УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ НАЧАЛА БУКСОВАНИЯ КОЛЕСНЫХ ПАР ЛОКОМОТИВА И ЕГО ЛИКВИДАЦИИ

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 (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.
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 (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 (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 предотвращения буксования локомотива, 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.).
1
1
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 (L=200 мм), расстояние H 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. (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
где ΣFiмол - сумма сил молекулярной составляющей трения на единичных поверхностях, a ΣFiмex - 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 предотвращения буксования локомотива, 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 в нем не предусмотрено регулирование тока намагничивающей обмотки. При движении локомотива закрепленные на буксе ферромагнитные сердечники, через которые проходит магнитный поток, остаются неподвижными относительно колес, совершающих вращательное движение. Одновременно ферромагнитные сердечники движутся поступательно относительно неподвижных рельсов. Это приводит к изменению магнитного потока как в колесах, так и в рельсах, и к появлению в металле колес и рельсов вихревых токов, что создает дополнительные потери энергии на тягу локомотива. Отсутствие регулирования тока намагничивающей обмотки приводит к повышенному расходу энергии на создание магнитного потока и при этом не исключает возникновения буксования в случаях, когда при ухудшении условий сцепления (например, прохождение кривых участков пути) магнитный поток оказывается недостаточен для создания достаточной силы трения между колесом и рельсом.
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, вызывающий в материале оси касательные напряжения, меняющиеся 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 касательные напряжения в оси становятся постоянными, 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 возникают переменные касательные напряжения с частотой, близкой к частоте собственных колебаний левого и правого колеса колесной пары в противофазе (см. 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.).
Известны бесконтактные индукционные токосъемные устройства для тензометрирования на вращающихся деталях машин (см. А.А. Жуковский. Бесконтактное индукционное токосъемное устройство. А.С. СССР №210441, опубл. 6.11.1968, бюл. №6).
Техническим результатом заявленной полезной модели является снижение 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.
Технический результат достигается тем, что устройство для предотвращения буксования локомотива, 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 имеющем ферромагнитные сердечники, размещенные над рельсами с постоянными зазорами между кругами катания колес и рельсами, связанные с буксами, содержит торсиометр, размещенный на оси колесной пары, бесконтактное индукционное токосъемное устройство, измерительный блок, статистический анализатор сигналов, полосовой фильтр, выпрямитель, блок сравнения, блок уставки, логический элемент «ИЛИ» и ключ.
Сущность заявленной полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 2 изображен общий вид устройства для обнаружения начала буксования колесных пар локомотива и его ликвидации, а на фиг. 3 - разрез по сердечнику устройства для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами.
Предлагаемое устройство для обнаружения начала буксования колесных пар локомотива и его ликвидации (Фиг. 2, Фиг. 3.) содержит колесную пару с колесами 1 и осью 2, на которой расположена намагничивающая обмотка в виде катушки 3, выполненной из изолированного провода и подключенной к источнику питания 4 (ИП) с помощью проводов. Катушка 3 установлена на каркасе 5, который расположен соосно с осью колесной пары с зазором, в котором установлены подшипники качения 6, размещенные по торцам каркаса 5 с возможностью вращения оси колесной пары внутри него. Ферромагнитные сердечники 7, связанные с буксами 8, размещены над рельсами 9 по хордам колес 1 колесной пары с постоянными зазорами между кругами катания колес 1 и сердечниками 7 и между сердечниками 7 и рельсами 9.
На оси 2 размещен торсиометр 10, который соединен с бесконтактным индукционным токосъемным устройством 11, размещенным на буксе колесной пары 8, которое соединено со входом измерительного блока 12 (ИБ), с выходом которого соединены входы статистического анализатора сигналов 13 (СА) и полосового фильтра 14 (ПФ). Выход полосового фильтра соединен с выпрямителем 15, выход которого соединен с одним из входов блока сравнения 16 (БС), второй вход которого соединен с блоком уставки 17 (У). Выходы статистического анализатора сигналов 13 (СА) и блока сравнения 16 (БС) соединены с входами логического элемента «ИЛИ» 18, выход которого соединен с ключом 19 (К), включенный в цепь источника питания 4 (ИП).
Устройство для обнаружения начала буксования колесных пар локомотива и его ликвидации работает следующим образом.
При движении локомотива в оси 2 колесной пары возникают касательные напряжения, которые регистрируются торсиометром 10, связанным через бесконтактное индукционное токосъемное устройство 11 со входом измерительного блока 12 (ИБ), на выходе которого возникает сигнал, пропорциональный величине касательных напряжений, который поступает на входы статистического анализатора сигналов 13 (СА) и полосового фильтра 14 (ПФ). При отсутствии скольжения колесной пары по рельсу сигнал на выходе измерительного блока 12 (ИБ) меняется случайным образом. Статистический анализатор сигналов 13 (СА) определяет дисперсию случайного сигнала, и, если она не ниже порогового значения, определенного в результате испытаний, на его выходе не возникает сигнала. В случае начала проскальзывания колес по рельсу дисперсия случайного изменения касательных напряжений в оси уменьшается, и на выходе статистического анализатора сигналов 13 (СА) появляется сигнал, который поступает на логический элемент «ИЛИ» 18 и с выхода последнего на ключ 19 (К). Ключ 19 (К) открывается и подает ток от источника питания 4 (ИП) на намагничивающую обмотку 3, которая создает с помощью ферромагнитных сердечников 7 магнитный поток в контакте колес 1 и рельса, приводящий к повышению коэффициента сцепления. В случае внезапного ухудшения условий сцепления колес 1 с рельсами скольжение колес 1 по рельсу возрастает, возникают фрикционные автоколебания, которые приводят к периодическим изменениям напряжений в оси 2 и сигнала на выходе измерительного блока 12 (ИБ). Периодически изменяющийся сигнал с выхода измерительного входа 12 (ИБ) поступает на вход полосового фильтра 14 (ПФ), который пропускает только сигнал с частотой, соответствующий частоте собственных колебаний колесной пары, во избежание ложных срабатываний устройства. Сигнал с выхода полосового фильтра 14 (ПФ) выпрямляется выпрямителем 15 и поступает на вход блока сравнения 16 (БС), на другой вход которого поступает сигнал от блока уставки 17 (У), величина которого определяется на основании результатов испытаний. Если величина сигнала с выхода выпрямителя 15 больше величина сигнала с выхода блока уставки 17 (У), на выходе блока сравнения 16 (БС) появляется сигнал, который поступает на логический элемент «ИЛИ» 18 и с выхода последнего на ключ 19 (К). Ключ 19 (К) открывается и подает ток от источника питания 4 (ИП) на намагничивающую обмотку 3, которая создает с помощью ферромагнитных сердечников 7 магнитный поток в контакте колес 1 и рельса, приводящий к повышению коэффициента сцепления.
Технико-экономический эффект заявленной полезной модели заключается в том, что использование предлагаемого устройства для обнаружения начала буксования колесных пар локомотива и его ликвидации позволяет снизить потери, вызванные вихревыми токами, наводимыми магнитным полем в колесах и рельсе, снизить расход энергии на создание магнитного поля, благодаря тому, что магнитное поле создается только при появлении возможности буксования колес, а значения тока поддерживаются на минимально-необходимом уровне, а также уменьшить вероятность буксования за счет прогнозирования возможности его возникновения.