ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПНЕВМАТИЧЕСКИХ ТОРМОЗОВ
По принципу действия пневматические тормоза делятся на три основные группы:
Прямодействующий неавтоматический тормоз
При переводе ручки крана в положение торможения I сжатый воздух из главного резервуара 2 по питательной магистрали 3 через кран машиниста 4, тормозную магистраль 5 поступает в цилиндр 6, передвигая поршень 7 со штоком 8 и связанную с ним рычажную передачу 9 и прижимая колодки к колесам.
Перемещение ручки крана в положение перекрыши II приводит к отключению главного резервуара от магистрали 5 и цилиндра 6. Вся система остается в заторможенном состоянии, причем утечки воздуха из тормозного цилиндра не восполняются.
Этот тормоз называется неавтоматическим потому, что при разрыве поезда (разъединении рукавов) торможения не происходит, сжатый воздух уходит из системы в атмосферу. Тормоз является прямодействующим и неистощимым, так как торможение происходит за счет подачи сжатого воздуха непосредственно из главного резервуара и имеется возможность восполнить утечки воздуха из цилиндров.
Автоматический непрямодействующий тормоз применяется на российских железных дорогах для пассажирских локомотивов и вагонов.
Автоматический непрямодействующий тормоз
Автоматический п р я м о д е й с т в у ю щ и й тормоз применяется на всех грузовых локомотивах и вагонах, а также на пассажирском подвижном составе западноевропейских железных дорог.
Автоматический прямодействующий тормоз
На локомотиве установлены компрессор 1, главный резервуар 2, напорная (питательная) магистраль 3 и кран машиниста 4, имеющий устройство 5 для питания тормозной магистрали в положении перекрыши. Сжатый воздух, вырабатываемый компрессором, заполняет главный резервуар и далее по питательной магистрали поступает к крану машиниста.
Если ручка крана машиниста установлена в положение I зарядки и отпуска, то воздух подается в тормозную магистраль 6, которая проходит вдоль локомотива и сцепленных с ним вагонов. Соединение магистралей отдельных единиц подвижного состава осуществляется гибкими рукавами 7 с концевыми кранами 8. Из тормозной магистрали сжатый воздух через воздухораспределитель 12 поступает в запасный резервуар 11. В то лес время тормозной цилиндр 13 через воздухораспределитель сообщается с атмосферой Ат. Таким образом происходит зарядка тормоза до определенного зарядного давления.
При постановке ручки крана машиниста в положение II торможения происходит выпуск воздуха из магистрали 6 в атмосферу. Падение давления в магистрали вызывает срабатывание воздухораспределителя, который сообщает запасный резервуар с тормозным цилиндром. По мере повышения давления в цилиндре его поршень со штоком перемещает рычажную передачу 14, в результате чего тормозные колодки прижимаются к колесам.
Когда ручка крана машиниста находится в положении III перекрыши, колеса остаются заторможенными. Возможные утечки воздуха из тормозного цилиндра не вызывают падения давления и ослабления силы нажатия колодок, так как цилиндр питается сжатым воздухом из запасного резервуара III, который пополняется из магистрали через обратный питательпый клапан 10, встроенный в воздухораспределитель. В свою очередь тормозная магистраль связана с главным резервуаром 2 через питательное устройство 5 крана машиниста.
Отпуск тормоза производится переводом ручки крана машиниста в I положение. При этом происходит наполнение сжатым воздухом тормозной магистрали и запасных резервуаров, а цилиндр 13 сообщается с атмосферой, как при зарядке.
Такой тормоз называется автоматическим потому, что при понижении давления сжатого воздуха в магистрали из-за открытия крана экстренного торможения (стоп-крана) 9 или разрыве поезда (разъединении рукавов 7) происходит торможение независимо от действий машиниста. Тормоз является прямодействующим, поскольку в заторможенном состоянии в положении перекрыши происходит питание всей системы сжатым воздухом прямо из главного резервуара, а также и неистощимым, так как утечки воздуха из тормозных цилиндров постоянно восполняются.
По характеру действия различают пневматические тормоза нежесткие, полужесткие и жесткие.
На железных дорогах России и СНГ тормоза жесткого типа применяют в грузовом подвижном составе, эксплуатирующемся на небольших участках, имеющих особо крутые уклоны (0,045 и более). Такие тормоза применяются с переключающим устройством, которое на равнинном профиле пути придаст тормозу свойства нежесткого, на горном профиле — полужесткого.
