УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ НАЧАЛА БУКСОВАНИЯ КОЛЕСНЫХ ПАР ЛОКОМОТИВА

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 A 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 A, 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 H 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 H 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 H. 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 главных 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=∑Fi=∑Fiмол+∑Fiмех,
где ∑Fiмол - сумма сил молекулярной составляющей трения на единичных поверхностях, a ∑Fiмех - 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. Заявка 2015125762/11(040105) от 29.06.2015. Решение о выдаче патента на полезную модель).
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.
Известен способ определения бокового усилия прижатого колеса на рельс при движении подвижного состава. В способе фиксируют момент прижатия колеса к рельсу одновременно двумя видеокамерами, сфокусированными на зонах контакта гребней колесной пары с головками обеих рельсовых нитей так, что одна из видеокамер фиксирует момент прижатия гребня колеса к головке рельса, а другая видеокамера - момент отжатия гребня колеса от головки рельса в реальном времени. Результаты видеонаблюдения обеих камер записываются сразу на цифровой носитель информации. Затем с помощью компьютерной программы полученный с каждой видеокамеры видеоматериал разбивают на кадры и подсчитывают количество пикселей на каждом кадре, зафиксировавшим зону контакта гребня колеса с головкой рельса. Изображение на каждом кадре переводят из полноцветного в черно-белое, при этом черным цветом кодируют зазор между гребнем колеса и головкой рельса, а белым цветом - колесо и рельс. Переводят пиксели в миллиметры и составляют по каждой видеокамере таблицы: номер кадра - величина зазора в миллиметрах, по которым определяют момент начала действия бокового усилия, его максимальное значение и момент прекращения действия. Рассчитывают, исходя из веса железнодорожного состава и частоты изменения зазора, величину бокового усилия прижатого колеса на рельс (см. Ватонин А.А., Аккерман С.Г., Аккерман Г.Л. Способ определения бокового усилия прижатого колеса на рельс при движении подвижного состава. Патент РФ №2426664, опубликовано: 20.08.2011, бюл. №23).
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 в устройстве для предотвращения буксования локомотива, содержащем 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, ферромагнитные сердечники имеют каналы, в которых размещены цифровые видеокамеры, направленные на место контакта колеса и рельса, а устройство содержит цифровой накопитель информации, центральный процессор, блок системы глобального позиционирования, блок данных, цифроаналоговый преобразователь 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 (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.
Ферромагнитные сердечники 7 имеют каналы, в которых размещены цифровые видеокамеры 10 и 11, соединенные с цифровым накопителем информации 12 (ЦН), который, в свою очередь, соединен с центральным процессором 13 (ЦП), с которым также соединены блок системы глобального позиционирования 14 (СГП), блок данных 15 (БД), где хранятся данные о географическом расположении прямых и кривых на пути и маршрута движения транспортного средства, датчик скорости 16 (ДС) и цифроаналоговый преобразователь 17 (ЦАП), выход которого соединен с ключом 18 (К) в цепи источника питания 4 (ИП).
Устройство для обнаружения начала буксования колесных пар локомотива работает следующим образом.
Цифровые видеокамеры 10 и 11 передают информацию об изображении зоны контакта колес с головками рельсовых нитей в цифровой накопитель информации 12 (ЦН), который осуществляет оперативное хранение информации для последовательной обработки и сравнения отдельных кадров изображения. Из накопителя информации 12 (ЦН) информация поступает в центральный процессор 13 (ЦП), который, на основании этой информации, определяет положение колес относительно рельсов. Блок системы глобального позиционирования 14 (СГП) определяет местоположение транспортного средства, передавая сведения в центральный процессор 13 (ЦП), куда также передаются сведения из блока данных 15 (БД), и от датчика скорости движения 16 (ДС). Центральный процессор 14 (ЦП) на основе данных о расположении транспортного средства, характера участка движения (прямая, кривая, радиус кривой, стрелки), маршрута и скорости движения определяет положение колесной пары в колее. На основании полученных результатов центральный процессор 13 (ЦП) исполняет программу моделирования площади контакта колеса 1 и рельса, которая определяет геометрическое положение и площадь контакта. Поскольку суммарная сила трения зависит от фактической площади касания контактирующих поверхностей, определяя площадь контакта, центральный процессор 13 (ЦП) определяет расчетную силу трения между колесом 1 и рельсом и отношение ее к силе тяги, заданной системой управления локомотивом. Когда отношение расчетной силы трения между колесом 1 и рельсом к силе тяги, заданной системой управления локомотивом становится ниже установленного для данного участка пути, центральный процессор 13 (ЦП) подает команду на цифроаналоговый преобразователь 17 (ЦАП), на выходе которого возникает аналоговый сигнал, подаваемый на ключ 18 (К). Ключ 18 (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 колеса и рельса, приводящий к повышению коэффициента сцепления. При дальнейшем уменьшении площади контакта, определенном по результатам моделирования, команды, подаваемые на ключ 18 (К) приводят к увеличению тока через намагничивающую обмотку 3 и увеличению магнитного потока в контакте колеса и рельса, что ведет к дальнейшему повышению коэффициента сцепления и предотвращению проскальзывания колеса по рельсу.
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.