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 катушки электромагнита, размещенные на осях локомотива и балках тормозной системы, источник питания и переключатель (см. Elias Е. Ries. Combined electro-magnetic brake and traction-increasing device. Патент США US 414996, 12 ноября 1889 г.).
Недостаток указанного устройства заключается в том, что для размещения катушек электромагнита на осях локомотива тяговый электродвигатель размещен вдоль оси пути, и опирается на оси двух колесных пар, что увеличивает необрессоренную массу и воздействие экипажа на путь и делает невозможным применение устройства на локомотивах с индивидуальным приводом осей, которые составляют основную часть современного парка локомотивов.
Известно устройство для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами, содержащее катушки электромагнита, размещенные на осях локомотива, источник питания, выключатели, токосъемники и регулятор (см. James William Peterson, Thomas Campbell Juner. Means for improving the adhesion of vehicle wheels to rails. Патент США US 1730944, 8 октября 1929 г.).
Недостаток указанного устройства тот же, что и у предыдущего, поскольку для привода осей применен спарниковый привод, позволяющий разместить катушки на осях локомотива.
В качестве прототипа предлагаемой 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, (см. Б.П. Цалоев, Г.К. Пиранишвили. Устройство для увеличения сцепления колесной пары электровоза с рельсами. Патент РФ №2055748, опубл. 10.03.1996.).
Недостаток прототипа состоит в том, что устройство невозможно применить при опорно-осевом приводе, который применен на большинстве локомотивов отечественных железных дорог, поскольку статор тягового электродвигателя, расположенный в непосредственной близости от катушки, и опирающийся на ось с помощью подшипников из ферромагнитного материала, расположенных по краям статора, будет шунтировать магнитный поток, создаваемый катушкой. Кроме того, данное устройство при движении локомотива создает потери энергии за счет наведения вихревых токов в рельсах, поскольку источник питания постоянно подключен к катушке.
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).
Известны дисковые тяговые асинхронные электродвигатели, ротор и статор которых выполнены в виде дисков. При однодисковом исполнении ротора дисковая конструкция тягового двигателя позволяет заметно сократить осевой габарит тягового двигателя (с 940 мм до 530 мм) при том же наружном диаметре и сохранении мощности тягового двигателя на том же уровне. При использовании обмотки с сосредоточенными фазами дисковая конструкция тягового двигателя позволяет увеличить вращающий момент в 1,7 раза, получив ту же мощность при меньшей частоте вращения (см. Курбасов А.С. Повышение работоспособности тяговых электродвигателей [Текст] / А.С. Курбасов. - Москва: Транспорт, 1977, С. 210…214, рис. 136, табл. 21).
Техническим результатом заявленной полезной модели является создание возможности применения устройства при снижении потерь энергии на тягу локомотива и уменьшения скольжения колес по рельсам за счет того, что ток в намагничивающую обмотку подается только при появлении возможности буксования локомотива и регулируется в зависимости от ухудшения условий сцепления, а также создание возможности применения устройства при опорно-осевом приводе.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами, содержащем 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 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, каркас опирается на подшипники качения через неподвижную трубу, соединенную с тяговым электродвигателем, катушка состоит из двух частей, между которыми находится тяговый электродвигатель, ротор и статор тягового электродвигателя выполнены в виде дисков, а устройство содержит датчик продольного усилия, размещенный на тяге подвески, осредняющий фильтр, сумматор, блок установки и ключ.
Сущность заявленной полезной модели поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображен общий вид устройства для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами.
Предлагаемое устройство для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами содержит колесную пару 1, намагничивающую обмотку в виде катушки 2, выполненную из изолированного провода, подключенную к источнику питания 3 (ИП) с помощью проводов 4 и установленную на оси 5 колесной пары 1 на каркасе 6, который расположен соосно с осью 5 колесной пары 1 с зазором, в котором установлены подшипники качения 7 и 8, размещенные по торцам каркаса катушки 2 с возможностью вращения оси 5 колесной пары 1 внутри него.