Анимация (мультик) по схемам прямодействующего, нпрямодействующего
тормоза и ЭПТ
Отличное пособие по новому воздухораспределителю пассажирских вагонов № 242.
С анимацией и дикторским сопровождением
Классификация тормозов
Содержание
Общие сведения
Тормозами обозначают установку, предназначенную для уменьшения скорости, остановки подвижного состава или задержания его на месте. Тормоза подвижного состава железных дорог подразделяются на фрикционные и электрические. Схема подразделения тормозов показана на рисунке выше.
Наиболее распространенный в сети железных дорог фрикционный тормоз, принцип работы которого основан для осуществления сопротивления движению поезда за счет возникновения сил трения, появляющиеся промеж колес и прижимающимися к ним тормозными колодками. По способу управления и источнику используемой энергии для нажатия тормозных колодок фрикционный тормоз подразделяется на пневматический, электропневматический и ручной. Базовым типом фрикционного тормоза, использующегося на подвижном составе железных дорог, является пневматический, принцип его работы основан на формировании разности давлений сжатого воздуха в камерах приборов регулирования тормозами. Пневматический тормоз разделяют на неавтоматический прямодействующий, автоматический непрямодействующий и автоматический прямодействующий.
Подвижной состав железных дорог используют автоматические тормоза.Автоматическим непрямодействующим тормозом обеспечены локомотивы и вагоны, перевозящие пассажиров. Установки пневматического тормоза подвижного состава состоят из ряда устройств. Источник сжатого воздуха это установленный на локомотиве компрессор. Компрессор, сжимающий воздух до давления 0,75-0,9 МПа на электровозах, 0,75-0,85 МПа на тепловозах и 0,65-0,8 МПа в моторном подвижном составе, накачивает его в главный резервуар, где воздух накапливается и охлаждается. Далее из главных резервуаров сжатый воздух попадает в тормозную магистраль проходя через кран машиниста, который в пассажирских поездах способствует удержанию зарядного давления 0,5-0,52 Мпа.
Автоматический непрямодействующий тормоз заряжают воздухом перед отправлением поезда, устанавливая ручку 3 крана машиниста (рис 2.) в положение отпуска. При этом воздух, проходя по тормозной магистрали 5 через воздухораспределитель 8, заполняет запасный резервуар 7 до зарядного давления. В то же время с этим воздухораспределитель сообщает тормозной цилиндр с атмосферой. Под воздействием пружин тормозного цилиндра его поршень, передвигаясь в исходное положение через рычажную передачу 10, отрывает тормозные колодки 11 от колес. При торможении тормозная магистраль разъединяется от главного резервуара, и процесс торможения осуществляется за счет воздуха из запасных резервуаров, из − за этого тормоз называется непрямодействующим. При прорыве воздушной магистрали поезда или открытия в вагоне поезда стоп-крана происходит выход воздуха из магистрали и осуществляется торможение так же, как при управляемом выходе воздуха из магистрали через кран машиниста, такой тормоз называют автоматическим.
Электропневматический тормоз (ЭПТ) кроме пневматического оборудования имеет устройства, управляемые с помощью электрического тока. Схема электропневматического тормоза показана на рисунке 3.
Электрическое торможение заключается в возможности перевода электродвигателей в режим электрических генераторов, чтобы кинетическую энергию движущегося поезда превращают в электрическую. Электрическое торможение используется при притормаживании и изменении скорости движения поездов на уклонах, а также для снижения скорости перед остановкой. При электрическом торможении фрикционные тормоза не работают, исключается возможность нагрева тормозных колодок и бандажей колесных пар и уменьшается их износ.
Виды электрического торможения
Существует три вида электрического торможения:
· рекуперативное электрическая энергия, выработанная тяговым двигателем локомотива, поступает обратно в электросеть. Используется в электровозах постоянного тока;
· реостатное торможение электрическая энергия поглощается реостатами и преобразуется в тепловую. Используется на тепловозах и отдельных типах электровозов и моторвагонного подвижного состава;
· рекуперативно ̶ реостатное при высокой скорости движения применяется рекуперативное торможение, а при более низкой реостатное. Такая система используется на электропоездах ЭР22, ЭР2Р, ЭР2Т и др.
Тормоза классифицируют по способу создания тормозной силы, свойствам системы управления и назначению.
