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 (Патент US №3307058 МПК В61Н 7/083, публ. 1964).
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 (Авторское свидетельство №1286453, МПК В61С 15/04, публ. 1987).
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 (Патент US №709484, МПК В61С 15/04, публ. 1902).
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 (Патент US №2198928, МПК B60L 3/10, публ. 1936).
Недостатком устройства является его пониженная 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% (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, л. 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 (Патент на полезную модель №194613, Российская Федерация, МПК В61С 15/08, публ. 2019).
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 (Патент РФ №2055748, МПК В60С 15/04, публ. 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, что не позволяет выполнить катушку с габаритами, обеспечивающими требуемую величину магнитного потока (Алексеев А.Е. Тяговые электрические машины и преобразователи. - Л.: Энергия, 1977. - С. 25, рис. 1-4).
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 (Патент на полезную модель №196905, Российская Федерация, МПК В61С 15/08, публ. 2020).
Недостаток устройства тот же, что указан выше, поскольку остов тягового электродвигателя при опорно-осевом приводе расположен близко к оси колесной пары, что ограничивает пространство для размещения катушки.
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 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 (Патент РФ на полезную модель №208748, МПК В61С 15/08, публ. 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.
Известно, 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 (Лужнов Ю.М., Прунцев А.П. Влияние постоянного магнитного поля на трение твердых тел. - Труды МИИТ, 1974, вып. 467). Для более детального исследования влияния магнитного поля на коэффициент трения системы «металл-металл» были проведены испытания на специальных установках (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 (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 при движении локомотива без скольжения колес по рельсу вследствие конической формы колес диаметр левого и правого колеса в местах контакта их с рельсом оказывается различным в зависимости от случайного положения колесной пары в рельсовой колее в пределах зазора между рельсами и гребнями колес. Поскольку частота вращения левого и правого колеса колесной пары при одной и той же скорости поступательного движения колесной пары и разнице диаметров левого и правого колеса в месте касания их с рельсами будет различной, в оси колесной пары возникает крутящий момент, меняющийся случайным образом в зависимости от положения колесной пары в рельсовой колее, наличия поперечных неровностей пути, кривых участков пути и стрелочных переводов. При начале скольжения колесной пары по рельсу крутящий момент в оси становится постоянным, в связи с тем, что вследствие скольжения колес прекращается закручивание оси, вызванное разницей диаметра колес. При дальнейшем увеличении скорости скольжения колес по рельсу, в результате возникновения фрикционных автоколебаний, в оси колесной пары возникает переменный крутящий момент с частотой, близкой к частоте собственных колебаний левого и правого колеса колесной пары в противофазе (Лысак В.А. Крутильные колебания колесных пар локомотивов, возникающие при боксовании / В.А. Лысак // Исследования динамики локомотивов: тр. ВНИТИ. - Коломна, 1966. - Вып. 22. - С. 101-108).
Техническая проблема состоит в снижении расхода энергии на тягу поездов за счет регулирования силы тока в намагничивающей обмотке.
Техническая проблема достигается тем, что 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 имеют возможность соединения 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 редуктора, а расстояние от наружной поверхности катушки до центра вала тягового электродвигателя меньше, чем величина наружного радиуса индуктора, дополнительно содержит два датчика продольных ускорений, размещенных на корпусах моторно-осевых подшипников и подключенных к блоку измерения разности сигналов, который через последовательно соединенные полосовой фильтр, выпрямитель и блок сравнения связан с блоком уставки и через логический элемент «ИЛИ», подключенный к блоку сравнения, связан с ключом, включенным между источником питания и катушкой, а блок измерения разности сигналов также связан с ключом через последовательно соединенные статистический анализатор сигналов и логический элемент «ИЛИ».
Технический результат заключается в снижении затрат энергии на тягу поездов за счет снижения расхода энергии на питание катушки и на преодоление дополнительного сопротивления движению, вызванного вихревыми токами, в движущихся частях экипажной части локомотива, в которых создается магнитный поток вследствие того, что ток подается в катушку только при появлении возможности боксования колес.
Сущность устройства поясняется следующими графическими материалами.
На фиг. 1 представлен общий вид устройства для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами, на фиг. 2 - поперечное сечение тягового электродвигателя и оси колесной пары.
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, установленную на оси 9. Каркас 5 катушки 2 закреплен на корпусе 8 тягового электродвигателя 7 с помощью кожуха 14. Датчики 15 продольных ускорений размещены на корпусах моторно-осевых подшипников 6 и подключены к блоку 16 измерения разности сигналов, который через последовательно соединенные полосовой фильтр 17, выпрямитель 18 и блок 19 сравнения связан с блоком 20 уставки и через логический элемент 21 «ИЛИ», подключенный к блоку 19, связан с ключом 22, включенным между источником 3 питания и катушкой 2. Блок 16 измерения разности сигналов также связан с ключом 22 через последовательно соединенные статистический анализатор 23 сигналов и логический элемент 21 «ИЛИ».
