TRAKCJA

Urządzenia układu sterowania
Urządzenia układu sterowania hamulca są uporządkowanym konstrukcyjnie zespołem powtarzających się elementów, mimo że znacznie różnią się od siebie pod względem przeznaczenia i charakterystyki technicznej. Do podstawowych zespołów przyrządowych i elementów maszynowych wykorzystywanych w konstrukcji urządzeń układu sterowania hamulcem należą: komory i opory pneumatyczne, tłoki i membrany, sprężyny oraz dźwignie, zespoły membranowe, zawory i elektromagnesy.

Zespoły przyrządowe urządzeń hamulcowych
Komora pneumatyczna jest elementem maszynowym, który ogranicza fragment przestrzeniu przeznaczonej do zakumulowania określonej ilości powietrza potrzebnej do działania urządzenia pneumatycznego. Ściany komory pneumatycznej mogą występować jako sztywne lub elastyczne. Ważną cechą komory jest przebieg czasowy jej napełniania i opróżniania, co odpowiada zakładanej pracy urządzenia hamulcowego, dlatego też komory występują często w połączeniu z oporami pneumatycznymi. Zadaniem oporu jest celowe przewężenie kanału przepływowego, aby nastąpiło dławienie strumienia sprężonego powietrza celem uzyskania odpowiedniej charakterystyki napełniania bądź opróżniania komory.

Tłoki i membrany to elementy konstrukcyjne zastępujące jedną ze ścian komory, przeznaczone do zamykania komory pneumatycznej o kształcie cylindrycznego walca. Tłok w komorze cylindrycznej ma określoną swobodę ruchu posuwisto-zwrotnego, natomiast membrany są osadzane na obrzeżu komory nieruchomo. Pozostała część membrany ma bardzo ograniczoną możliwość przemieszczania się. Membrany wykonuje się z gumy syntetycznej, jej środkowa część jest dodatkowo wzmocniona metalowymi krążkami. Tłoki i membrany bezpośrednio przejmują sygnały, które w postaci zmiany ciśnienia powietrza podawane są na wejście urządzenia pneumatycznego. Podczas zmian ciśnienia powstaje siła pneumatyczna, która wywiera nacisk i jest zdolna przesuwać elementy połączone z tłokiem lub membraną. Siła ta odpowiada iloczynowi różnicy ciśnienia ∆p (działającego po obu stronach elementu) oraz powierzchni czynnej elementu A.

(5)

Rys 3.1 Przykład rozwiązania konstrukcyjnego [1]
a - tłok, b - membrana

Sprężyny stosowane są jako łączniki pomiędzy elementami urządzeń w celu wykonania pracy przesunięcia elementów połączonych lub dla zapewnienia stanu równowagi wewnętrznych zespołów przyrządowych. Jest to możliwe dzięki właściwościom sprężyny do akumulacji energii sprężystego odkształcenia. Najczęściej stosuje się sprężyny śrubowe walcowe, które poddawane są obciążeniom ściskającym siłą osiową. Dźwignie stosowane są rzadko, jednak są dość charakterystycznym elementem układu sterowania. Dźwignia jest sztywnym elementem o ustalonej osi obrotu i miejscach połączenia z innymi elementami musi posiadać swobodę w ruchu.

Zespoły membranowe powstają przez umieszczenie wzdłuż jednej osi membran i integralnie związanych z nimi komór pneumatycznych. Zespoły odgrywają ważną w przekazywaniu sygnałów sterowania w układzie przepływowym strumieni sprężonego powietrza.

Rys 3.2 Schematy typowych zespołów membranowych [1]

Zawór jest elementem tworzącym zespół konstrukcyjny przeznaczonym do zmiany czynnego przekroju kanału przepływowego. W urządzeniach sterowania stosowane są zawory: grzybkowe wzniosowe, przesuwne suwakowe oraz obrotowe kurkowe.

Rys 3.3 Schematy typowych zaworów [1]
a,d – grzybkowe wzniosowe, b – przesuwny suwakowy, c – obrotowy kurkowy,
1 – zwierciadło, 2 – gniazdo, 3 – trzon, 4 – prowadnica, 5 – sprężyna,
We – wejście zaworu, Wj – wyjście zaworu, Fz – siła uruchamiająca

Elektromagnesy są stosowane jako urządzenia przejściowe pomiędzy obwodem elektrycznym a zespołem elementów pneumatycznych.

Rys 3.4 Elektromagnes stosowany w urządzeniach hamulcowych [1]
1 – cewka, 2 – rdzeń, 3 – zaciski, 4 – zwora, 5 – obudowa, 6 – pokrywa, 7 - popychacz

Podając na wejściu elektromagnesu określone napięcie uzyskuje się siłę odpowiednią elektromagnetyczną, która powoduje przemieszczenie elementu znajdującego się w środku cewki elektromagnesu (tzw. sygnał elektryczny Se). W urządzeniach układu sterowania elektromagnesy znalazły zastosowanie do uruchomiania zaworów w przepływowych kanałach pneumatycznych. Zawory z elektromagnetycznym przyrządem uruchamiającym są przetwornikiem sygnałów elektrycznych Se na wejściu w sygnały pneumatyczne Sp na wyjściu zespołu konstrukcyjnego.

Koncepcja rozdzielacza powietrza
Podstawowym zadaniem rozdzielacza powietrza jest nastawienie przepływów strumieni sprężonego powietrza między komorą roboczą siłownika a zbiornikiem pomocniczym oraz atmosferą. Do tego celu służą zawory umieszczone w kanałach przepływowych rozdzielacza. Rozdzielacz tworzy blok zaworów umieszczonych znajdujących się w jednej obudowie, do której przyłączone są kanały łączące odpowiednie elementy urządzeń pneumatycznych układu hamulcowego pojazdu.

W rozdzielaczu znajduje się przyrząd do odbierania sygnałów sterowania Sp oraz przyrządy wprawiające w ruch zawory, których funkcje można połączyć jako jeden element konstrukcyjny w postaci membrany lub tłoka.