Автоматические тормоза должны автоматически приходить в действие (затормаживать) при определенном темпе снижения давления в тормозной магистрали. Прямо- или непрямодействие автоматического тормоза определяется конструкцией воздухораспределителя.
Прямодействующий автоматический тормоз — это тормоз грузовых вагонов, оборудованный воздухораспределителем усл. № 483, который способен поддерживать установленное давление в тормозном цилиндре независимо от плотности последнего.
Непрямодействующий автоматический тормоз — это тормоз пассажирских вагонов, оборудованный воздухораспределителем усл. № 292, который не восполняет утечки сжатого воздуха из тормозного цилиндра.
Примером прямодействующего неавтоматического тормоза служит вспомогательный локомотивный тормоз. В случае приведения его в действие воздух из главных резервуаров поступает в тормозные цилиндры.
Динамические тормоза
В динамических тормозах сила торможения может создаваться электромагнитным полем при переключении электрических двигателей в генераторный режим, а тормозная энергия гасится в реостатах либо передается в контактную сеть — электродинамические тормоза (реостатные, рекуперативные либо рекуперативно-реостатные), или за счет соответствующего переключения гидропередачи на тяговом подвижном составе с гидропередачей — гидродинамическое торможение.
Фрикционные тормоза
Фрикционные тормоза создают тормозную силу в месте контакта колеса и рельса при их сцеплении в результате воздействия тормозных колодок на поверхности катания колес (колодочные тормоза) либо тормозных накладок на диски, закрепленные на колесных парах (дисковые тормоза), а также за счет притяжения возбуждаемых током тормозных магнитов непосредственно к рельсам. В последнем случае, т. н. фрикционные рельсовые тормоза, используемые на скоростном либо на специальном промышленном подвижном составе, работающем на особо крутых уклонах (более 0,04), действуют независимо от сцепления колес с рельсами.
Фрикционные тормоза имеют пневматический привод и приводятся в действие сжатым воздухом, поступающим к вагонам поезда через тормозную магистраль, которая одновременно является управляющей. Торможение обеспечивается снижением давления в тормозной магистрали, отпуск тормозов — его повышением. Любой разрыв состава либо разъединение тормозной магистрали (открытие стоп-крана, сообщающего тормозную магистраль с атмосферой) приводит к автоматическому торможению поезда. Для длительного удержания подвижного состава на месте используется ручной привод тормоза (ручные тормоза) или тормозные башмаки, устанавливаемые на рельсы. Для обеспечения безопасности движения необходимым свойством тормозов, применяемых в качестве основных, является автоматичность их действия.
Автотормоза
Автотормоза срабатывают при разрыве состава независимо от поведения машиниста. Используются тормоза с пневматическим или электрическим управлением, которое обеспечивает срабатывание системы на торможение при снижении соответственно давления в тормозной магистрали или напряжения в электрических цепях управления. Допускаемая максимальная скорость движения поезда устанавливается с расчетом на срабатывание фрикционного автоматического тормоза, который гарантирует безопасность движения. К такому тормозу предъявляются требования отсутствия неконтролируемых отказов и переход на торможение с максимальной тормозной силой при неисправностях, исключающих нормальное управление тормозом, например, при разрыве цепи управления.
Неавтоматические тормоза
В то же время на подвижном составе широко применяются неавтоматические тормоза, которые имеют ручной привод либо приводятся в действие повышением давления или электрического напряжения в управляющей магистрали. К неавтоматическим относятся ручные тормоза, вспомогательные тормоза локомотивов, электропневматические тормоза пассажирского подвижного состава.
Пневматические тормоза. Основным видом фрикционного тормоза, применяющегося на подвижном составе железных дорог, является пневматический, принцип действия которого основан на создании разности давлений сжатого воздуха в камерах приборов управления тормозами.
Пневматические тормоза подразделяются на неавтоматические прямодействующие, автоматические непрямодействующие и автоматические прямодействующие.
Неавтоматические прямодействующие тормоза применяются в качестве вспомогательных для торможения только локомотивов при выполнении ими маневровой работы. Торможение основано на подаче сжатого воздуха непосредственно в тормозной цилиндр. Для отпуска тормозов тормозной цилиндр сообщают с атмосферой.
Весь подвижной состав железных дорог оборудован автоматическими тормозами.
Автоматическими непрямодействующими тормозами оборудованы локомотивы и вагоны, предназначенные для перевозки пассажиров.
