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 предотвращения буксования ведущих колес.
Известно устройство для предотвращения буксования локомотива, содержащее электромагнит, подключенный к источнику тока (см. Karel Kucera. Electromagnetic adhesion means for railroad locomotives. Патент США US3307058 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.
Известно устройство для предотвращения буксования локомотива в виде магнитного догружателя рельсового транспортного средства, содержащего 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 предотвращения буксования локомотива путем увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами, содержащее разрезное колесо с размещенными внутри электромагнитами (см. John Otto Heinze Jr. Magnetic wheel. Патент США US709484 A, 24 февраля 1902 г.).
Недостатком устройства является его низкая надежность вследствие большой концентрации нагрузок в контакте разрезного колеса с рельсом.
Известно устройство для предотвращения буксования локомотива, содержащее катушку электромагнита, охватывающую диск колеса локомотива по хорде и подключенную к источнику тока (см. Wehner David Е. Electromagnetic traction increaser. Патент США US2198928 А, 2 декабря 1936 г.).
Недостатком устройства является его недостаточная эффективность, не позволяющая существенно увеличить сцепление колеса с рельсом. При намагничивании колеса катушкой электромагнита К (Фиг. 1), вследствие кривизны поверхности колеса по кругу катания, при радиусе колеса R величина расстояния Н между точкой на поверхности обода колеса и рельсом в вертикальном направлении увеличивается в зависимости от расстояния L от точки контакта по формуле . Так, при радиусе колеса R=625 мм и L=100 мм расстояние Н равно 8 мм, а при увеличении расстояния вдвое (L1=200 мм), расстояние H1 становится равным 33 мм, т.е. увеличится вчетверо по сравнению с расстоянием Н. Увеличение расстояния от поверхности рельса до точки на поверхности колеса снижает магнитный поток, проходящий через рельс и колесо в данной точке колеса.
Известно устройство для предотвращения буксования локомотива, 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 данного устройства тот же, что и у описанного выше, вследствие того, 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).
Известно, что равнодействующая F сил трения в зоне контакта будет равна сумме сил, действующих на единичных неровностях
F=ΣFi=ΣFiмол+ΣFiмex,
где ΣFiмол - сумма сил молекулярной составляющей трения на единичных поверхностях, a ΣFiмех - сумма сил механической составляющей трения на единичных поверхностях. Таким образом, суммарная сила трения зависит от фактической площади касания контактирующих поверхностей, (см. Чичинадзе А.В., Берлинер Э.М., Браун Э.Д. и др., под общ. ред. А.В. Чичинадзе. Трение, износ и смазка (трибология и триботехника). М. Машиностроение, 2003. С. 19).
В качестве прототипа предлагаемой полезной модели выбрано устройство для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами, содержащее 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, и имеющее ферромагнитные сердечники, размещенные над рельсами с постоянными зазорами между кругами катания колес и рельсами, связанные с буксами (см. Устройство для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами. Воробьев В.И., Новиков В.Г., Измеров О.В., Корчагин В.О., Авдащенко B.C., Моспанова Н.Ю.. Патент на полезную модель РФ №163519. Опубл. 20.07.2016. бюл. №20).
Недостаток прототипа заключается в том, что жесткое опирание намагничивающей обмотки в виде катушки на ось колесной пары увеличивает неподрессоренную массу локомотива, что ведет к увеличению воздействия локомотива на путь и тем самым препятствует применению устройства на перспективных магистральных локомотивах с повышенной осевой нагрузкой.
Техническим результатом заявленной полезной модели является возможность применения устройства на перспективных локомотивах с повышенной осевой нагрузкой за счет снижения воздействия массы устройства на путь при прохождении неровностей пути.
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 колесной паре на каркасе, который расположен соосно с осью колесной пары с зазором, подшипники качения, размещенные по торцам каркаса катушки с возможностью вращения оси колесной пары внутри него, и имеющем ферромагнитные сердечники, размещенные над рельсами с постоянными зазорами между кругами катания колес и рельсами, связанные с буксами, подшипники качения опираются на полый вал из немагнитной стали, расположенный соосно с осью колесной пары с зазором и опирающийся на колеса колесной пары через амортизаторы.
Сущность заявленной полезной модели поясняется чертежами, 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 1, намагничивающую обмотку в виде катушки 2, выполненную из изолированного провода, подключенную к источнику питания 3 (ИП) с помощью проводов 4 и установленную на колесной паре 1 на каркасе 5, который расположен соосно с осью 6 колесной пары 1 с зазором, в котором установлены подшипники качения 7, размещенные по торцам каркаса 5 катушки 2 с возможностью вращения оси 6 колесной пары 1 внутри него, и имеющем ферромагнитные сердечники 8, размещенные над рельсами 9 с постоянными зазорами между кругами катания колес 10 и рельсами 9, связанные с буксами 11.
Подшипники качения 7 опираются на полый вал 12 из немагнитной стали, расположенный соосно с осью 6 колесной пары 1 с зазором и опирающийся на колеса 10 колесной пары через амортизаторы 13.
Устройство для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами работает следующим образом.
При подаче на катушку 2 тока от источника питания 3 (ИП) через ось 6, оба колеса 10 колесной пары 1, ферромагнитные сердечники 8 и рельсы 9 проходит магнитный поток, дополнительно намагничивающий рельсы, что приводит к изменению физико-механических свойств контактирующих металлических тел (колес с рельсами) и изменяет коэффициент сцепления колес 10 с рельсами 9. При этом полый вал 12 не влияет на магнитный поток, поскольку изготовлен из немагнитной стали.
При прохождении вертикальных неровностей пути амортизаторы 13 смягчают ударную нагрузку, передаваемую через полый вал 12 и подшипники качения 7 на катушку 2, уменьшая ее воздействие на путь.
Технико-экономический эффект заявленной полезной модели заключается в том, что благодаря опоре катушки на колесную пару с помощью упругих элементов при проезде неровностей пути снижается динамическое воздействие катушки на путь, что позволяет использовать устройство для перспективных локомотивов с повышенной осевой нагрузкой.