Rys 3.5 Schemat struktury zaworowej rozdzielacza powietrza
1 – przyrząd wykonawczy (główny przyrząd rozrządczy), 2 – zawór wlotowy, 3 – zawór wylotowy, 4 – zawór zasilania zbiornika pomocniczego

Sygnał sterowania Sp, czyli zmiana ciśnienia w przewodzie głównym, trafia do przyrządu wykonawczego, który w zależności od znaczenia sygnału (spadek lub wzrost ciśnienia) zmienia stan położenia zaworów wlotowego i wylotowego siłownika oraz zaworu zasilania zbiornika pomocniczego.
Cały okres pracy rozdzielacza powietrza można podzielić na cztery zasadnicze fazy:
- faza I – faza gotowości roboczej
- faza II – faza napełniania komory roboczej siłownika (hamowanie)
- faza III – faza opróżniania komory roboczej siłownika (odhamowanie)
- faza IV – faza napełniania zbiornika pomocniczego

Faza I jest fazą gotowości a sygnałem Sp w tej fazie jest ciśnienie w przewodzie głównym wynoszące 0,5MPa.

Rys 3.6 Schemat struktury zaworowej rozdzielacza w fazie I

Faza ta oznacza, że pociąg jest przygotowany do hamowania, komora robocza siłownika ma połączenie z atmosferą, a zbiornik pomocniczy zasilany jest ciśnieniem o wymaganej wartości.

W fazie II z przewodu głównego dociera sygnał nakazujący włączenie hamulca ze wzrostem nacisku elementów ciernych. Sygnałem w tej fazie jest obniżenie ciśnienia w przewodzie głównym.

Rys 3.7 Schemat struktury zaworowej rozdzielacza w fazie II

W odpowiedzi na sygnał z przewodu głównego rozdzielacz zamyka zawór wylotowy łączący siłownik z atmosferą i otwiera zawór wlotowy łączący siłownik ze zbiornikiem pomocniczym. Sprężone powietrze płynie w kierunku siłownika wypełniając jego komorę roboczą. Siła tłokowa, jaką wytwarza siłownik, przez przekładnię dociska elementy par ciernych do siebie. Największe ciśnienie w siłowniku osiągane podczas tej fazy działania rozdzielacza wystąpi z chwilą ustania przepływu ze zbiornika pomocniczego i wyrównaniem się ciśnienia w połączonych przestrzeniach pneumatycznych. Wartość największego możliwego ciśnienia w siłowniku Psn określa prawo Boyle`a-Mariotte`a:

(6)

pz0 – ciśnienie początkowe w zbiorniku pomocniczym
Vz – pojemność zbiornika pomocniczego
Vs – pojemność przestrzeni roboczej siłownika

W fazie III na sygnałem wyłączenia hamulca z działania jest podwyższenie ciśnienia w przewodzie głównym.

Rys 3.8 Schemat struktury zaworowej rozdzielacza w fazie III

Rozdzielacz powietrza zamyka zawór wlotowy łączący siłownik ze zbiornikiem pomocniczym i otwiera zawór wylotowy łączący siłownik z atmosferą, zwalniając tym samym nacisk elementów ciernych. Rozdzielacz powietrza umożliwia dodatkowo otrzymywanie ważnych faz pośrednich, w których występuje przerwa w napełnianiu i opróżnianiu siłownika. Fazy te charakteryzuje uzyskanie założonej siły w siłowniku, która dociska elementy cierne. Jest to faza IIa podczas hamowania i IIIa podczas odhamowania.

Rys 3.8 Schemat struktury zaworowej rozdzielacza w fazie IIa

Faza IIa wystąpi wtedy, gdy sygnał fazy II podawany do rozdzielacza, który jest obniżeniem ciśnienia w przewodzie głównym ustabilizuje się na pewnym założonym poziomie. Rozdzielacz zamyka zawór wlotowy łączący siłownik ze zbiornikiem pomocniczym i następuje tzw „odcięcie” - wszystkie zawory zamknięte.

Faza IIIa wystąpi wtedy, gdy sygnał fazy III podawany do rozdzielacza, który jest podwyższeniem ciśnienia w przewodzie głównym ustabilizuje się na pewnym założonym poziomie. Rozdzielacz zamyka zawór wylotowy łączący siłownik z atmosferą i następuje tzw „odcięcie” - wszystkie zawory zamknięte. Pełne odhamowanie uzyska się po przejściu rozdzielacza do fazy I tzn. gdy ciśnienie w przewodzie głównym podwyższone zostanie do wartości 0,5MPa.

W fazie IV rozdzielacz powietrza otwiera zawór, który zasila zbiornik pomocniczy sprężonym powietrzem napływającym z przewodu głównego.

Rys 3.9 Schemat struktury zaworowej rozdzielacza w fazie IV

Następuje przywrócenie początkowego stanu energetycznego układu – uzyskanie w końcowej fazie ciśnienia 0,5MPa w zbiorniku pomocniczym – oraz przygotowanie do następnego cyklu działania.

Aby zapewnić cechę niewyczerpalności hamulca fazę III łączy się praktycznie z fazą IV i napełnianie zbiornika pomocniczego odbywa się równolegle z odhamowaniem tak, aby przy pełnym odhamowaniu w zbiorniku pomocniczym panowało ciśnienie 0,5MPa.

Rys 3.10 Schemat struktury zaworowej rozdzielacza w fazie III połączonej z fazą IV

Rozdzielacze powietrza pneumatycznych hamulców pociągów mają najczęściej - oprócz głównego przyrządu rozrządczego - przyrządy pomocnicze, do których należy przede wszystkim zasilacz zbiornika pomocniczego, zasilacz zbiornika sterującego i przyspieszacz fali hamowania.