Автоматическими прямодействующими тормозами оборудованы локомотивы и вагоны грузового парка железных дорог.
Оборудование пневматических тормозов подвижного состава со-сюит из ряда устройств. Источником сжатого воздуха служит компрессор, установленный на локомотиве. Компрессор, сжимающий воздух до давления 0,75—0,9 МПа на электровозах, 0,75—0,85 МПа на тепловозах и 0,65—0,8 МПа в моторном подвижном составе, нагнетает его в систему главных резервуаров, где воздух аккумулиру-е 1 ся и охлаждается. Из главных резервуаров сжатый воздух поступает в тормозную магистраль через кран машиниста, который в пассажирских поездах поддерживает зарядное давление 0,5—0,52 МПа и в грузовых поездах 0,53—0,55 МПа.
Магистральный воздухопровод тормозной системы между локомотивом и вагоном и между вагонами состава соединяется гибкими (резиновыми) рукавами, снабженными соединительными I оловками. Приборы торможения (воздухораспределители, запасные резервуары, тормозные цилиндры), присоединенные к воздушной магистрали, и тормозные рычажные передачи смонтированы на каждом локомотиве и вагоне.
Работу автоматических тормозов определяют в основном три процесса: зарядка, торможение и отпуск.
Зарядка — это процесс наполнения сжатым воздухом магистрального воздуховода и запасных резервуаров у вагонов.
Торможение происходит при снижении давления воздуха в магистрали. Когда давление воздуха в магистрали повышается, происходит отпуск тормозов.
Управляют тормозами при помощи крана машиниста.
Автоматический непрямодействующий тормоз (рис. 15.1, а) заряжают перед отправлением поезда, устанавливая ручку 3 крана машиниста в положение отпуска. При этом воздух, проходя по тормозной магистрали 5 через воздухораспределитель 8, заполняет запасный резервуар 7 до зарядного давления. Одновременно с этим воздухораспределитель соединяет тормозной цилиндр с атмосферой. Под действием пружин тормозного цилиндра его поршень, перемещаясь в исходное положение через рычажную передачу 10, отводит тормозные колодки 11 от колес.
Для того, чтобы привести тормоза в действие, нужно установить ручку крана машиниста в тормозное положение (рис. 15.1, б). Сжатый воздух выбрасывается из магистрали в атмосферу через кран машиниста, давление в ней снижается, воздухораспределитель разъединяет тормозной цилиндр с атмосферой, соединяя его с запасным резервуаром. При этом поршень тормозного цилиндра, сжимая возвратную пружину, действует на рычажную передачу. Тормозные колодки прижимаются к колесам.
При торможении тормозная магистраль отсоединяется от главного резервуара, и процесс торможения происходит за счет воздуха из запасных резервуаров, поэтому тормоз называется непрямодействующим.
При разрыве воздушной магистрали поезда или открытии в вагоне поезда стоп-крана происходит выпуск воздуха из магистрали и начинается торможение так же, как при управляемом выпуске воздуха из магистрали через кран машиниста, поэтому тормоз называется автоматическим.
Автоматический прямодействующий тормоз (рис. 15.2), которым оборудован грузовой подвижной состав, отличается от не-прямодействующего тем, что встроенный в воздухораспределитель обратнопитательный клапан пополняет из главного резервуара через магистраль утечки воздуха из тормозного цилиндра и запасного резервуара во время торможения, это свойство и определило название тормоза — прямодействующий.
Рис. 15.1. Схема автоматического непрямодействующего тормоза в положении зарядки и отпуска тормоза (я) и в положении торможения (б): I — компрессор локомотива, 2 — главный резервуар; 3 — ручка крана машиниста; 4 — кран машиниста; 5 — тормозная магистраль; 6 — соединительные междувагонные рукава; 7 — запасный резервуар; 8 — воздухораспределитель; 9— тормозной цилиндр, 10— рычаги и тяги тормоза; 11 — тормозная колодка; Ат — атмосферный канал
Принципиальные схемы тормозов
Прямодействующий неавтоматический тормоз. Такой тормоз применяется на локомотивах (рис. 2.5).
