Магнитный рельсовый тормоз: принцип работы и история развития.

Введение

Магнитный рельсовый тормоз (Mg тормоз) – это тормоз для рельсовых транспортных средств. Он состоит из тормозных магнитов, полюсных наконечников, подвески, системы передачи энергии и, в случае магистральных железных дорог, рельсового стержня. Когда через катушку магнита проходит ток, магнит притягивается к рельсу, что прижимает полюсные наконечники к рельсу, тем самым замедляя транспортное средство. В отличие от тормозов, таких как дисковые или колодочные тормоза, которые зависят от силы трения между колесом и рельсом, магнитный рельсовый тормоз действует непосредственно на рельс. Поэтому его тормозной эффект не ограничен контактом колеса с рельсом. Следовательно, такие факторы окружающей среды, как влажность или загрязнение рельсов, оказывают меньшее влияние на тормозную силу.

Использование

Магнитные рельсовые тормоза используются на железнодорожном транспорте в дополнение к основным тормозным системам, действующим на колеса. Как дополнительная тормозная система, они способствуют соблюдению установленных тормозных путей. Поскольку магнитные рельсовые тормоза всегда работают без регулировки и с максимальной тормозной силой, они применяются исключительно в качестве аварийных и запасных тормозов. Они могут использоваться на скоростях до 280 км/ч. При использовании специальных фрикционных материалов их можно применять на скоростях до 350 км/ч. Благодаря очищающему эффекту, магнитные рельсовые тормоза повышают коэффициент сцепления между последующими колесами и рельсами в процессе торможения. Это дополнительно улучшает эффективность тормозных систем, действующих на колеса. В целом, магнитные рельсовые тормоза различаются по конструкции магнитов – жесткие и шарнирные.

История

5 апреля 1900 года патент (AT11554) на первый электромагнитный тормоз для железнодорожного подвижного состава был зарегистрирован компанией Westinghouse Air Brake Company London. Три года спустя компания Westinghouse представила электромагнитный рельсовый тормоз в Германии. Тормоз Mg отличался тем, что электромагниты намагничивались в различной степени обмотками возбуждения, что делало тормозную силу зависимой от силы тормозного тока. Число витков обмоток возбуждения также было различным для регулировки тормозной силы. Таким образом, рельсовый тормоз был оснащен несколькими тормозными колодками для адаптации к возможным неровностям рельсов. В 1905 году первые испытания провела Рейнская железнодорожная компания. Это были рельсовые магниты с притяжением около 4 кН, которые автоматически опускались на рельсы при включении тока, прижимая тормозные колодки к колесам вагонов через рычажный механизм. В то время еще не осознавали, что рельсовые тормоза должны работать независимо от трения между рельсом и колесом. В 1908 году г-н Жорес принял на себя представительство Westinghouse по рельсовым тормозам в Германии и сыграл важную роль в их дальнейшем развитии. После Первой мировой войны, после истечения срока действия патента, Жорес возглавил производство собственных рельсовых тормозов, основанных на чертежах, полученных от Westinghouse. Они производились до 1929 года без существенных изменений. Основной особенностью рельсового тормоза того времени были рельсовые колодки, изготовленные из специального прокатного профиля. В 1920 году на рынок с рельсовыми тормозами вышла компания Magnetic Brake Company под руководством г-на М. Мюллера. Мюллер пытался улучшить конструкцию рельсового тормоза. Например, он заменил профильную колодку на полюсную колодку, изготовленную из доступной плоской стали. До этого рельсовые тормоза использовались только на трамваях и, следовательно, при скоростях до 40 км/ч. В начале 1930 года немецкие государственные железные дороги инициировали проект высокоскоростной железной дороги, предусматривающий скорости до 160 км/ч, что имело большое значение для развития рельсового тормоза. В 1931 году компания Jores была приобретена Knorr Bremse AG, и технический директор Мюллер из Magnetic Brake Company был убежден присоединиться к ней. Теперь впервые в компании Knorr Bremse разрабатывался рельсовый тормоз для высокоскоростного подвижного состава. В сотрудничестве с немецкими государственными железными дорогами были проведены первые испытания на поезде "Летающий Гамбуржец". Для торможения использовались специальные тормозные колодки с накладками из синтетических фрикционных материалов, которые действовали на тормозные барабаны и крепились к колесным центрам. Также был доступен электромагнитный рельсовый тормоз, который, однако, предназначался только для использования в качестве дополнительного аварийного тормоза. Стало очевидно, что полюсная колодка, обычно используемая до этого времени, больше не могла выдерживать нагрузки, возникающие при высоких скоростях и сопутствующем нагреве. Поэтому полюсные колодки сначала прорезали, затем разделили и изготовили из отдельных сегментов. Это увеличило тормозную эффективность на 20%. Обмотка теперь фиксировалась на сердечнике, а затем вместе с сердечником вставлялась в коробку с торцевой стороны. Коробка обмотки плотно прикручивалась между сердечником и обмотками магнитной катушки, что исключало ее ослабление. Дальнейшее развитие рельсового тормоза на данный момент, по-видимому, было завершено. Коэффициент трения между рельсовой колодкой и рельсом зависит от скорости, то есть с увеличением скорости коэффициент трения уменьшается. Когда проект "скорость до 350 км/ч" стал официальным, казалось, что рельсовый тормоз больше не может быть использован для этой цели. Только когда скорость пассажирских поездов превысила 140 км/ч и потребовалась тормозная система, не зависящая от трения, планы по рельсовому тормозу были возобновлены и конструкция улучшена. Для улучшения контактных поверхностей с рельсом были разработаны и запатентованы шарнирные магниты.