Zasilacze zbiorników są to przyrządy, które sterują strumieniami sprężonego powietrza dostarczanego przez przewód główny, celem uzupełnienia ubytków podczas hamowania oraz nieszczelności układu. Przyrządy, które wchodzą w skład zasilaczy, otrzymują impulsy w postaci zmian ciśnienia w komorach pneumatycznych

Zmiana ciśnienia wywołana sterownikiem w części początkowej przewodu głównego nie dociera jednocześnie do wszystkich rozdzielaczy powietrza znajdujących się w układzie hamulcowym. Sygnał z przewodu głównego przejmują rozdzielacze po kolei – od pierwszego do ostatniego. Proces postępowania wzdłuż hamulca pociągu reakcji rozdzielaczy na sygnał obniżonego ciśnienia w przewodzie głównym nosi nazwę fali hamowania. Falę hamowania określa jej szybkość, która jest ilorazem długości przewodu głównego i czasu upływającego od chwili wywołania sygnału sterownikiem do chwili rozpoczęcia napełnienia ostatniego siłownika w układzie hamulca. Aby skrócić czas pomiędzy zadziałaniami kolejnych rozdzielaczy w układzie, a tym samym do zwiększenia szybkości fali hamowania, w rozdzielaczach stosuje się przyśpieszacze fali hamowania.

Główny przyrząd rozrządczy
Główny przyrząd rozrządczy jest składową częścią rozdzielacza, która decyduje o jego podstawowym zadaniu, czyli napełnianiu i opróżnianiu siłownika. Praktycznie zasada działania polega na porównywaniu różnicy trzech ciśnień panujących w zbiorniku sterującym, przewodzie głównym i siłowniku. Ciśnienia te działają na membrany połączone z wydrążonym członem. Wszystkie siły, które powstają w wyniku parcia na membrany sumują się wektorowo i starają się doprowadzić układ do stanu równowagi sił działających na trzon.

Rys 3.11 Schemat struktury głównego przyrządu rozrządczego
1,2,3,4,5 – komory, 6 – grzybek zaworowy, 7 – trzon, 8,9 – membrany

Główny przyrząd rozrządczy rozdzielacza powietrza tworzą zawory oraz zespół z membranami. Rozdzielacz wewnątrz jest podzielony ścianami sztywnymi i elastycznymi na kilka komór pneumatycznych. Komory mają połączenie ze zbiornikiem pomocniczym, zbiornikiem sterującym, siłownikiem, przewodem głównym i atmosferą. Grzybek zaworowy, który znajduje się w komorze 1 uruchamiany jest przez trzon napędzany membraną. Trzon posiada osiowo wydrążony kanał przelotowy, którego zadaniem jest połączenie komory roboczej siłownika z wylotem do atmosfery. Gdy przyrząd rozrządczy znajduje się w fazie I rozkład sił działających na durzą membranę jest zrównoważony, ponieważ w zbiorniku sterującym jak i w przewodzie głównym panuje ciśnienie 0,5MPa. Komora robocza siłownika wówczas połączona jest z atmosferą.

Rys 3.12 Schemat struktury głównego przyrządu rozrządczego w fazie I pracy rozdzielacza powietrza

W zbiorniku sterującym przez wszystkie fazy panuje ciśnienie 0,5MPa i nie ulega zmianie. Rozkład sił kształtuje się następująco:

(7)

Fzs – siła działająca na powierzchnię Am1 dużej membrany pochodząca od ciśnienia Pzs panującego w zbiorniku sterującym
Fpg – siła działająca na powierzchnię Am1 dużej membrany pochodząca od ciśnienia Ppg panującego w przewodzie głównym

Jak już wspomniano sygnałem sterującym przejścia rozdzielacza powietrza do fazy II jest obniżenie ciśnienia w przewodzie głównym. Niezmienne ciśnienie panujące w zbiorniku sterującym a zarazem w komorze pod dużą membraną uniesie wówczas tą membranę do góry unosząc tym samym trzon, który spowoduje otwarcie zaworu łączącego zbiornik pomocniczy z komorą roboczą siłownika.

Rys 3.13 Schemat struktury głównego przyrządu rozrządczego w fazie II pracy rozdzielacza powietrza

Rozkład sił działających na membrany opisany jest wzorem:

(8)

Fs – siła działająca na powierzchnię Am2 małej membrany pochodząca od ciśnienia Ps panującego w siłowniku.

Przepływ powietrza ze zbiornika pomocniczego do komory roboczej siłownika będzie miał miejsce do momentu zrównoważenia się sił działających na powierzchnię obu membran. Wartość ciśnienia w siłowniku, przy którym osiągnięty zostanie stan równowagi:

(9)

Stan równowagi sił określony jest przez pośrednią fazę IIa pracy rozdzielacza powietrza podczas obniżania ciśnienia w przewodzie głównym i fazę IIIa podczas podwyższania ciśnienia w przewodzie głównym.

Rys 3.14 Schemat struktury głównego przyrządu rozrządczego w stanie równowagi sił działających na membrany

Faza IIa nastąpi z chwilą, gdy po obniżeniu ciśnienia w przewodzie głównym ustabilizuje ono się, a siła działająca na powierzchnię małej membrany pochodząca od ciśnienia z komory siłownika osiągnie taką wartość, że spowoduje nagięcie małej membrany do dołu i opadnięcie trzonu a tym samym zamknięcie grzybka zaworowego i ustanie przepływu pomiędzy zbiornikiem pomocniczym a komorą siłownika. Identyczna sytuacja ma miejsce, gdy osiągnięte zostanie maksymalne ciśnienie w komorze siłownika.

Sygnałem sterującym przejścia rozdzielacza powietrza do fazy III jest podwyższenie ciśnienia w przewodzie głównym. W tym przypadku siła działająca powierzchnię dużej membrany pochodząca od podwyższanego ciśnienia w przewodzie głównym osiągając odpowiednią wartość spowoduje ugięcie tej membrany, a tym samym pokonanie oporów pochodzących od siły działającej na małą membranę i opadnięcie trzonu powodując połączenie komory roboczej siłownika z atmosferą.

Rys 3.15 Schemat struktury głównego przyrządu rozrządczego w fazie III pracy rozdzielacza powietrza

Faza IIIa nastąpi z chwilą, gdy po podwyższeniu ciśnienia w przewodzie głównym ustabilizuje się ono, a siła działająca na powierzchnię małej membrany pochodząca od ciśnienia z komory siłownika osiągnie taką wartość, że spowoduje podwyższenie trzonu, a tym samym dojście trzonu do zaworu grzybka zaworowego i ustanie przepływu pomiędzy komorą siłownika a atmosferą (schemat identyczny jak na rysunku 3.14). Wartość ciśnienia w siłowniku, przy którym osiągnięty zostanie stan równowagi identycznie jak we wzorze (9).
W momencie podniesienia ciśnienia w przewodzie głównym do wartości 0,5MPa uzyskuje się fazę IV pracy rozdzielacza, czyli pełne odhamowanie. Schemat strukturalny identyczny jak w fazie I. Rozdzielacz powietrza jest w gotowości roboczej do następnego cyklu pracy.

