УСТРОЙСТВО ДЛЯ УВЕЛИЧЕНИЯ СЦЕПЛЕНИЯ ВЕДУЩИХ КОЛЕС ЛОКОМОТИВА С РЕЛЬСАМИ

Полезная модель относится к рельсовым транспортным средствам, а именно, 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 (Karel Kucera. Electromagnetic adhesion means for railroad locomotives. Патент США US3307058 A 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 (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 (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 (Wehner David E. Electromagnetic traction increaser. Патент США US 2198928 A, 2 декабря 1936 г.).
1
1
Недостатком устройства является его недостаточная эффективность, не позволяющая существенно увеличить сцепление колеса с рельсом. На фиг. 1 изображена схема, показывающая изменение расстояния между наружной поверхностью колеса и рельсом. При намагничивании колеса катушкой электромагнита 1 (фиг. 1), вследствие кривизны наружной поверхности колеса, при радиусе колеса R величина расстояния Н между колесом и рельсом в вертикальном направлении увеличивается в зависимости от расстояния L от точки контакта по формуле . При радиусе колеса R=625 мм и L=100 мм расстояние H равно 8 мм, а при увеличении расстояния вдвое (L=200 мм), расстояние H становится равным 33 мм, т.е. увеличится вчетверо по сравнению с расстоянием H. Увеличение расстояния от поверхности рельса до поверхности колеса снижает магнитный поток, проходящий через рельс и колесо.
В качестве прототипа для полезной модели выбрано 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. (Б.П. Цалоев, Т.К. Пиранишвили. Устройство для увеличения сцепления колесной пары электровоза с рельсами. Патент РФ №2055748, опубл. 10.03.1996.).
Недостаток прототипа является то, что размещение катушки на оси колесной пары не устраняет увеличения расстояния между наружной поверхностью колеса в зоне действия магнитного поля и рельсом по мере удаления от точки контакта колеса с рельсом.
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).
Целью заявляемой полезной модели является увеличение эффективности устройства и силы сцепления ведущих колес локомотива с рельсами за счет дополнительного намагничивания рельсов вследствие уменьшения суммарного воздушного зазора в месте расположения сердечника.
Указанная цель достигается тем, что устройство для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами содержит колесную пару, 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 с зазором, в котором установлены подшипники качения, размещенные по торцам каркаса катушки с возможностью вращения оси колесной пары внутри него.
Отличительной особенностью полезной модели является то, что она имеет ферромагнитные сердечники, размещенные над рельсами с постоянными зазорами между кругами катания колес и рельсами, связанные с буксами.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется фигурами, где на фиг. 2 изображен общий вид устройства для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами, а на фиг. 3 - разрез устройства для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами по сердечнику.
Предлагаемое устройство для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами (фиг. 2, фиг. 3.) содержит колесную пару с колесами 1 и осью 2, на которой расположена намагничивающая обмотка в виде катушки 3, выполненной из изолированного провода и подключенной к источнику питания 4 (ИП) с помощью проводов. Катушка 3 установлена на каркасе 5, который расположен соосно с осью колесной пары с зазором, в котором установлены подшипники качения 6, размещенные по торцам каркаса 5 с возможностью вращения оси колесной пары внутри него. Ферромагнитные сердечники 7, размещены над рельсами 8 с постоянными зазорами между кругами катания колес 1 и рельсами 8 и связаны с буксами 9.
Устройство для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами работает следующим образом.
При подаче на катушку 3 тока от источника питания 4 (ИП) через ось 2, оба колеса 1 колесной пары, ферромагнитные сердечники 7 и рельсы 8 проходит магнитный поток, дополнительно намагничивающий рельсы, что приводит к изменению физико-механических свойств контактирующих металлических тел (колес с рельсами) и изменяет коэффициент сцепления колес 1 с рельсами 8.
Технико-экономический эффект заявленной полезной модели заключается в том, что использование предлагаемого устройства для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами позволяет повысить силу тяги локомотива и его производительность вследствие увеличения силы сцепления колес с рельсами.