On April 5, 1900, the patent (AT11554) for the first electromagnetic brake for rail vehicles was registered by the Westinghouse Air Brake Company London. Three years later, the electromagnetic track brake was introduced in Germany by the Westinghouse Company. The Mg brake was characterized by the fact that the electromagnets were magnetized to different degrees by the exciter coils, which made the brake force dependent on the strength of the brake current. Even the winding numbers of the exciter coils were different in order to be able to regulate the brake force. Thus, the track brake was also equipped with several shoes in order to be able to adapt to possible unevenness of the rails. In 1905, the first tests were carried out by the Rhine Railway Company. These were track magnets with an attractive force of around 4 kN, which lowered automatically onto the rails when the current was switched on, pressing onto the brake shoes and on the wheels of the cars via a lever rigging. At that time, it had not yet been recognized that track brakes should work independently of the friction between the rail and the wheel. In 1908, Mr. Jores took over the Westinghouse representation for track brakes in Germany and played a major role in their continuation. After World War I, Jores led the production of his own track brakes after the patent rights had expired. The track brakes were based on drawings taken from Westinghouse. They were manufactured until 1929 without any major changes. The main feature of the track brake at that time were the rail shoes, which were made of a special rolled section. In 1920, the Magnetic Brake Company, headed by Mr. M. Müller, entered the market with track brakes. Müller attempted to improve the track brake with new designs. For example, he replaced the profiled shoe with a pole shoe made of commercially available flat iron. Until then, track brakes had only been used for streetcars and thus for speeds of up to 40 km/h. At the beginning of 1930, the German Imperial Railways initiated a high speed rail project that envisaged speeds of up to 160 km/h and was to be of great significance for the track brake. In 1931, Jores´ company was bought by Knorr Bremse AG and the technical director Müller from the Magnetic Brake Company was convinced to join the company. Now, for the first time, the track brake for fast moving vehicles was developed within the Knorr Bremse company. In cooperation with the German Imperial Railways, the first tests were carried out with the "Flying Hamburgian". For braking, special brake pads with linings made of synthetic friction materials were used, which acted on brake drums and were attached to the wheel spiders. There was also an electromagnetic track brake available, which however was only to be used as an additional emergency brake. It became apparent that the pole shoe commonly used up to then was no longer able to cope with the demands of the high speed and the associated high level of heating. Hence the pole shoes were first slit, then divided and made from individual segments. This increased brake performance by 20%. The coil was now fixed to the core and then inserted into the box from the end face together with the core. The coil box was tightly screwed between the core and the webs of the magnet coil, making loosening impossible. The further development of the track brake now appeared to have been completed for the time being. The coefficient of friction between the rail shoe and the rail is dependent on the speed, i. e. with increasing speed, the coefficient of friction decreases. As the project "speed up to 350 km/h" became official, it appeared as if the track brake could no longer be of use for this purpose. It was not until passenger train speeds exceeded 140 km/h and a friction independent brake system became necessary that the plans for the track brake were brought out again and the design improved. To improve the contact surfaces with the rail, articulated magnets were developed and patented.

Активный принцип и функциональность

Основным компонентом магнитного рельсового тормоза является тормозной магнит. В соответствии с принципом электромагнита, он состоит из катушки, обмотанной вокруг железного сердечника, который заключен в подковообразные магниты. По этой магнитной катушке пропускается постоянный ток, создавая магнитное поле. Это вызывает силу притяжения между тормозным магнитом с прикрепленными к нему полюсными башмаками и рельсом. Полюсные башмаки прижимаются к рельсу, и возникающее трение преобразует кинетическую энергию движения в тепло (рассеивание), пока кинетическая энергия не будет исчерпана или тормоз не будет отключен. Магнитные рельсовые тормоза также должны безопасно функционировать в случае обрыва контактной сети. Поэтому тормозная система должна быть спроектирована таким образом, чтобы при отключении электропитания гарантированно обеспечивалось питание от аккумуляторов транспортного средства.