Rozdzielacz powietrza Oerlikon ESt
Rozdzielacze hamulca w pierwszym etapie rozwoju określane były od nazwiska konstruktora. Obecnie hamulce określane są od nazw firm produkujących – np. Oerlikon. Rozdzielacze hamulca Oerlikona dzielą się na następujące grupy:
- rozdzielacz hamulca wagonu pasażerskiego ESt3d
- rozdzielacz hamulca wagonu towarowego ESt3e
- uniwersalny rozdzielacz hamulca wagonowego ESt4
- rozdzielacz hamulca lokomotywy LSt

Wewnątrz kadłuba rozdzielacza umieszczone są jego wszystkie przyrządy funkcjonalne. Pokrywa dolna rozdzielacza przymocowana jest śrubami, w jego kadłubie poprowadzone są też niezbędne kanały przepływowe. W strukturze rozdzielacza EStd występują wszystkie znane podstawowe elementy maszynowe stosowane w konstrukcjach hamulcowych rozdzielaczy powietrza - zawory grzybkowe z elastycznymi zwierciadłami, membrany wiotkie, komory i opory pneumatyczne, sprężyny oraz dźwignia.

Rys 3.16 Widok rozdzielacza powietrza Oerlikon odmiany ESt 3d [1]
1 - pokrywy górne, 2 - korki, 3 - pokrywa dolna, 4 - kanał do przewodu głównego, 5 - kanał do zbiornika pomocniczego, 6 - kanał do siłownika, 7 - kanał do zbiornika sterującego

W skład rozdzielacza ESt wchodzą:
- główny przyrząd rozrządczy oraz przyrządy dodatkowe
- przyśpieszacze fali hamowania
- zasilacz zbiornika pomocniczego
- oraz zawór zasilacza zbiornika
- zasilacz zbiornika sterującego
- przyrząd wstępnego ciśnienia w siłowniku
- zawory zmiany czasu napełniania i opróżniania siłownika (na wagonie oznaczone jako O – osobowy, T – towarowy)

Rys 3.17 Schemat struktury przyrządowej rozdzielacza powietrza Oerlikon odmiany ESt 3 [1]
1,2 – zawór wlotowy i wylotowy siłownika, 3 – zawór przyspieszacza fali hamowania, 4,5,6, - zawory zasilacza zbiornika pomocniczego, 7,8 – zawory zasilacza zbiornika sterującego, 9,10 – zawory nastawiacza czasu siłownika, 11 - zawór ciśnienia wstępnego, 12,13 – opory pneumatyczne

Jak już wspomniano we wcześniejszych punktach rozdzielacz powietrza posiada charakterystyczne fazy pracy.

Rys 3.17 Schemat struktury przyrządowej rozdzielacza powietrza Oerlikon odmiany ESt w fazie I [1]

W fazie I (gotowości roboczej hamulca Rys 3.17) sygnałem sterującym jest ciśnienie w przewodzie głównym wynoszące 0,5MPa, siłownik jest opróżniony (nastąpiło odhamowanie), w zbiorniku pomocniczym jest również ciśnienie 0,5MPa. W fazie I cyklu pracy rozdzielacza uczestniczą zasilacz zbiornika pomocniczego (zawory 4,5,6) oraz zasilacz zbiornika sterującego (8). Uzupełnianie ewentualnych ubytków w zbiorniku pomocniczym następuje przez zawory zasilania zbiornika pomocniczego i zawór zwrotny. Zbiornik sterujący powinien mieć przez cały cykl pracy ciśnienie wynoszące 0,5MPa, a drobne ubytki w wyniku nieszczelności uzupełniane są przez zawór (8). Membrana w zasilaczu zbiornika sterującego zostanie ugięta w dół, trzpień (strzałka) opierając się o podstawę zasilacza uniesie grzybek zaworu (8) i powietrze z przewodu głównego popłynie do zbiornika sterującego do momentu wyrównania ciśnień między przewodem głównym tym zbiornikiem.

Sygnałem w fazie II (Rys 3.18) jest obniżenie ciśnienia w przewodzie głównym poniżej 0,5MPa, membrana w głównym przyrządzie rozrządczym (GPR) odkształci się do góry. Uniesiony zostanie wydrążony trzon oraz trzpień z zapadką pneumatyczną otwierając dźwignią kolankową zawór (3). Powietrze przewodu głównego przepływa przez zawór (3) do komory przyspieszacza. Zawór (3) w przyspieszaczu otwarty gdyż utrzymuje go strumień przelewowy, zamknięty zostanie po wypełnieniu komory przyspieszacza. Część ciśnienia z przewodu głównego wypływa do atmosfery przez ten zawór.

Rys 3.18 Schemat struktury przyrządowej rozdzielacza powietrza Oerlikon odmiany ESt w fazie II [1]

Uniesiona membrana z wydrążonym trzonem powoduje uniesienie grzybka zaworu (1(2)). Wówczas powietrze ze zbiornika pomocniczego zacznie przepływać do siłownika. Jeżeli ciśnienie w siłowniku osiągnie wartość 0,015MPa wówczas membrana przyspieszacza fali hamowania przesunie się w lewo i zablokuje zapadkę kolankową (przyspieszacz bierze udział tylko w hamowaniu wstępnym gdyż zapadka przyspieszacza jest blokowana ciśnieniem siłownika). Ciśnienie wzrastające w siłowniku będzie powodowało przesunięcie tłoka i reakcję układu hamulcowego. W pierwszym momencie hamowania, siłownik powinien napełnić się szybko osiągając 0,06MPa, co objawi się szybkim dojściem do siebie elementów par ciernych, a następnie wolny wzrost ciśnienia w siłowniku i siły hamującej. Działanie to zapewnia zawór wstępnego ciśnienia w siłowniku (11). W pierwszym momencie hamowania zawór ten jest otwarty i wówczas powietrze ze zbiornika pomocniczego do siłownika płynie dwoma kanałami – ze zbiornika przez opór (12), zawór (11) do głównego przyrządu rozrządczego (1(2)), oraz opór (12) górnym przewodem, przez główny przyrząd rozrządczy (1(2)) do siłownika. Po osiągnięciu ciśnienia 0,06MPa następuje zamknięcie zaworu (11) i powietrze płynie tylko kanałem powyżej tego zaworu. Opisany przebieg wstępnego napełnia dotyczy pociągu towarowego, natomiast w przypadku pociągu osobowego, poprzez odpowiednie ustawienie, otwarty zostaje zawór 9, co pozwoli na szybsze napełnienie siłowników otwierając drugi kanał z pominięciem oporu (12).

