Способ повышения тягового усилия локомотива
METHOD FOR INCREASING THE TRACTION FORCE OF A LOCOMOTIVE

Изобретение относится к железнодорожному транспорту и направлено на повышение реализуемой силы тяги локомотива при движении поезда по рельсовому пути в реальных условиях эксплуатации в зимний период.
На железных дорогах Северного региона и Сибири в зимних условиях на рельсах появляется ледяная корка в виде так называемого «черного налета», толщина которого может доходить до 1 мм. Название ледяной корки обусловлено наличием в ее структуре мелкодисперсных продуктов износа колес, рельсов, тормозных колодок подвижного состава и частиц смазки.
В процессе движении подвижного состава колесные пары локомотива при наличии на рельсах ледяной корки могут двигаться с пробуксовкой, что приведет к снижению коэффициента сцепления и, следовательно, к уменьшению тягового усилия локомотива.
Известен способ увеличения сцепления колеса локомотива с рельсом, заключающийся в подаче сухого песка к точкам контакта колес с рельсами (Филонов С.П., Гибалов А.И. и др. Тепловоз 2ТЭ116. Песочная система. М., Транспорт, 1985). Данный способ для применения в зимних условиях не пригоден, так как непрерывно подаваемое при этом в зону контакта количество песка значительно превышает требуемое количество и его избыток засоряет рельсовый путь. Кроме того, следует учесть условия зимнего климата, длящегося в России несколько месяцев, при температуре -25°… -40°С.
Известен также "Способ снижения сопротивления движению поездного состава и снижения износа системы «колесо - рельс» (RU 2446969, опубликовано 10.04.2015), при котором дополнительно к форсунке песочницы к пневматической системе добавляется через дополнительный воздухоотвод система сдува песка с поверхности рельсов, состоящая из входного отверстия, пробки, контргайки, регулировочного болта, удерживающего болта, направляющего сопла и выходной горловины. Причем горловина выполнена зауженной для увеличения скорости выходящего наружу воздуха через выходную трубу.
Недостатком реализации данного способа является сложность конструкции, а также загрязнение балластной призмы замасленным песком, который удаляется с рельса не полностью.
Следует отметить, что при наличии на рельсах в зоне их контакта с колесами значительного слоя песка, их взаимодействие осуществляется не непосредственно по схеме «металл-металл», а при участии многослойной прослойки песка. При этом передача нагрузки от колеса к рельсу происходит при взаимодействии частиц песка друг с другом, что приводит к снижению тяговых характеристик локомотива.
В качестве прототипа был выбран способ увеличения сцепления колеса локомотива с рельсом (Патент РФ №2504492, опубл. 20.01.2014), заключающийся в том, что с целью обеспечения функционирования пары колесо-рельс в зимний период песок подают в зону контакта предварительно подогретым, например, при помощи индукционного нагревателя. При этом величину нагрева песка определяют с учетом температуры окружающей среды (рельса) и тепловых потерь системы нагреватель - транспортирующая пескопроводная система.
Недостатком реализации данного способа является повышенный расход энергии для обогрева всего объема бункера песка локомотива, обусловленного неизбежными тепловыми потерями при транспортировании нагретого песка в зону сцепления колеса с рельсом в зимних условиях.
Техническим результатом изобретения является увеличение сцепления колеса с рельсом и повышение тягового усилия локомотива в зимних условиях при уменьшении энергозатрат для нагрева песка, за счет сокращения тепловых потерь при транспортировке нагретого песка до зоны сцепления колеса с рельсом.
Технический результат достигается тем, что в зону контакта колеса с рельсом подают предварительно подогретый сухой песок, например, при помощи индукционного нагревателя, и нагрев песка осуществляется с помощью предварительно подогретого воздуха, который через воздухораспределитель песочницы локомотива подается в форсунку песочницы, куда также подается холодный сухой кварцевый песок из песочницы локомотива. При этом температура нагретого воздуха регулируется в зависимости от температуры окружающего воздуха и при положительных температурах нагреватель воздуха автоматически отключается.
Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображена схема реализации способа увеличения сцепления колеса с рельсом в зимних условиях.
Способ увеличения сцепления колеса с рельсом и повышения тягового усилия локомотива в зимних условиях заключается в следующем.
Абразивный материал, например сухой кварцевый песок, из бункера 1 перемещают в форсунку песочницы 2, куда поступает нагретый с помощью системы компрессора 3 и нагревателя 4 до требуемой температуры воздух воздухораспределителя песочницы 5 локомотива. Далее нагретый воздух через сопло 6 форсунки песочницы 2 подают в зону контакта 7 колеса 8 с рельсом 9 по трубопроводу 10 через сопло 11. Затем нагретый песок, попав в зону 7 на ледяную корку перед колесом 8 на поверхности рельса 9, интенсивно растапливает ее и создает условия для обеспечения нормальных условий взаимодействия частиц песка с колесом и рельсом.
p
Температуру нагрева песка можно определить исходя из следующих соображений. Согласно имеющимся сведениям, при нагреве поверхности на 18…20°С выше температуры окружающего воздуха происходит интенсивная сухая возгонка льда [Косиков С.И. Фрикционные свойства железнодорожных рельсов. М., Наука, 1967, 111 с.]. Температуры подогрева рельса t определяется по формуле:
p
где t -температура подогрева рельса, °С;
в
t - температура воздуха, °С.
Учитывая вышеизложенное, приняв температуру нагретого рельса равной температуре песка, формулу (1) можно представить в виде
n
где t - температура нагрева песка, °С;
п
п
п
К - коэффициент, учитывающий тепловые потери вследствие адиабатического расширения поступающей из трубопровода 10 воздушно-песочной смеси при доставке песка через сопло 11 из форсунки песочницы 2 в зону контакта 7 колеса с рельсом. Коэффициент К также зависит от технических характеристик устройства, реализующего подачу песка согласно данному способу. В среднем К можно принять равным 1,18.
Предлагаемое изобретение позволяет обеспечить повышение коэффициента сцепления и, следовательно, увеличение тягового усилия локомотива при уменьшении энергозатрат для нагрева песка, за счет реализации способа косвенного нагрева песка горячим воздухом и уменьшения тепловых потерь за счет сокращения расстояния транспортирования нагретого песка от точки нагрева до зоны контакта колеса с рельсом.
В связи с универсальностью этот способ может быть применен для всех видов железнодорожных транспортных средств независимо от типа приводного механизма колесных пар: локомотивов с электрической и тепловой тягой, различных путевых машин, используемых на железнодорожном транспорте, а также для тяговых агрегатов, применяемых в горной промышленности.