Устройство для увеличения сцепления колёсной пары тепловоза с рельсами

Полезная модель относится к рельсовым транспортным средствам, в частности к устройствам для повышения тягового усилия тепловоза за счёт регулирования величины коэффициента сцепления ведущей колёсной пары с рельсами.
Известен способ повышения сцепления колес транспортного средства с рельсами (см. В.А. Попов, Г.М. Седов, Ю.М. Лужнов. Способ повышения сцепления колес транспортного средства с рельсами. Патент РФ № 2395418, опубл. 27.07.2010), заключающийся в нагреве по поверхностных загрязнений колес и рельсов. При увлажнении рельсов режимы трения характеризуются коэффициентом трения ниже расчетного, для повышения сцепления на поверхностные загрязнения воздействуют высокочастотным электромагнитным полем, энергию которого направляют на поверхности трения колес и рельсов. Повышение коэффициента сцепления вызвано проявлением структурно-реологических свойств слоя поверхностных загрязнений в результате действия капиллярных сил, его упрочнением и ростом адгезии к поверхности металла.
Недостаток указанного способа заключается в усложнении конструкции ходовых частей подвижного состава и отсутствии возможности плавного регулирования теплового потока, что снижает эффективность.
Известно устройство для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами, содержащее источник тока, регулятор тока и токосъемники, расположенные на колесных парах локомотива, при этом две смежные колесные пары образуют короткозамкнутую цепь (см. Elias E. Ries. Apparatus for increasing the traction of vehicles and motors. Патент США US 379815 от 20 марта 1888 года).
Работа данного устройства основана на явлении увеличения коэффициента трения между колесом и рельсом при воздействии на место  контакта колеса и рельса электрического тока (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, рис. 5.3-5.7). Недостатком данного устройства является то, что оно требует наличия постоянного электрического контакта между двумя соседними колесными парами через рельс. При прохождении локомотивом изолирующего стыка этот контакт разрывается, когда стык оказывается между двумя соседними колесными парами, ток перестает протекать через контакт колеса и рельса, что снижает коэффициент трения и ухудшает тяговые свойства локомотива.
Известно устройство для повышения коэффициента сцепления колес локомотива c рельсами, содержащее тяговые электродвигатели, источник электрического тока, колесные пары со скользящими контактами, механически связанные с валами тяговых электродвигателей, электрически изолированные от других элементов тележки и образующие по отношению к выходу источника электрического тока и рельсам короткозамкнутую электрическую цепь, датчики частот вращения колесных пар, блок сравнения частот вращения колесных пар, блок управления источником электрического тока, источник электрического тока выполнен многоканальным с гальванически развязанными между собой каналами и регулируемыми по величине выходными электрическими токами (см. Попов В.А., Лужнов Ю.М. Устройство для повышения коэффициента сцепления колес локомотива с рельсами. Патент РФ 2405696 от 27.08.2009).
Недостаток указанного устройства тот же, что и у приведенных выше, поскольку изолирующий стык, находясь между колесными парами, размыкает короткозамкнутую цепь.
Известно устройство для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами, содержащее источник тока, силовой контактор, регулятор тока, торцевые токосъемники, связанные с торцами колесных пар, датчик скорости скольжения колесных пар, датчик скорости локомотива и блок управления (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. 114-116, рис. 5.31).
Недостаток устройства в том, что в трехосной тележке локомотива устройство обеспечивает повышение коэффициента сцепления лишь для крайних колесных пар.
