УСТРОЙСТВО ДЛЯ УВЕЛИЧЕНИЯ СЦЕПЛЕНИЯ ВЕДУЩИХ КОЛЕС ЛОКОМОТИВА С РЕЛЬСАМИ

Полезная модель относится к рельсовым транспортным средствам, в частности к устройствам для повышения тягового усилия локомотива за счет увеличения сцепления ведущих колес с рельсами.
Известно устройство для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами, содержащее электромагнит, подключенный к источнику тока (см. Karel Kucera. Electromagnetic adhesion means for railroad locomotives. Патент США US 3307058 А от 20 января 1964 года).
Недостатком известного устройства является слабая величина создаваемого магнитного потока, не позволяющая значительно увеличить сцепление колеса с рельсом, в связи с тем, что по требованиям вписывания устройства в габарит подвижного состава между электромагнитом и рельсом должен быть создан значительный воздушный зазор.
Известен магнитный догружатель рельсового транспортного средства, содержащий смонтированные на боковой балке тележки вертикально расположенные гидроцилиндры, связанные с магнитом, траверсу, жестко связанную со штоками гидроцилиндров и шарнирно посредством тяг с магнитом, датчики усилий, связанные с приводом (см. В.В. Мишин, В.А. Зябрев, А.И. Лебедев, В.А. Салов и Э.М. Шляхов. Магнитный догружатель рельсового транспортного средства. Авторское свидетельство СССР №1286453, Бюл. №4 30.01.87.).
Недостатком указанного устройства является дополнительное сопротивление движению, создаваемое вследствие контакта электромагнита с рельсом, что делает невозможным применение этого устройства на локомотиве в режиме тяги.
Известно устройство для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами, содержащее разрезное колесо с размещенными внутри электромагнитами (см. John Otto Heinze Jr. Magnetic wheel. Патент США US 709484 A, 24 февраля 1902 г.).
Недостатком устройства является его низкая надежность вследствие большой концентрации нагрузок в контакте разрезного колеса с рельсом.
Известно устройство для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами, содержащее катушку электромагнита, охватывающую диск колеса локомотива по хорде и подключенную к источнику тока (см. Wehner David Е. Electromagnetic traction increaser. Патент США US 2198928 А, 2 декабря 1936 г.).
Недостатком устройства является его недостаточная эффективность, не позволяющая существенно увеличить сцепление колеса с рельсом вследствие ограниченного пространства для размещения электромагнита и необходимостью больших зазоров между неподвижным электромагнитом и вращающимся колесом, во избежание заклинивания колеса при попадании в зазор камешков балласта и случайно оказавшихся на пути костылей, болтов и гаек. Испытания тепловоза ТЭМ2УС с катушкой электромагнита, охватывающей диск колеса по хорде, показали увеличение сцепных свойств лишь на 4%. (см. Е.А. Ситников, И.Н. Родионов, В.П. Гриневич. Исследования по повышению тяговых свойств маневровых тепловозов путем применения электромагнитного увеличения сцепления и более оптимальных схем соединения тяговых электродвигателей. Отчет ВНИТИ № И-108-82, Коломна, 1982 г, лист 46.)
Известно устройство для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами, содержащее намагничивающую обмотку в виде катушки, выполненную из изолированного провода, подключенную к источнику питания с помощью проводов и установленную на оси колесной пары на каркасе, который неподвижно закреплен на тележке электровоза и расположен соосно с осью колесной пары, катушка размещена между диском колеса колесной пары и большим зубчатым колесом, каркас связан с корпусом редуктора, подшипники качения размещены с одного торца каркаса катушки и связаны со статором тягового электродвигателя, устройство содержит датчик продольного усилия, размещенный на тяге подвески, осредняющий фильтр, сумматор, блок установки и ключ, при этом при реализации локомотивом силы тяги в подвеске, препятствующей повороту тягового электродвигателя вокруг оси возникает усилие, и на выходе датчика продольного усилия появляется сигнал, который поступает на вход осредняющего фильтра, с выхода осредняющего фильтра сигнал поступает на один из входов сумматора, на второй вход которого поступает сигнал от блока установки, если величина сигнала с выхода осредняющего фильтра становится меньше величины сигнала от блока установки, на выходе сумматора возникает сигнал, который поступает на вход ключа, ключ открывается, и от источника питания на катушку поступает ток, величина которого пропорциональна величине сигнала с выхода сумматора (см. патент на полезную модель №194613, Российская Федерация, СПК В61С 15/08 (2019.08). Устройство для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами. / Воробьев В.И., Измеров О.В., Пугачев А.А., Космодамианский А.С., Капустин М.Ю., Стрекалов Н.Н., Самотканов А.В., Шевченко Д.Н., Корчагин В.О. Опубл. 17.12.2019, бюл. №35.).