Каркас 6 опирается на подшипники качения 7 и 8 через неподвижную трубу 9, соединенную с тяговым электродвигателем 10, катушка состоит из двух частей, между которыми находится тяговый электродвигатель 10, ротор 11 и статор 12 тягового электродвигателя 10 выполнены в виде дисков, а устройство содержит датчик продольного усилия 13, размещенный на тяге подвески 14, осредняющий фильтр 15 (ОФ), сумматор 16 (С), блок установки 17 (У) и ключ 18 (К).
Устройство для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами работает следующим образом.
При реализации локомотивом силы тяги в подвеске 14, препятствующей повороту тягового электродвигателя вокруг оси 5 возникает усилие, и на выходе датчика продольного усилия 13 появляется сигнал, который поступает на вход осредняющего фильтра 15 (ОФ). На выходе осредняющего фильтра 15 (ОФ) появляется сигнал, равный постоянной составляющей сигнала на входе осредняющего фильтра 15 (ОФ), которая пропорциональна силе тяги. С выхода осредняющего фильтра 15 (ОФ) сигнал поступает на один из входов сумматора 16 (С), на второй вход которого поступает сигнал от блока установки 17 (У), величина которого пропорциональна заданному усилию тяги, определяемому системой управления локомотива. Если условия сцепления колес с рельсами (на Фиг. 1 не показаны) достаточны для реализации заданной силы тяги, величина сигнала с выхода осредняющего фильтра 15 (ОФ) больше или равна величины сигнала от блока установки 17 (У), сигнал на выходе сумматора 16 (С) не возникает, ключ 18 (К) закрыт, и ток от источника питания 3 (ИП) на катушку 2 не поступает. При ухудшении условий сцепления вследствие влажности рельсов или наезда на масляное пятно колеса начинают проскальзывать по рельсу, сила тяги становится меньше заданной, величина сигнала с выхода осредняющего фильтра 15 (ОФ) становится меньше величины сигнала от блока установки 17 (У), на выходе сумматора 16 (С) возникает сигнал, величина которого пропорциональна разнице величины сигнала с выхода осредняющего фильтра 15 (ОФ) и величины сигнала от блока установки 17 (У). Сигнал с выхода сумматора 16 (С) поступает на вход ключа 18 (К), ключ 18 (К) открывается, и от источника питания 3 (ИП) на катушку 2 поступает ток, величина которого пропорциональна величине сигнала с выхода сумматора 16 (С). Через ось 5, оба колеса колесной пары 1 и рельсы проходит магнитный поток, намагничивающий рельсы, что приводит к изменению физико-механических свойств контактирующих металлических тел (колес с рельсами) и увеличивает коэффициент сцепления колес колесной пары 1 с рельсами.
При этом катушка 2 расположена в свободном пространстве, образованном за счет уменьшения осевых габаритов тягового электродвигателя 10, вследствие того, что ротор 11 и статор 12 тягового электродвигателя 10 выполнены в виде дисков. Тяговый электродвигатель 10 опирается на ось 5 колесной пары 1 через неподвижную трубу 9 и подшипники качения 7 и 8.
Увеличение коэффициента сцепления колес колесной пары 1 с рельсами приводит к прекращению скольжения колес колесной пары 1 по рельсу и увеличению силы тяги до уровня заданной. Средняя составляющая сигнала на выходе датчика продольного усилия 13 и уровень сигнала на выходе осредняющего фильтра 15 (ОФ) становится больше или равен уровню сигнала от блока установки 17 (У), сигнал на выходе сумматора 16 (С) становится равным нулю, ключ 18 (К) закрывается, и ток от источника питания 3 (ИП) на катушку 2 не поступает, поэтому в рельсах не наводятся вихревые токи и дополнительных потерь энергии не возникает.
Технико-экономический эффект заявленной полезной модели заключается в том, что снижаются потери энергии на тягу локомотива и уменьшается износ колес и рельс из-за скольжения колес по рельсам за счет того, что ток в намагничивающую обмотку подается только при появлении возможности буксования локомотива и регулируется в зависимости от ухудшения условий сцепления, а также в возможности применения устройства при опорно-осевом приводе, благодаря выполнению статора и ротора тягового электродвигателя в виде дисков, что позволяет уменьшить осевой габарит тягового электродвигателя и разместить намагничивающую обмотку на неподвижной трубе.