Устройство для увеличения сцепления 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.
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 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 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.).
Недостатком указанного устройства является то, в опорно-осевом приводе, применяемом для большинства современных грузовых локомотивов, тяговый электродвигатель расположен на близком расстоянии от оси колесной пары, что не позволяет разместить катушку требуемых габаритов.
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).
В качестве прототипа предлагаемой полезной модели выбрано устройство для увеличения сцепления колесной пары с рельсами, содержащее электромагниты, подключенные к источнику тока и связанные с балансирами, которые, в свою очередь, связаны с буксами колесных пар (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 катушки электромагнитов располагаются снаружи колес, и их габариты ограничены, с одной стороны, минимальным расстоянием до колес, а с другой стороны - ограничением габаритов подвижного состава (см. Габариты железнодорожного подвижного состава и приближения строений ГОСТ 9238-2013)..
Техническим результатом заявленной полезной модели является улучшение тяговых характеристик локомотива путем повышения сцепления колес с рельсами за счет увеличения габаритов катушки и увеличения создаваемого катушкой магнитного потока.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для увеличения сцепления колесной пары с рельсами, содержащем электромагниты, подключенные к источнику тока и связанные с балансирами, которые, в свою очередь, связаны с буксами колесных пар, каждый электромагнит размещен вдоль осей колесных пар и связан с балансирами на противоположных сторонах тележки, причем с одной стороны электромагнит связан с балансиром посредством одного сферического шарнира, а с балансиром с противоположной стороны - посредством двух сферических шарниров и продольной направляющей.
Сущность заявленной полезной модели поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображен общий вид устройства для увеличения сцепления колес локомотива с рельсами.
Предлагаемое устройство для увеличения сцепления колес локомотива с рельсами содержит электромагнит 1, подключенный к источнику тока (на рисунке фиг. 1 не показан) и связанный с балансирами 2 и 3, которые, в свою очередь, связаны с буксами 4 колесных пар 5.
Электромагнит 1 размещен вдоль осей колесных пар 5 и связан с балансирами 2 и 3 на противоположных сторонах тележки, причем с одной стороны электромагнит 1 связан с балансиром 2 посредством одного сферических шарнира 6, а с балансиром 3 с противоположной стороны - посредством двух сферических шарниров 6 и продольной направляющей. 7
Устройство для увеличения сцепления колес локомотива с рельсами работает следующим образом. Электромагнит 1 создает магнитный поток, проходящей через рельсы и колесные пары 5, что приводит к изменению коэффициент сцепления колес колесных пар 5 с рельсами. При движении локомотива при разной высоте неровностей левого и правого рельсов балансир 2 поворачивается относительно балансира 3 и балансиры 2 и 3 перемещаются на разное расстояние относительно рельсов, при этом сферические шарниры 6 обеспечивают свободный поворот и перекос электромагнита 1 относительно балансира 2 и свободный перекос электромагнита 1 относительно балансира 2. Поскольку электромагнит 2 связан с балансиром 3 двумя сферическими шарнирами, он не может свободно раскачиваться при движении, и полюсные наконечники электромагнита 1 остаются параллельны рельсам. Направляющая 7 компенсирует погрешности монтажа при соединении электромагнита 1 и балансира 3.
Поскольку электромагнит находится между рельсами, его катушка может быть выполнена достаточно больших размеров, чтобы обеспечить магнитный поток, ведущий к существенному увеличение коэффициента сцепления колеса с рельсом.
Технико-экономический эффект заявленной полезной модели заключается в том, что расположение электромагнита параллельно осям колесных пар, связанным с балансирами на противоположных сторонах тележки, позволяет увеличить габариты катушки электромагнита, увеличить магнитный поток, проходящий через контакт колес с рельсами, увеличить коэффициент сцепления между колесами и рельсами, тем самым повысив производительность локомотива.