Недостатком данного устройства является то, что оно может быть применено только для тягового привода, в котором малое зубчатое колесо тяговой передачи расположено между роторными подшипниками тягового электродвигателя, в то время, как на большинстве отечественных магистральных и маневровых тепловозов малое зубчатое колесо расположено консольно на конце вала тягового электродвигателя, вследствие чего тяговая передача расположена ближе к колесному центру, чем в данном устройстве, и место между большим зубчатым колесом и диском колесного центра недостаточно для размещения катушки.
Известно устройство для увеличения сцепления колесной пары электровоза с рельсами, содержащее колесную пару, намагничивающую обмотку в виде катушки, обеспечивающую электромагнитное сцепление колес с рельсами, выполненную из изолированного провода, установленную на оси колесной пары и подключенную к источнику питания с помощью проводов, причем намагничивающая катушка установлена на каркасе, который неподвижно закреплен на тележке электровоза и расположен соосно с осью колесной пары с зазором, в котором установлены подшипники качения, размещенные по торцам каркаса катушки с возможностью вращения оси колесной пары внутри него, при этом токопроводящие провода размещены внутри тележки электровоза (см. Б.П. Цалоев, Г.К. Пиранишвили. Устройство для увеличения сцепления колесной пары электровоза с рельсами. Патент РФ №2055748, опубл. 10.03.1996.).
Недостаток указанного устройства состоит в том, что при использовании его на тележке грузового локомотива с опорно-осевым приводом указанное устройство имеет низкую эффективность, поскольку остов тягового электродвигателя при опорно-осевом приводе расположен близко к оси колесной пары (см. Алексеев А.Е. Тяговые электрические машины и преобразователи. Л., «Энергия», 1977, С. 25, рис. 1-4), что не позволяет выполнить катушку с габаритами, обеспечивающими требуемую величину магнитного потока.
Известно устройство для увеличения сцепления колес локомотива с рельсами, содержащее намагничивающую обмотку в виде катушки из изолированного провода, подключенную к источнику питания с помощью проводов и установленную на каркасе, катушка размещена между моторно-осевыми подшипниками тягового двигателя, каркас катушки выполнен из немагнитного материала и неподвижно закреплен на остове тягового двигателя вдоль оси колесной пары, причем зубчатое колесо и кожух редуктора соединены с осью колесной пары через немагнитную втулку (см. патент на полезную модель №196905, Российская Федерация, СПК В61С 15/08 (2019.08). Устройство для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами. / Воробьев В.И., Измеров О.В., Корчагин В.О., Маслов М.А., Космодамианский А.С., Капустин М.Ю., Стрекалов Н.Н., Самотканов А.В., Шевченко Д.Н. Опубл. 19.03.2020, бюл. №8.).
Недостаток устройства тот же, что и указанного выше, поскольку остов тягового электродвигателя при опорно-осевом приводе расположен близко к оси колесной пары, что ограничивает пространство для размещения катушки.
Известны дугостаторные и кольцевые электрические двигатели, в которых передача момента осуществляется бесконтактно электромагнитным полем (см. Толкачев Э.А. Дугостаторные и линейные синхронные машины с магнитоэлектрическим возбуждением. Изд-во ЛГУ, 1975, С. 127.). Известно, что в дугостаторном двигателе ротор представляет собой часть окружности (см. Бурмакин A.M. Низкоскоростной дугостаторный асинхронный двигатель для станков-качалок малодебитных нефтяных скважин. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н. Екатеринбург, 2011, С. 7 рис. 1), что позволяет приблизить наружную поверхность катушки к ротору двигателя в месте, не занимаемом дуговым статором (в выемке, если суммарная длина одного или нескольких дуговых статоров больше половины длины окружности с радиусом, равным радиусу дуги статора, но меньше длины окружности с радиусом, равным радиусу дуги статора). Известно, что особенности конструкции, принципа действия и энергетики дугостаторных асинхронных электродвигателей обуславливают возможность их использования в системе тягового привода локомотивов (см. А.И. Ивахин. Варианты реализации и динамические свойства асинхронного тягового привода локомотивов с дугостаторными электродвигателями / «Тяжелое машиностроение», №10, М., НПО "Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения", 2012, с. 21).