В качестве прототипа предлагаемой полезной модели выбрано устройство для увеличения сцепления колёсной пары тепловоза с рельсами, содержащее колесную пару, источник электрического тока, датчик скорости колесной пары, блок сравнения, вход которого соединен с выходом датчиков скоростей скольжения колесной пары, при этом колесная пара снабжена скользящими контактами, устройство снабжено прижимными роликами, регулятором тока, силовым контактором и датчиком скорости тепловоза, причем прижимные ролики опираются на рельсы и образуют вместе с рельсами, регулятором тока и колесной парой со скользящими контактами короткозамкнутую электрическую цепь, при этом выход датчика скорости тепловоза подключен к входу блока сравнения, соединенного с регулятором тока (см. Багров Г.В., Мицкович В.С., Воробьев В.И., Воробьев Д.В., Бутрин И.А., Пугачев А.А., Фокин И.И., Хохлов Д.А. Устройство для увеличения сцепления колесной пары тепловоза с рельсами. Патент РФ 2340491 МПК В61С 15/00, опубл.  10.12.2008, бюл. №34).
Недостаток прототипа состоит в наличии подвижных элементов - прижимных роликов, что усложняет конструкцию устройства и увеличивает расходы на его обслуживание и ремонт. Загрязнение поверхностей роликов маслом и пылью во время движения увеличивает электрическое сопротивление в контакте роликов и рельсов и требует для поддержания требуемой величины тока повышать величину напряжения источника питания, что ведет к увеличению затрат мощности, потребляемой устройством.
Известно (см. Электрические контакты. Перевод с английского под ред. Брускина Д.Е. / Р. Хольм, М.: Издательство иностранной литературы, 1961. - С. 121-125), что переходное сопротивление в контакте представляет собой источник дополнительных джоулевых потерь энергии, а температура контактов всегда выше температуры прилегающих к нему проводников и может превышать 100ºС.
Известно (см. Основы электротехники. / М.И. Кузнецов. – М.: Высшая школа, 1964. - С. 231-233), что последовательная цепь переменного тока, содержащая катушку индуктивности и ёмкость конденсатора, при резонансной частоте напряжения питания будет себя вести так, как будто она содержит только активное сопротивление - будет протекать значительный ток.
Известен (см. Основы электротехники. / М.И. Кузнецов. – М.: Высшая школа, 1964. – С. 32-38) простейший по устройству плоский воздушный конденсатор, предназначенный для пропускания переменного тока и состоящий из двух металлических пластин (обкладок) и слоя воздушного диэлектрика между ними, который может быть использован для пропускания импульсного тока, поскольку импульсный ток представляет собой частный случай переменного тока, т.е. тока, величина которого меняется во времени.
Известна электрическая передача тепловоза, в которой для повышения коэффициента сцепления колес с рельсами используется подача импульсов электрического тока тягового генератора в зоны контакта колесных пар с рельсами (см. Ивахин А.И. Яцков М.В. Электрическая передача тепловоза. Патент РФ 2467899, МПК B61С 15/08, опубл. 27.11.2012 г., бюл. №33).
Техническим результатом заявленной полезной модели является снижение расходов энергии при работе устройства, а также расходов на обслуживание и ремонт устройства.
Технический результат достигается тем, что устройство для увеличения сцепления колёсной пары тепловоза с рельсами, содержащее колесную пару, источник электрического тока, датчик скорости колесной пары, блок сравнения, вход которого соединен с выходом датчика скорости скольжения колесной пары, при этом колесная пара снабжена скользящими контактами, устройство снабжено регулятором тока, силовым контактором и датчиком скорости тепловоза, выход датчика скорости тепловоза подключен к входу блока сравнения, соединенного с регулятором тока, устройство содержит пластину конденсатора, размещенную над головкой рельса, катушку индуктивности, а источник электрического тока выполнен в виде источника импульсного тока с частотой подачи импульсов, равной собственной частоте колебательного контура, образованного катушкой индуктивности и конденсатором, состоящим из пластины конденсатора и головки рельса.
Сущность заявленной полезной модели поясняется чертежом, где на фигуре изображен общий вид устройства для увеличения сцепления колёсной пары тепловоза с рельсами.