Рис. 2.5. Прямодействующий неавтоматический тормоз двухсекционного локомотива
Воздух нагнетается компрессором 1 в главный резервуар 2, откуда по питательной магистрали 3 поступает к крану машиниста 4, в простейшем виде представляющему собой пробковый трехходовой кран. Каждому положению ручки крана соответствует определенный процесс:
Такой тормоз является прямодействующим, так как при торможении сжатый воздух из главного резервуара через кран машиниста и магистраль вспомогательного тормоза поступает в тормозные цилиндры. В случае разрыва магистрали вспомогательного тормоза сжатый воздух не поступает в тормозные цилиндры и если до разрыва локомотив был заторможен воздух из тормозных цилиндров уходит в атмосферу.
Непрямодействующий автоматический тормоз. Отличие этого типа тормоза от прямодействующего неавтоматического тормоза состоит в том, что на каждой единице подвижного состава между тормозной магистралью 5 и тормозным цилиндром 8 устанавливаются воздухораспределитель 6 и запасный резервуар 7 (рис. 2.6).
Рис. 2.6. Непрямодействующий автоматический тормоз
Для зарядки тормоза ручку крана машиниста 4 ставят в отпускное положение, при котором воздух из главного резервуара 2 по питательной магистрали 3 через кран машиниста поступает в тормозную магистраль и далее через воздухораспределитель в запасный резервуар. При этом тормозной цилиндр через воздухораспределитель сообщен с атмосферой.
Для торможения поезда ручку крана машиниста переводят в тормозное положение, при котором питательная магистраль разобщается с тормозной магистралью, которая в это время через кран машиниста сообщается с атмосферой. При понижении давления в тормозной магистрали воздухораспределитель приходит в действие, разобщает тормозной цилиндр с атмосферой и сообщает его с запасным резервуаром.
Под действием сжатого воздуха поршень тормозного цилиндра перемещается и при помощи системы тяг и рычагов прижимает тормозные колодки к поверхности катания бандажа.
Для отпуска тормоза ручку крана машиниста переводят в отпускное положение; при этом питательная магистраль сообщается с тормозной магистралью, вследствие чего давление в ней повышается и воздухораспределитель сообщает тормозной цилиндр с атмосферой, а тормозную магистраль с запасным резервуаром.
Такие тормоза называются автоматическими, так как при разрыве поезда или в случае открытия в вагоне крана экстренного торможения (стоп-крана) они автоматически приходят в действие.
Этот тормоз называется непрямодействующим (истощимым), потому что в процессе перекрыши воздухораспределитель не пополняет утечки из тормозного цилиндра.
Прямодействующий автоматический тормоз. Прямодействующий автоматический тормоз состоит из тех же основных приборов, что и непрямодействующий автоматический тормоз (рис. 2.7).
Принципиальное отличие прямодействующего автоматического тормоза заключается в устройстве воздухораспределителя 6, который и осуществляют прямодействие.
При отпуске или зарядке тормоза сжатый воздух компрессором 1 нагнетается в главный резервуар 2 и через кран машиниста 4 в тормозную магистраль 5 поезда. В положении зарядки и отпуска тормозной цилиндр 8 через воздухораспределитель 6 сообщен с атмосферой, а запасный резервуар 7 с тормозной магистралью. Для торможения понижают давление в тормозной магистрали краном машиниста на определенную величину, при этом приходят в действие воздухораспределители.
В тормозном положении воздухораспределитель разобщает тормозной цилиндр с атмосферой и сообщает его с запасным резервуаром, а утечки из них пополняются воздухом из тормозной магистрали через обратный клапан.
Рис. 2.7. Прямодействующий автоматический тормоз
Электропневматический тормоз.Электропневматический тормоз отличается от пневматических тормозов наличием электровоздухораспределителя 305, который выполняет те же функции, что и воздухораспределитель 292 (рис. 2.8).
При зарядке тормозной 4 и отпускной 5 вентили электровоздухораспределителя не возбуждены и зарядка запасного резервуара происходит через воздухораспределитель 292. Тормозной цилиндр 7 и рабочая камера электровоздухораспределителя сообщаются с атмосферой.
При торможении оба вентиля получают питание и сжатый воздух из запасного резервуара через электровоздухораспределитель перетекает в рабочую камеру и тормозной цилиндр.
Рис. 2.8. Электропневматический тормоз
При перекрыше отпускной вентиль находится под напряжением, тормозной вентиль обесточен. При утечке из тормозного цилиндра за счет плотности рабочей камеры происходит пополнение утечек.
При обрыве электрической цепи тормоз в действие не приходит.
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!