Przepływ powietrza ze zbiornika pomocniczego do siłownia będzie trwał do momentu uzyskania równowagi sił działających na membrany głównego przyrządu rozrządczego (wzór 8), Uzyskana zostaje wówczas faza IIa. Ciśnienie w komorze siłownika oddziaływuje również na zasilacz zbiornika pomocniczego, powodując ugięcie w nim membrany i zamknięcie zaworów (4,5) łączących przewód główny ze zbiornikiem pomocniczym. Kolejne stopnie hamowania uzyskuje się obniżając ciśnienie w przewodzie głównym.

Sygnałem w fazie III (Rys 3.19) jest podwyższenie ciśnienia w przewodzie głównym. Pod wpływem wypadkowej siły nacisku, membrana w głównym przyrządzie rozrządczym ugnie się w dół i spowoduje, że trzon z wydrążonym kanałem opadnie. Powietrze z siłownika wypłynie wtedy przez zawór (1(2)), wydrążony trzon, opór (13) do atmosfery. Jeżeli zawór nastawiacza czasu siłownika jest w położeniu „osobowy”, otwarty jest krzywką zawór (10) i powietrze z siłownika będzie wypływało dodatkowo przez ten zawór, co uczyni proces opróżniania siłownika szybszym.

Rys 3.19 Schemat struktury przyrządowej rozdzielacza powietrza Oerlikon odmiany ESt w fazie III [1]

W przyrządach dodatkowych, w których działało ciśnienie siłownika następuje jego zanik i przyrządy te wracają w położenie jak w I fazie pracy rozdzielacza. Istotna w tej fazie jest praca zasilacza zbiornika pomocniczego. Przy obniżaniu się ciśnienia w siłowniku otwierają się zawory (4,5) i powietrze z przewodu głównego płynie do zbiornika pomocniczego, przygotowując w ten sposób zbiornik do kolejnego cyklu pracy i zapewnienia niewyczerpalności hamulca. Otwarty jest nadal zawór (6,7), więc tą drogą płynie także powietrze do zbiornika pomocniczego, co zapewnia szybkie jego napełnienie. W końcowej fazie napełnienia tego zbiornika, gdy ciśnienie zbliża się do 0,5MPa, zawór (5) zostaje zamknięty i następuje powolne uzupełnianie powietrza w tym zbiorniku poprzez zawór (4) i opór pneumatyczny. Ciśnienie w zbiorniku pomocniczym osiągnie wartość 0,5MPa z chwilą przejścia rozdzielacza do fazy I. Włączony zostaje również w razie potrzeby zasilacz zbiornika sterującego (zawór (8)) identycznie jak w fazie I.

Fazę IIIa uzyskuje się, gdy ciśnienie w siłowniku obniży się i spełni równanie równowagi sił działających na membranę w głównym przyrządzie rozrządczym. Stałe ciśnienie panujące w siłowniku powoduje trwanie procesu hamowania, ciśnienie w przewodzie głównym nie wzrosło jeszcze do 0,5MPa. Kolejne stopnie odhamowania uzyskuje się przy podwyższaniu ciśnienia w przewodzie głównym.

Rozdzielacz powietrza Oerlikon EP1
Rozdzielacze powietrza elektropneumatycznych hamulców pociągów wyróżniają się tym, że elektryczne sygnały sterowania zdalnego przetwarzają w sygnały pneumatyczne w układach hamulcowych poszczególnych pojazdów w składzie pociągu.

Rys 3.20 Schemat koncepcyjny hamulca elektropneumatycznego [1]

Klasycznym przykładem struktury przyrządowej układu przetwarzania sygnałów elektrycznych w pneumatyczne jest hamulec polskiego wynalazcy J. Lipkowskiego. W układzie tym występują zasadnicze części:
- obwód elektrycznych sygnałów sterowania zdalnego
- zespół membranowo-zaworowy pośredniczący w przetwarzaniu sygnałów elektrycznych w pneumatyczne
- pneumatyczny rozdzielacz powietrza

Komora pneumatyczna znajdująca się nad membraną (1) przyrządu pośredniczącego jest połączona z komorą wstępną rozdzielacza. Dokonując zmian napięcia prądu w cewce (2) na wejściu do układu uzyskuje się zmianę położenia zespołu membranowo-zaworowego oraz zmianę ciśnienia sprężonego powietrza w komorze znajdującej się nad membraną (1). Gdy nastąpi połączenie tej komory z przewodem zasilającym uzyskany zostanie wzrost ciśnienia, połączenie zaś z atmosferą przez kanał wydrążony w trzonie membrany da spadek ciśnienia w tej komorze. W tym samym czasie wystąpią odpowiednie zmiany ciśnienia w komorze wstępnej pneumatycznego rozdzielacza powietrza. Sygnały wzrastającego lub obniżanego się ciśnienia powietrza odbierane są przez główny przyrząd rozrządczy odpowiednio na nie reaguje. Na podobnej zasadzie działania oparte są niektóre współczesne układy hamulcowe, co zostało wykorzystane w elektrycznych zespołach trakcyjnych m.in. Oerlikon odmiany EP1.

Rys 3.21 Schemat połączeń zaworowych w zespole urządzeń układu sterowania elektropneumatycznego hamulca Oerlikon odmiany EP1 [1]

Do głównych części zespołu rozdzielacza powietrza zalicza się:
- przetwornik sygnałów elektropneumatycznych z zaworami (1) i (2)
- powtarzacz sygnałów pneumatycznych z zaworem wlotowym (3) oraz zaworem wylotowym (4) siłownika.

