плавность движения – выше, а необходимость в электронной технике – безусловная. В самом деле, скорость можно повышать только при том условии, что безопасность движения никоим образом не снижается. Для этой цели разработаны новые конструкции тормозов. Но наступает момент, когда и этого мало. Тормозной путь современных скоростных и сверхскоростных поездов все равно очень велик.
Безопасность сверхскоростного движения обеспечивает система локомотивной сигнализации с непрерывной поездной авторегулировкой, примененная, например, на линии Новая Токайдо. Устройства, входящие в нее, дают знать машинисту с том, что путь занят и необходимо тормозить гораздо раньше, чем он увидел это, вглядываясь в сигналы. Электронные устройства все время повторяют в кабине машиниста показания путевых сигналов. Они же проверяют, не превосходит ли скорость допустимой. Машинист видит величину той соответствующей сигналам скорости, с которой он может двигаться. Кроме того, ему показывается расстояние, остающееся до контрольной точки, где поезд должен остановиться или двигаться со сниженной скоростью. Вся линия разбита – на блок-участки, каждый примерно по 3000 м. Сигнал о скорости, с какой надо пройти впереди лежащий участок, появляется в виде световой надписи в кабине. Всего существует шесть градаций скорости: 210; 160; 110; 70; 30 и 0 км/ч. Если же машинист не реагирует на сигнал, автоматически или включаются тормоза или изменяется скорость.
Для передачи информации, обеспечивающей непрерывный контроль за движением поездов на Новой Токайдо, используются рельсы. В ФРГ для этой цели применяются линейные проводники – однополярные кабели с медной жилой, которые укладывают на полку рельса с внутренней стороны. В проводники подается переменный ток высокой частоты, создающий между рельсами электромагнитное поле. Через, каждые 100 м проводники обоих рельс одной колеи соединяются. Из-за изменения фазы точки скрещивания становятся нулевыми точками, уровень приема падает, и положение локомотива всегда можно определить, подсчитав количество нулевых точек.
Импульсы, идущие по проводнику, передаются на приемную катушку локомотива, а оттуда – на индикаторный прибор. За 5 км до сигнала машинист, ведущий поезд на линии Мюнхен – Аугсбург со скоростью 200 км/ч, знает, что он должен начать торможение.
Код передачи представляет собой комбинации из двух частот; импульсы непрерывно передаются со скоростью 1 м/сек.
Такого рода система обладает неограниченной емкостью информации на локомотив можно передавать любые сведения: о скорости, уклонах пути и т. д. В свою очередь, и от локомотива может поступать полная информация, определяющая его местоположение.
А что же дальше? В каком направлении работают инженеры, занимающиеся автоматикой на железных дорогах? Таких направлений несколько.
Автоматическую систему для отечественного скоростного поезда ЭР-200 разработал Ленинградский проектный институт «Гипротрансигналсвязь». Она обеспечит выполнение графика с точностью до 30 сек, а скорость будет поддерживаться с точностью до ±5 км/ч.
Японские специалисты хотят использовать на сверхскоростных магистралях радиолокатор. Вдоль обоих рельсов укладывают волноводы: один, соединенный с передатчиком, другой – с приемником. По первому волноводу передаются высокочастотные импульсы, которые направляются в сторону второго. Если пространство между ними свободно, сигнал поступает в приемник нормально. Если между ними преграда, волны задерживаются и к приемнику не попадают. Эксперименты показали хорошие результаты.
Интересно также подумать о том, какова будет роль машиниста и как повлияет на развитие этой профессии увеличение сети скоростных дорог. С одной стороны доверять такое сверхсерьезное дело, как вождение скоростных поездов, можно только сверхквалифицированному, очень хорошо подготовленному человеку. С другой стороны, дело все-таки настолько сложное, что никакой квалификации может не хватить. Это противоречие одно из многих, которые встают при обдумывании перспектив скоростного движения. Вероятно, в конце концов, от машиниста придется отказаться. Но пока он есть, конструкторы устанавливают на локомотивах разные приборы, с помощью которых машинист постоянно подтверждает, что он находится в бодром состоянии.
Один такой прибор имеет педаль, на которую машинист нажимает ногой. Педаль может занимать три положения – верхнее, нижнее и среднее. Именно это последнее и свидетельствует о том, что все в порядке. Через каждые 60 сек педаль поднимается вверх, и если машинист не опустит ее в среднее положение, через 5–6 сек автоматически включаются тормоза. Если с машинистом что-то произошло, скажем, он упал, и под тяжестью его тела педаль опустилась в нижнее положение, происходит то же самое – раздается громкий звук, и через те же 5–6 сек включаются тормоза. Эта конструкция испытывалась на европейских дорогах.
Американцы для решения подобной задачи вмонтировали в виденье машиниста антенну, представляющая собой медную рамку. Перевод рукояток и нажатие сигналов меняют выходную мощность системы. Если машинист вдруг становится неподвижным, через 20 сек включаются звуковой и световой сигналы. Если машинист не реагирует и на это, еще через 10 сек приводятся в действие экстренные тормоза. Эти приборы не специфичны исключительно для скоростных поездов, но именно здесь они как нельзя более кстати.
А как обстоят дела с другим направлением, представители которого работают над движением без машиниста?
Подобные работы были начаты в нашей стране во второй половине 50-х годов. В 1956 г. была разработана первая в мире модель автомашиниста для электропоезда железных дорог. Затем создается система автоматического управления для поездов московского метрополитена, состоящая из трех основных элементов: малогабаритной электронно-вычислительной машины с комплексом датчиков, специальной автоблокировки и локомотивной сигнализации. В настоящее время на московском метро эксплуатируется шесть поездов с автомашинистами.
В 1967 г. на опытном участке вблизи Сан-Франциска испытывалась автоматическая система управления поездами, движущимися со скоростью до 128 км/ч. Стодвадцатикилометровая сеть с автоматическим управлением поездами рассчитывается на перевозку 60 тыс. пассажиров в час. Систему автоматического управления движением разрабатывало несколько конкурирующих фирм. «Дженерал электрик» предложила непрерывно действующее радиолокационное устройство. Передатчик с поезда посылает сигнал в линию, состоящую из двух алюминиевых полос. Если впереди есть поезд, сигнал отражается от него и возвращается назад. Возвратившийся сигнал пропорционален расстоянию между поездами. Он подается в регулятор скорости и интервала, и поезд может замедлить ход до полной остановки.
По системе фирмы «Вестингауз» на моторном вагоне стоят датчики, устанавливающие режим движения поезда. Связь между ними и вычислительными машинами осуществляется с помощью проволочного контура, уложенного между рельсами. Генераторы на головном и хвостовом вагонах питают индуктивные катушки, и в контуре наводятся сигналы. Они поступают в управляющее устройство, которое рассчитывает скорость поезда, сравнивает ее с допустимой, определяет расстояние до впереди идущего поезда или до остановки и передает в систему управления поезда команды увеличить или уменьшить скорость.
Как видим, работы ведутся в самых разных направлениях. Общий их смысл в том, что кибернетика становится неотделимой спутницей железных дорог. Это не удивительно. Ведь если самолет может передвигаться в трех измерениях, автомобиль в двух, то поезд – только в одном. А это значительно упрощает все работы, связанные с программированием движения.