Предлагаемое устройство для увеличения сцепления колёсной пары тепловоза с рельсами содержит колесную пару 1, источник электрического тока 2, датчик скорости колесной пары 3, блок сравнения 4, вход которого соединен с выходом датчика скорости скольжения колесной пары 3, при этом колесная пара 1 снабжена скользящими контактами 5, устройство снабжено регулятором тока 6, силовым контактором 7 и датчиком скорости тепловоза 8, выход датчика скорости тепловоза 8 подключен к входу блока сравнения  4, соединенного с регулятором тока 6.
Устройство содержит пластину конденсатора 9, размещенную над головкой рельса 10, катушку индуктивности 11, а источник электрического тока 2 выполнен в виде источника импульсного тока с частотой подачи импульсов, равной собственной частоте колебательного контура, образованного катушкой индуктивности 11 и конденсатором, состоящим из пластины конденсатора 9 и головки рельса 10.
Устройство для увеличения сцепления колёсной пары тепловоза с рельсами работает следующим образом. При движении тепловоза сигналы с выхода датчика скорости колесной пары 3 и выхода датчика скорости тепловоза 8  поступают  на входы блока сравнения 4. В случае отсутствия скольжения колесной пары 3 по рельсу 10 сигналы на выходе датчика скорости колесной пары 3 и датчика скорости тепловоза 8 равны и на выходе блока сравнения 4 не возникает сигнала. При этом  контактор 7 находится в разомкнутом положении, и ток от источника электрического тока 2 не поступает на скользящие контакты 5, регулятор тока 6, катушку индуктивности 11 и пластину конденсатора 9.
В случае загрязнения поверхности катания колеса 1, ухудшения условий сцепления колеса с рельсом 10, приводящих к возникновению боксования колёсной пары 1, скорость на ободе колеса колесной пары 1 становится выше скорости движения тепловоза, а сигнал на выходе датчика скорости колесной пары 3 становится выше сигнала на выходе датчика скорости тепловоза 8. На выходе блока сравнения возникает сигнал, контактор 7 замыкается, и импульсный электрический ток подается на скользящие контакты 5, регулятор тока 6, катушку индуктивности 11 и пластину конденсатора 9. Поскольку частота подачи импульсов равна собственной частоте колебательного контура, образованного катушкой индуктивности 11 и конденсатором, состоящим из пластины конденсатора 9 и головки рельса 10, индуктивное и емкостное сопротивления в цепи источника электрического тока 2 незначительны, и через контакт колеса колесной пары 3 и рельса 10 протекает электрический ток, величина которого регулируется регулятором тока 6 и зависит от разницы сигналов на выходе датчика скорости колесной пары 3 и на выходе датчика скорости тепловоза 8. При этом импульсный ток проходит через конденсатор, состоящий из пластины конденсатора 9 и головки рельса 12 и далее через площадку контакта колеса колесной пары 3 и рельса 10.  При протекании электрического тока через площадку контакта колеса колесной пары 3 и рельса 10 увеличивается коэффициент сцепления, что приводит к прекращению скольжения контакта колеса колесной пары 3 по рельсу 10. Сигналы на выходе датчика скольжения колесной пары 3 и датчика скорости тепловоза 8 равны, на выходе блока сравнения 4 сигнал прекращается и не поступает на вход регулятора тока 6, контактор 7 размыкается, вследствие чего импульсный ток в цепи источника электрического тока 2 перестает течь.
Устройство не содержит роликов, контактирующих с головкой рельса 10, что уменьшает количество изнашиваемых узлов, и в нем не возникает дополнительного сопротивления в контакте ролика и рельса вследствие загрязнения, что снижает потери энергии.
Технико-экономический эффект заявленной полезной модели заключается в том, что благодаря наличию в цепи источника электрического тока катушки индуктивности и конденсатора, состоящего из пластины конденсатора и головки рельса и выполнения источника тока импульсным с частотой подачи импульсов, равной собственной частоте колебательного контура, образованного катушкой индуктивности и конденсатором, состоящим из пластины конденсатора и головки рельса, устройство не содержит изнашивающихся и подверженных  загрязнению контактных роликов, что позволяет снизить расходы энергии, а также расходы на обслуживание и ремонт.