Известно устройство для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами, содержащее намагничивающую обмотку в виде катушки из изолированного провода, подключенную к источнику питания с помощью проводов и установленную на каркасе, катушка размещена между моторно-осевыми подшипниками тягового электродвигателя, каркас катушки выполнен из немагнитного материала и неподвижно закреплен на корпусе тягового электродвигателя вдоль оси колесной пары, причем зубчатое колесо и кожух редуктора соединены с осью колесной пары через немагнитную втулку, отличающееся тем, что статор тягового электродвигателя выполнен в виде двух одинаковых дугообразных индукторов, длина каждого из которых по наружной стороне меньше длины полуокружности с радиусом, равным наружному радиусу индуктора, концы индукторов соединены друг с другом со стороны, противоположной оси колесной пары, корпус тягового электродвигателя имеет выемку в месте расположения концов индукторов, удаленных друг от друга, закрытую кожухом, каркас катушки закреплен на корпусе тягового электродвигателя с помощью кожуха, а расстояние от наружной поверхности катушки до центра вала тягового электродвигателя меньше, чем величина наружного радиуса индуктора (см. патент РФ на полезную модель №208748. СПК В61С 15/08. Устройство для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами. / Воробьев В.И., Измеров О.В., Космодамианский А.С., Пугачев А.А., Стрекалов Н.Н., Капустин М.Ю., Самотканов А.В. Шевченко Д.Н., Николаев Е.В. Опубл. 10.01.2022.).
Недостаток устройства заключается в том, что при работе локомотива на участках пути, где сила тяги, требуемая для движения состава, может быть реализована без воздействия магнитного поля на контакт колеса с рельсом, пропускание тока по намагничивающей обмотке приводит к дополнительному расходу энергии за счет потерь в самой намагничивающей обмотке и вследствие дополнительного сопротивления движению от возникновения вихревых токов в движущихся деталях экипажной части, в которых создается магнитный поток.
Наиболее близким к заявляемому является устройство для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами, содержащее намагничивающую обмотку в виде катушки из изолированного провода, подключенную к источнику питания с помощью проводов и установленную на каркасе, катушка размещена между моторно-осевыми подшипниками тягового электродвигателя, каркас катушки выполнен из немагнитного материала и неподвижно закреплен на корпусе тягового электродвигателя вдоль оси колесной пары, причем зубчатое колесо и кожух редуктора соединены с осью колесной пары через немагнитную втулку, статор тягового электродвигателя выполнен в виде двух одинаковых дугообразных индукторов, длина каждого из которых по наружной стороне меньше длины полуокружности с радиусом, равным наружному радиусу индуктора, концы индукторов соединены друг с другом со стороны, противоположной оси колесной пары, корпус тягового электродвигателя имеет выемку в месте расположения несомкнутых концов индукторов, закрытую кожухом, каркас катушки закреплен на корпусе тягового электродвигателя с помощью кожуха, а расстояние от наружной поверхности катушки до центра вала тягового электродвигателя меньше, чем величина наружного радиуса индуктора, устройство содержит датчик продольных ускорений, размещенный на корпусе моторно-осевого подшипника и подключенный к блоку измерения сигналов, связанного с последовательно соединенными полосовым фильтром, выпрямителем и блоком сравнения, к которому параллельно подключены блок установки и ключ, включенный между источником питания и катушкой (см. патент РФ на полезную модель №213746. СПК В61С 15/08, В61С 9/46. Устройство для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами. / Воробьев В.И., Злобин С.Н., Измеров О.В., Николаев Е.В. Опубл. 28.09.2022 Бюл. №28).
Недостаток устройства заключается в том, что из-за небольшой толщины немагнитной втулки часть магнитного потока, создаваемого катушкой, замыкается через зубчатое колесо и корпус тягового электродвигателя, что уменьшает магнитный поток, протекающий через контакт колеса и рельса, снижая тем самым сцепление колеса с рельсом и производительность локомотива, поскольку возможность увеличения магнитного поля, создаваемого катушкой, ограничена размерами катушки и допустимым нагревом проводов катушки.