Przetwornik sygnałów umieszczony na wejściu układu służy do zamiany zdalnych sygnałów elektrycznych sterowania hamulcem w lokalne sygnały pneumatyczne w układzie urządzeń hamulcowych. Powtarzacz przejmuje sygnał pneumatyczny od przetwornika sygnałów i za pomocą obu zaworów (wlotowego i wylotowego) odtwarza na wyjściu rozdzielacza wymagane ciśnienie powietrza w komorze roboczej siłownika. W skład zespołu rozdzielacza wchodzą również przyrządy pomocnicze: podwójny zawór zwrotny (5) i zawór (6), który ogranicza najwyższe ciśnienie e siłowniku. Gdy nastąpi przejście ze sterowania elektropneumatycznego na sterowanie pneumatyczne, podwójny zawór zwrotny odcina kanał od przetwornika elektropneumatycznego (od którego były przekazywane sygnały powtarzacza) i otwiera kanał od strony pneumatycznego rozdzielacza powietrza.

Rys 3.22 Schemat struktury przyrządowej zespołu rozdzielacza powietrza elektropneumatycznego hamulca Oerlikon EP w fazie gotowości roboczej. [1]

Przyrządy są połączone w układzie szeregowym w następującej kolejności: przetwornik sygnałów elektropneumatycznych, zawór zwrotny, ogranicznik ciśnienia, powtarzacz sygnałów pneumatycznych.

Część pneumatyczną przetwornika sygnałów membrana (1), z osadzonym w osi prostopadłej do powierzchni czynnej wydrążonym trzonem zaworowym, dzieli się na dwie komory pneumatyczne, z których jedna ma połączenie z atmosferą. Na membranę działa ciągle z jednej strony ciśnienie atmosferyczne, z drugiej zaś (w chwili otwarcia zaworu grzybkowego) ciśnienie panujące w zbiorniku sterującym. Otwarcie kanału przepływowego ze zbiornika sterującego do dalszych urządzeń zespołu rozdzielacza następuje przez wzbudzenie cewki elektromagnesu (2), nastąpi przesunięcie trzonu zaworowego a tym samym pokonanie siły sprężyny i parcia sprężonego powietrza na grzybek zaworu (3). Przepływ strumienia powietrza ze zbiornika sterującego wywołuje wzrost ciśnienia w komorze pneumatycznej przetwornika sygnałów i powstanie siły zwrotnej membrany (1). Po osiągnięciu wartości wystarczającej do pokonania siły elektromagnetycznej siła membrany zamyka zawór (3). Ciśnienie powietrza ustalone w komorze pneumatycznej przetwornika staje się wejściowym sygnałem dla powtarzacza sygnałów pneumatycznych.

Do podstawowych elementów składowych powtarzacza należy zespół membranowy z zaworem wlotowym (4) i wylotowym (5) siłownika. Sygnały ciśnieniowe w komorze impulsowej powtarzacza przejmuje membrana 6 i wytwarza siłę zdolną do przemieszczania zespołu membranowego i uruchamiania zaworów (4) i (5). Jeżeli w obwodzie wzbudzenia cewki elektromagnesu nastąpi wzrost napięcia prądu, to dzięki połączeniu ze zbiornikiem sterującym, ciśnienie powietrza w komorze pneumatycznej oraz połączonej z nią komorze impulsowej powtarzacza również się zwiększa. Następuje zwiększenie poosiowej siły membrany (6), która otwiera zawór wlotowy siłownika. W przypadku zmniejszenia napięcia w obwodzie cewki wejściowej następuje spadek ciśnienia sprężonego powietrza w komorze roboczej siłownika.

Zadania sterownika hamulca
Układy urządzeń hamulcowych pojazdów pojedynczych lub składu wagonów stają się w pełni użyteczne dopiero po zastosowaniu sterownika, niezbędnego przy zasilaniu układu sprężonym powietrzem oraz wywoływaniu sygnałów sterowania. Elementem bezpośrednim przeznaczonym do wykonywania tych czynności jest dźwignia sterownika. Zadaniem sterownika hamulca jest wywołanie w przewodzie głównym ciśnienia lub wywołanie sygnału elektrycznego pozwalającego uzyskać wszystkie fazy hamulca. Najprościej sterownik hamulca pneumatycznego można przedstawić jako urządzenie łączące zbiornik główny z przewodem głównym oraz przewód główny z atmosferą.

Rys 3.23 Schemat poglądowy sterownika

W fazie I sterownik ma utrzymać stałą wartość ciśnienia w przewodzie głównym wynoszącą 0,5MPa, sterownik w tym położeniu sam uzupełnia ewentualne ubytki bez udziału maszynisty. W fazie II sterownik powinien zapewnić płynne zmniejszenie ciśnienia w przewodzie głównym oraz ewentualne skokowe zmniejszenie w celu uzyskania hamowania stopniowego. W fazie III sterownik musi umożliwić uzyskanie płynne i skokowe podwyższenie ciśnienia, w celu uzyskania odhamowania stopniowego. Sterownik powinien również umożliwić tzw. napełnienie uderzeniowe, czyli uzyskania ciśnienia w przewodzie głównym powyżej 0,5MPa w końcowej fazie odhamowania, co przyczyni się do szybszego opróżnienia powietrza z siłowników.

Rys 3.24 Przebiegi zmian ciśnienia w poszczególnych fazach

NPU – jest to końcowa faza odhamowania, możliwe jest wywołanie fali uderzeniowej (linia ciągła), lub możliwe jest przejście z fazy III bezpośrednio do fazy I (linia przerywana). Przypadku odhamowywania długich pociągów towarowych szybsze opróżnianie siłownika uzyskamy napełnieniem uderzeniowym.