Жесткие магниты

Жесткие магниты содержат единое стальное ядро, проходящее по всей длине корпуса магнита, с полюсными наконечниками, расположенными на нижней стороне в качестве изнашивающихся деталей. Жесткие магниты обычно используются в трамваях, где они, как правило, подвешиваются на небольшой высоте.

Приостановка

Подвеска обеспечивает удержание выключенного магнита над рельсом. При торможении магнит автоматически притягивается к рельсам, преодолевая усилие пружин подвески. После выключения пружины подвески возвращают магнит в исходное положение готовности.

Водитель

Машины отвечают за передачу тормозной силы от магнита к тележке. Передача осуществляется через тяги или башни привода. Тяги крепятся к переднему и заднему концам тормозного магнита соответственно. Они являются предпочтительным и наиболее эффективным способом передачи тормозной силы. Если перед или за тормозным магнитом недостаточно места для установки машин, они устанавливаются сверху магнита. Эти конструкции называются башнями привода. Этот тип привода следует использовать только в исключительных случаях.

Обувь для штанги

Полюсные наконечники расположены на нижней стороне тормозного магнита. Между двумя полюсными наконечниками немагнитная полоса предотвращает возникновение магнитного короткого замыкания. Фрикционный материал рельсовых колодок может быть изготовлен из различных материалов, каждый из которых определяет срок службы и тормозные характеристики рельсовых колодок.

Магниты с колючей проволокой

Артикулированные магниты имеют магнитные сердечники, разделенные на две концевые части и несколько промежуточных звеньев, разделенных перегородками. Концевые части плотно привинчены к корпусу катушки, а промежуточные элементы могут свободно перемещаться в отверстиях корпуса катушки, что позволяет им лучше приспосабливаться к неровностям рельсов в процессе торможения.

Рельсовые стержни

Рельсовые стержни используются для поддержания тормозных магнитов на определенном расстоянии. Они также обеспечивают их параллельность и устойчивость. Вместе с двумя тормозными магнитами, рельсовые стержни образуют так называемую тормозную раму. Рельсовые стержни должны быть индивидуально подобраны для каждой модели транспортного средства.

Двигательные цилиндры

Задействующие цилиндры расположены на верхней части тормозного квадрата. Они обеспечивают опускание тормозной рамы на рельсы и ее подъем. Встроенные пружины удерживают тормозную раму в верхнем положении, когда тормоза не применены. При применении тормозов тормозная рама пневматически опускается на рельсы, преодолевая усилие пружин. Для этого требуется подача сжатого воздуха, которая обеспечивается отдельным резервуаром сжатого воздуха. Это гарантирует работоспособность тормозной системы даже при отказе тормозной магистрали транспортного средства. При отпускании тормозов пружины в задействующих цилиндрах поднимают тормозную раму обратно в верхнее положение.

Устройство центрирования

В неактивном состоянии магниты обесточиваются, а тормозной клин поднимается в верхнее положение. В этом случае центрирующее устройство обеспечивает центровку и фиксацию тормозного клина в этом положении. Во время торможения тормозные магниты активируются и центрируются на рельсах посредством магнитной силы.

Водители

Также с помощью шарнирных магнитов приводы обеспечивают передачу тормозного усилия от тормозных магнитов к транспортному средству. Они расположены во всех четырех углах внутри тормозной рамы.

Буферный выключатель

При необходимости на тормозной раме может быть установлен буферный выключатель. Он подает сигнал при опускании тормозной рамы из верхнего положения, тем самым предоставляя информацию о состоянии рельсового тормоза.

Материал трения

Штуфляжи в магнитных рельсовых тормозах могут быть изготовлены из различных материалов. Они различаются главным образом по своим магнитным характеристикам, коэффициенту торможения и износостойкости.

Сталь

Сталь является стандартным материалом трения для тормозов рельсового типа. Износ стальных тормозных колодок невелик, но на них образуются прихваты, которые необходимо регулярно удалять.

Синтер

Тормозные колодки из спеченного металла обеспечивают повышенную тормозную эффективность и не образуют наваров, но их износ выше. Спеченный металл (синтер) применяется в тех случаях, когда тормозное усилие имеет решающее значение. В настоящее время он используется, например, компанией Vy в Норвегии.

Актерский состав

Обувь из чугуна применяется только на главных путях. Она обеспечивает меньшую тормозную силу и повышенный износ, но не образует прихватов. Во Франции чугун является стандартным фрикционным материалом, используемым в магнитных тормозах рельсов.

Области применения

Магнитные рельсовые тормоза устанавливаются почти во всех видах железнодорожного транспорта. Только высокоскоростные поезда по техническим причинам используют тормоза вихревыми токами вместо магнитных рельсовых тормозов. Жесткие магниты обычно подвешиваются на низкой подвеске и применяются в трамваях. В отдельных случаях возможно использование рельсовых штырей. Шарнирные магниты обычно подвешиваются на высокой подвеске и используются на основных железнодорожных линиях. Однако их также можно использовать на низкой подвеске, например, в метро.