Известно (см. Лужнов Ю.М., Прунцев А.П. Влияние постоянного магнитного поля на трение твердых тел. - Труды МИИТ, 1974, вып. 467), что коэффициент трения (сцепления) в контакте «металл-металл», помимо физических свойств пары трения, зависит от напряженности магнитного поля в пятне контакта и может быть повышен. Для более детального исследования влияния магнитного поля на коэффициент трения системы «металл-металл» были проведены испытания на специальных установках (см. В.П. Тихомиров, В.И. Воробьев, Д.В. Воробьев, Г.В. Багров, М.И. Борзенков, И.А. Бутрин. Моделирование сцепления колеса с рельсом. Орел, ОрелГТУ, 2007, С. 95-101). Результаты испытаний показали, что для исследуемых моделей контакта «сталь по стали» при создании сильных магнитных полей в зоне их контакта возможно повышение коэффициента трения (сцепления) более чем на 20%. В настоящее время данное явление объясняется прежде всего эффектом магнитопластичности, одной из главной причин которого считают увеличение подвижности дислокаций при воздействии внешнего электромагнитного поля под влиянием электронных спинов, локализованных на дефектах кристаллической решетки (см. Полетаев В.А., Потемкин Д.А. Энергетический анализ влияния магнитного поля на механические свойства стали. Вестник Ивановского государственного энергетического университета (ИГЭУ). - 2007 №3. - С. 8-11).
Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение производительности локомотива за счет увеличения сцепления колеса с рельсом.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами, содержащем намагничивающую обмотку в виде катушки из изолированного провода, подключенной к источнику питания с помощью проводов и установленной на каркасе, катушка размещена между моторно-осевыми подшипниками тягового электродвигателя, каркас катушки выполнен из немагнитного материала и неподвижно закреплен на корпусе тягового электродвигателя вдоль оси колесной пары, причем зубчатое колесо и кожух редуктора соединены с осью колесной пары через немагнитную втулку, статор тягового электродвигателя выполнен в виде двух одинаковых дугообразных индукторов, длина каждого из которых по наружной стороне меньше длины полуокружности с радиусом, равным наружному радиусу индуктора, концы индукторов соединены друг с другом со стороны, противоположной оси колесной пары, корпус тягового электродвигателя имеет выемку в месте расположения несомкнутых концов индукторов, закрытую кожухом, каркас катушки закреплен на корпусе тягового электродвигателя с помощью кожуха, а расстояние от наружной поверхности катушки до центра вала тягового электродвигателя меньше, чем величина наружного радиуса индуктора, устройство содержит датчик продольных ускорений, размещенный на корпусе моторно-осевого подшипника и подключенный к блоку измерения сигналов, связанного с последовательно соединенными полосовым фильтром, выпрямителем и блоком сравнения, к которому параллельно подключены блок установки и ключ, включенный между источником питания и катушкой, немагнитная втулка выполнена в виде полого цилиндра с фланцем, соединенным с диском зубчатого колеса болтовым соединением, и связана с осью через колесо колесной пары, посредством ступицы, опирающейся на колесо колесной пары и соединенной с колесом колесной пары болтовым соединением.
Сущность заявленной полезной модели поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображен общий вид устройства для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами, а на фиг. 2 - поперечное сечение тягового электродвигателя и оси колесной пары.
и
и
и
и
и
1
2
и
Устройство для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами (фиг. 1) содержит намагничивающую обмотку 1 в виде катушки 2 из изолированного провода, подключенную к источнику 3 питания с помощью проводов 4 и установленную на каркасе 5. Катушка 2 размещена между моторно-осевыми подшипниками 6 тягового электродвигателя 7, размещенного в корпусе 8. Каркас 5 катушки 2 выполнен из немагнитного материала и неподвижно закреплен на корпусе 8 тягового электродвигателя 7 вдоль оси 9 колесной пары 10, причем зубчатое колесо 11 и кожух 12 редуктора, закрепленного на корпусе 8, соединены с осью 9 колесной пары 10 через немагнитную втулку 13. Каркас 5 катушки 2 закреплен на корпусе 8 тягового электродвигателя 7 с помощью кожуха 14. Датчик 15 продольных ускорений, размещен на корпусе моторно-осевого подшипника 6 и подключен к блоку 16 измерения сигналов, который через последовательно соединенные полосовой фильтр 17, выпрямитель 18 и блок 19 сравнения связи с блоком 20 установки и ключом 21, включенным между источниками 3 питания и катушкой 2. Статор 22 тягового электродвигателя 7 (фиг. 2) выполнен в виде двух одинаковых дугообразных индукторов 23. Длина каждого из индукторов 23 по наружной стороне будет равна L=πRϕ/180, где R - радиус индуктора 23 по наружной стороне, а ϕ - угол между торцами индуктора 23 в градусах. Поскольку, ϕ<180°, то L меньше, чем длина полуокружности с радиусом, равным R, и два индуктора 23 вместе образуют лишь часть окружности. Концы индукторов 23 соединены друг с другом со стороны, противоположной оси 9 колесной пары 10, по линии ВВ, а противоположные концы индукторов 23 не сомкнуты друг с другом. Корпус 8 тягового электродвигателя 7 имеет выемку в месте расположения концов индукторов 23, удаленных друг от друга. Выемка закрыта кожухом 14. Расстояние L от наружной поверхности каркаса 5 катушки 2 до центра вала 24 тягового электродвигателя 7 меньше, чем величина R (радиус индуктора 23 по наружной стороне).