И
И
И
И
И
И
Статор 24 тягового электродвигателя 7 (фиг. 2) выполнен в виде двух одинаковых дугообразных индукторов 25. Длина каждого из индукторов 25 по наружной стороне равна L=πRϕ/180, где R - радиус индуктора 25 по наружной стороне, а ϕ - угол между торцами индуктора 25 в градусах. Поскольку, ϕ<180°, то L меньше, чем длина полуокружности с радиусом, равным R, и два индуктора 25 вместе образуют лишь часть окружности. Концы индукторов 25 соединены друг с другом со стороны, противоположной оси 9 колесной пары 10, по линии В1В2, а противоположные концы индукторов 25 не сомкнуты друг с другом. Корпус 8 тягового электродвигателя 7 имеет выемку в месте расположения концов индукторов 25, удаленных друг от друга. Выемка закрыта кожухом 14. Расстояние L от наружной поверхности каркаса 5 катушки 2 до центра вала 26 тягового электродвигателя 7 меньше, чем величина R (радиус индуктора 25 по наружной стороне).
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 10, оба колеса колесной пары 10 и рельсы (на рисунке 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 24 тягового электродвигателя 7 в виде двух дугообразных индукторов 25, 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 26 тягового электродвигателя 7 меньше, чем величина радиуса индуктора 25 по наружной стороне, при числе пар полюсов больше, чем два, так как катушка 2 располагается в выемке.
При движении локомотива по неровностям пути возникают продольные ускорения тягового электродвигателя 7, которые вызывают продольные ускорения на каждом из корпусов моторно-осевых подшипников 6 в виде периодических затухающих колебаний, совпадающих между собой по фазе. При этом в зависимости от положения колесной пары 10 в рельсовой колее, в оси 9 колесной пары 10 возникает крутящий момент, изменяющийся случайным образом, который вызывает угловые ускорения тягового электродвигателя 7, которые, в свою очередь, вызывают противоположно направленные продольные ускорения на каждом из корпусов моторно-осевых подшипников 6.
На каждом из выходов датчиков 15 продольных ускорений возникают сигналы, пропорциональные ускорениям на соответствующем корпусе моторно-осевого подшипника 6. Эти сигналы поступают на соответствующие входы блока 16 измерения разности сигналов, на выходе которого возникает сигнал, пропорциональный разности продольных ускорений на моторно-осевых подшипниках 6. Таким образом, сигналы от продольных ускорений, возникающих при движении локомотива по неровностям пути, вычитаются друг из друга в блоке 16 измерения разности сигналов, что уменьшает вероятность ложного срабатывания системы управления, а сигналы от противоположно направленных продольных ускорений, возникающих от случайно изменяющегося крутящего момента в оси 9 колесной пары 10, складываются. Результирующий сигнал с выхода блока 16 измерения разности сигналов поступает на входы статистического анализатора 23 сигналов и полосового фильтра 17. При отсутствии скольжения колесной пары 10 по рельсу крутящий момент в оси 9 колесной пары 10, обусловленный изменением положения колесной пары 10 в рельсовой колее, меняется медленно, величина продольных ускорений на моторно-осевых подшипниках 6, сигналов на входе блока 16 измерения разности сигналов и сигнала на выходе блока 16 измерения разности сигналов будет незначительна по сравнению с разностным сигналом от воздействия на тяговый электродвигатель 7 продольных ускорений, вызванных прохождением неровностей пути, в результате чего сигналы на выходах датчиков 15 продольных ускорений и выходе блока 16 измерения разности сигналов меняются случайным образом. Статистический анализатор 23 сигналов определяет дисперсию случайного сигнала, и, если она не ниже порогового значения, определенного в результате испытаний, на выходе статистического анализатора 23 сигналов, на входе элемента «ИЛИ» 21 и на входе ключа 22 не возникает сигнала, ключ 22 закрыт, и ток от источника 3 на катушку 2 не подается.
В случае начала проскальзывания колес по рельсу дисперсия продольных ускорений моторно-осевых подшипников 6 уменьшается, и на выходе статистического анализатора 23 сигналов появляется сигнал, который поступает на логический элемент «ИЛИ» 21 и с выхода последнего на ключ 22. Ключ 22 открывается и подает ток от источника 3 питания на катушку 2, возникает магнитный поток, проходящей 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.
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 находящимся в противофазе по отношению друг к другу. На выходах датчиков 15 продольных ускорений появляются периодически изменяющиеся сигналы, которые находятся в противофазе по отношению друг к другу и по этой причине суммируются в блоке 16 измерения разности сигналов. Периодически изменяющийся сигнал с выхода блока 16 измерения разности 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 уставки 20, величина которого определяется на основании результатов испытаний. Если величина сигнала с выхода выпрямителя 18 больше величины сигнала с выхода блока 20 уставки, на выходе блока 19 сравнения появляется сигнал, который поступает на логический элемент 21 «ИЛИ» и с выхода последнего на ключ 22. Ключ 22 открывается и подает ток от источника 3 питания на катушку 2, возникает магнитный поток, проходящей 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.