Rys 3.25 Schemat położenia dźwigni sterownika Oerlikon FV4 [5]
1 – podwójna trakcja (wyłączenie hamulca w kabinie, w której nie ma maszynisty), 2 – napełnienie uderzeniowe, 3 – napełnianie i jazda, 4 – hamowanie pełne, 5 – hamowanie nagłe

Położenie dźwigni sterownika w pozycję (3) oznacza jazdę co odpowiada I fazie cyklu pracy rozdzielacza. Przejście dźwigni od pozycji (3) do (4) oznacza płynne obniżanie ciśnienia w przewodzie głównym, zatrzymanie w dowolnym pośrednim położeniu odznacza fazę IIa. Zakres pracy od pozycji (3) do (4) nazywa się hamowaniem służbowym. Przejście z pozycji (4) do (3) oznacza wzrost ciśnienia w przewodzie głównym, a więc odhamowanie, zatrzymanie w dowolnym pośrednim położeniu odznacza fazę IIIa.

Sterownik hamulca pneumatycznego Oerlikon FV4a
W skład sterownika hamulca pneumatycznego Oerlikon FV4a wchodzi przyrząd zadający oraz przyrząd wykonawczy.

Rys 3.26 Schemat konstrukcji przyrządu zadającego [1]

Maszynista dźwignią sterownika (1) powoduje obracanie tulei (2), która w dolnej części zakończona jest zarysem śrubowym. Umożliwia to podczas obrotu dźwigni wkręcanie bądź wykręcanie tulei. Podczas wykręcania tulei, sprężyna (7) ulega naprężaniu, na membranie (8) nastąpi porównanie siły sprężyny (7) i siły wynikającej z ciśnienia panującego pod tą membraną. Zostanie otwarty zawór (13) i powietrze ze zbiornika głównego przez ten zawór popłynie do komory pod membraną, a w efekcie do przyrządu wykonawczego.

Jeżeli tuleja zostanie wykręcona, sprężyna mając mniejsze napięcie umożliwi odkształcenie membrany w górę i otwarcie przepływu powietrza z komory pod membraną do atmosfery. W efekcie zostanie obniżone ciśnienie docierające do przyrządu wykonawczego. Przepływy powietrza będą trwały do uzyskania stanu równowagi tzn. do momentu, kiedy ciśnienie panujące w komorze odpowiada napięciu sprężyny.

Przyrząd wykonawczy jest elementem sterownika, który odbiera sygnały od przyrządu zadającego i odpowiednio je interpretując decyduje o obniżeniu bądź podwyższeniu ciśnienia w przewodzie głównym.

Rys 3.27 Schemat konstrukcji przyrządu wykonawczego w stanie równowagi sił [1]

W czasie utrzymywania dźwigni sterownika w położeniu (3) czyli jazdy, napięcie sprężyny (7) w przyrządzie zadającym jest tak dobrane, że sygnał pneumatyczny, który wychodzi z przyrządu zadającego posiada wartość 0,5MPa. Sygnał z przyrządu zadającego dociera do komory (12) przyrządu wykonawczego. W czasie jazdy oraz fazach IIa i IIIa zawór (9(10)) przyrządu wykonawczego zajmie położenie jak na rysunku 3.27. Przestawienie dźwigni sterownika z położenia (3) w kierunku (4) powoduje wykręcenie tulei w przyrządzie zadającym, sprężyna jest mniej napięta, więc sygnał pneumatyczny wychodzący do przyrządu wykonawczego będzie miał ciśnienie mniejsze niż 0,5MPa.

Rys 3.28 Schemat konstrukcji przyrządu wykonawczego podczas hamowania [1]

Im bliżej położenia (4) (hamowania pełnego) tym będzie ono niższe. Wówczas ciśnienie przewodu głównego, które jest wyższe ugnie membranę przyrządu wykonawczego do dołu przesuwając trzon do położenia jak na rysunku 3.28 i powietrze z przewodu głównego przez wydrążony trzon popłynie do atmosfery. Wypływ będzie trwał do momentu wyrównania ciśnień przewodu głównego i sygnału z przyrządu zadającego. Każde kolejne przestawienie dźwigni sterownika bliżej położenia (4) spowoduje analogiczną reakcję.

Przestawiając dźwignię sterownika z pozycji (4) w kierunku pozycji (3) rozpoczęty zostanie proces odhamowania. Tuleja zostaje wtedy wkręcana, co spowoduje napięcie sprężyny (7) w przyrządzie zadającym a tym samym podwyższenie ciśnienia sygnału zadającego.

Rys 3.29 Schemat konstrukcji przyrządu wykonawczego podczas odhamowania [1]

Podwyższone ciśnienie sygnału z przyrządu zadającego spowoduje uniesienie membrany w przyrządzie wykonawczym i otwarcie zaworu (9(10)) łącząc zbiornik główny z przewodem głównym. Przepływ powietrza będzie trwał do mementu wyrównania się ciśnień. Wartość ciśnienia w przewodzie głównym można określić ze wzoru:

(10)

0,5MPa – ciśnienie w komorze (12) i (15), Am1 – pole powierzchni dużej membrany, Am2 – pole powierzchni małej membrany

Jeżeli dźwignia sterownika zostanie przestawiona w położenie (2) (napełniania uderzeniowe) wówczas dolna krzywka przyrządu zadającego spowoduje otwarcie zaworu (5) a tym samym zaworu (14), łącząc sygnał zadający, który dopływa do komory (12), z komorą (15). Maszynista utrzymuje dźwignię w tym położeniu obserwując przez cały czas manometr przewodu głównego

Rys 3.30 Schemat struktury przyrządowej sterownika Oerlikon FV4a [1]

Jeżeli uzyskane zostanie zakładane ciśnienie powyżej 0,5MPa wówczas cofa dźwignię w położenie (3) a powietrze komory (15) przyrządu wykonawczego wypływa przez opór do atmosfery i tym samym ciśnienie w przewodzie głównym zdąża do 0,5MPa.

Hamowanie nagłe uzyskuje się przestawiając dźwignię sterownika hamulca w pozycję (5). Górna krzywka przyrządu zadającego spowoduje otwarcie zaworu w przyrządzie (6) łączącego bezpośrednio przewód główny z atmosferą. Nastąpi nagła zmiana ciśnienia, która skróci czas napełniania siłowników pomijając reakcję zmian napięcia sprężyn i membran we wszystkich przyrządach.