Немагнитная втулка 13 выполнена в виде полого цилиндра с фланцем 25, соединенным с диском зубчатого колеса 11 болтовым соединением 26, и связана с осью 9 колесной пары 10 через колесо 27 колесной пары 10, посредством ступицы 28, опирающейся на колесо 27 колесной пары 10 и соединенной с колесом 27 колесной пары 10 болтовым соединением 29.
Устройство для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами работает следующим образом.
При пропускании по катушке 2 тока от источника 3 питания возникает магнитный поток, проходящий через ось 9 колесной пары, оба колеса колесной пары и рельсы (на рисунке Фиг. 1 не показаны), что приводит к изменению физико-механических свойств в зоне контакта металлических тел (колес с рельсами) и изменяет коэффициент сцепления колес с рельсами. Кожух 14 препятствует попаданию пыли и грязи внутрь тягового электродвигателя 7.
Благодаря выполнению статора 22 тягового электродвигателя 7 в виде двух дугообразных индукторов 23, не сомкнутых друг с другом со стороны оси 9 колесной пары 10, и наличии в корпусе 8 тягового электродвигателя 7 выемки появляется возможность для увеличения магнитного потока, проходящего через колеса и рельсы, путем увеличения наружного диаметра катушки 2, поскольку наружный диаметр каркаса 5 катушки 2, в отличие от рассмотренных выше аналогов, можно при той же самой величине централи тяговой передачи и передаточного отношения увеличить до размеров, при которых расстояние от наружной поверхности каркаса 5 катушки 2 до центра вала 24 тягового электродвигателя 7 меньше, чем величина радиуса индуктора 23 по наружной стороне, так как катушка 2 располагается в выемке.
В случае внезапного ухудшения условий сцепления колес с рельсами скольжение колес по рельсу возрастает, возникают фрикционные автоколебания, которые приводят к периодическим изменениям крутящего момента в оси 9, периодическим продольным ускорениям моторно-осевых подшипников 6 и появлению периодически изменяющихся сигналов на выходе датчика 15 продольных ускорений и выходе блока 16 измерения сигналов. Периодически изменяющийся сигнал с выхода блока 16 измерения сигналов поступает на вход полосового фильтра 17, который пропускает только сигнал с частотой, соответствующей частоте собственных колебаний колесной пары 10, во избежание ложных срабатываний устройства. Сигнал с выхода полосового фильтра 17 выпрямляется выпрямителем 18 и поступает на вход блока 19 сравнения, на другой вход которого поступает сигнал от блока 20 установки, величина которого определяется на основании результатов испытаний. Если величина сигнала с выхода выпрямителя 18 больше величины сигнала с выхода блока 20 установки, на выходе блока 19 сравнения появляется сигнал, который поступает на ключ 21. Ключ 21 открывается и подает ток от источника 3 питания на катушку 2, возникает магнитный поток, проходящий через ось 9 колесной пары 10, оба колеса колесной пары 10 и рельсы, что приводит к изменению физико-механических свойств в зоне контакта металлических тел (колес с рельсами) и повышает коэффициент сцепления колес с рельсами.
Благодаря тому, что немагнитная втулка 13 выполнена в виде полого цилиндра и опирается на колесо 27 колесной пары 10 посредством ступицы 28, у зубчатого колеса 11 отсутствует ступица, шунтирующая магнитный поток и расстояние между диском зубчатого колеса 11 и осью 9 колесной пары 10 увеличено по сравнению с прототипом, ответвление магнитного потока через зубчатое колесо 11 и корпус 8 тягового электродвигателя 7 меньше, чем у прототипа, что ведет к увеличению магнитного потока, проходящего через контакт колеса и рельса.
Технико-экономический эффект заявленной полезной модели заключается в том, что выполнение немагнитной втулки в виде полого цилиндра с фланцем, соединенным с диском зубчатого колеса и опоры на ось колесной пары через ступицу и колесо колесной пары ведет к меньшему ответвлению магнитного потока через зубчатое колесо и корпус тягового электродвигателя, увеличению магнитного потока, проходящего через контакт колеса и рельса, увеличению сцепления колеса с рельсом, и, вследствие этого, к увеличению производительности локомотива.