Rys 3.31 Sterownik hamulca Oerlikon FV4a

Rys 3.32 Kabina elektrycznej lokomotywy towarowej serii ET22
1 – manometr wskazujący ciśnienie w siłowniku, 2 – w przewodzie głównym, 3 – w zbiorniku głównym

Sterownik Oerlikon FV4a umożliwia zmniejszenie ciśnienia w przewodzie głównym do 0,35MPa w przypadku hamowania normalnego oraz do 0,29MPa przypadku hamowania pełnego (ciężkie składy).

Sterownik hamulca elektropneumatycznego Oerlikon FVEL
Do sterowania elektropneumatycznym hamulcem Oerlikon odmiany EP1 są przystosowane sterowniki Oerlikon typu FVEL.

Rys 3.33 Schemat struktury przyrządowej sterownika Oerlikon FVEL [1]
1 – stycznik wielopozycyjny, 2,3 – krzywki sterujące, 4,5 – zawory zasilania i opróżniania przewodu głównego, 6 – wał, 7 – dźwignia sterująca, 8 – wyłącznik, 9 – stabilizator ciśnienia

Zawór zasilający znajduje się w kanale prowadzącym ze zbiornika głównego przez stabilizator ciśnienia (9) do przewodu głównego, a zawór wylotowy — w kanale prowadzącym z przewodu głównego do atmosfery. Stycznik oraz krzywki osadzony jest na wspólnym wale (6), obracanym dźwignią sterownika (7). Obwód elektryczny stycznika wielopozycyjnego zaprojektowany jest tak, aby przez obracanie dźwigni sterownika następowało kolejne zwieranie rozmieszczonych półkoliście styków, które dokonują odpowiednich połączeń w potencjometrze przeznaczonym do uzyskania w obwodzie głównym hamulca pociągu sygnału sterującego o określonej wartości napięcia prądu, przekazywanego do elektropneumatycznych przetworników sygnałów w rozdzielaczach powietrza. Każdej wartości napięcia odpowiada określona wartość ciśnienia sprężonego powietrza w komorach roboczych siłowników hamulca.

Skrajne lewe położenie dźwigni sterującej wyznacza stan gotowości roboczej hamulca. Przewód główny jest zasilany sprężonym powietrzem przez stabilizator ciśnienia, a obwody elektryczne w tym położeniu dźwigni są wyłączone. Przesunięcie dźwigni w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara powoduje załączanie stycznika i przekazanie do obwodu elektrycznego sygnału sterującego o niskim napięciu. Dalsze przemieszczanie dźwigni powoduje zwieranie kolejnych styków, stycznika i wysyłanie do elektrycznego obwodu sterowania prądu o coraz większym napięciu, w wyniku czego skokowo wzrasta ciśnienie powietrza w siłownikach hamulca. Przemieszczając dźwignię w kierunku przeciwnym będzie następować spadek ciśnienia w siłownikach i siły hamowania pociągu.

Po przekroczeniu położenia odpowiadającego największemu napięciu granicznemu, dźwignia znajdzie się w zakresie sterowania pneumatycznego. Obwody elektryczne zostają wyłączone. Wywoływanie pneumatycznych sygnałów sterowania przez obniżanie lub podwyższanie ciśnienia powietrza w przewodzie głównym odbywa się za pomocą zaworów (4) i (5), uruchamianych przez obrót krzywek, które na powierzchni stykowej współdziałają z trzonami napędzającymi grzybki.

Rys 3.34 Sterownik hamulca Oerlikon FVEL

Sterownik hamulca lokomotyw Oerlikon FD 1
Do sterowania hamulcami samych lokomotyw są stosowane sterowniki o uproszczonej konstrukcji, której główną częścią jest zespół dwóch zaworów umieszczonych w kanałach przepływowych ze zbiornika głównego do siłownika oraz z siłownika do atmosfery. Zależnie od położenia dźwigni sterującej uzyskuje się napełnianie komory roboczej siłownika, opróżnianie lub utrzymywanie stałej wartości ciśnienia w siłowniku.

Rys 3.35 Schemat połączeń zaworowych sterownika hamulca lokomotywy Oerlikon FD 1 [1]

Rys 3.35 Schemat struktury przyrządowej sterownika hamulca lokomotywy Oerlikon FD 1 [1]

Przykładem sterowników tego rodzaju może być sterownik Oerlikon odmiany FD 1. Występuje w nim zespół zaworów w układzie teleskopowym. Zawór wlotowy (1) siłownika ma stałe gniazdo, wylotowy (2) — ruchome, połączone z kanałem prowadzącym do atmosfery, wydrążonym w trzpieniu z osadzoną na nim membraną 3. Elementem ustalającym wymagane ciśnienie w siłowniku jest sprężyna (4), działająca na przeciwległą do zaworów stronę membrany 3. Obrót dźwigni wraz z wewnętrznie gwintowanym elementem (5) w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara powoduje ściskanie sprężyny (4), a powstająca siła działając przez wydrążony trzpień membrany otwiera zawór wlotowy ze zbiornika głównego do komory roboczej siłownika. Sprężone powietrze wypełnia również komorę membrany (3) i po zrównoważeniu siły sprężyny zamyka zawór. Natomiast obrót dźwigni w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara powoduje zmniejszenie siły sprężyny działającej na membranę. Ciśnienie powietrza w komorze pneumatycznej na membranę przemieszcza ją wraz z ruchomym zwierciadłem zaworu wylotowego. Przez otwarty kanał przelotowy w trzpieniu membrany strumień sprężonego powietrza z komory roboczej siłownika wypływa do atmosfery. Przepływ trwa do chwili ustalenia nowego stanu równowagi między siłą sprężyny (4) a ciśnieniem powietrza na membranę (3).

Rys 3.31 Sterownik hamulca Oerlikon FD 1

Zdjęcia, obrazki, rysunki:
[1] Kalinkowski A., Orlik A – „Wagony kolejowe i hamulce” WKŁ Warszawa 1981
[5] Piątek S., Węclewski S., Żałopa J. – „Lokomotywy elektryczne serii ET22” WKŁ Warszawa 1991

Logowanie

Zapomniane hasło?
Wyślemy nowe, kliknij TUTAJ.

Toplisty

Toplista stron kolejowych 2

Zdjęcia miesiąca

Zdjęcie TOP z miesiąca WRZESIEŃ 2008