УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ БУКСОВАНИЯ 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, применяемое на отечественном электровозе 2ЭС10, и содержащее датчик активной мощности тягового электродвигателя и блок сравнения его с требуемой мощностью (см. Электровоз грузовой постоянного тока с асинхронными электродвигателями. Руководство по эксплуатации, часть 1 2ЭС 10.00.000.000 РЭ., ОАО «СТМ», 2009 г., С. 60-61).
Недостатком известного устройства является то, что для снижения активной мощности тягового электродвигателя, вызывающего срабатывание системы, необходимо, чтобы колесная пара начала проскальзывать по рельсу, что ведет к потерям передаваемой энергии и повышенному износу колес и рельсов. Кроме того, для предупреждения буксования указанное устройство снижает заданную для колесной пары силу тяги, что ведет к недоиспользованию мощности локомотива и снижению веса составов, с которыми он может работать на данном участке.
Известно устройство для предотвращения буксования локомотива в виде группового привода, содержащее осевые редукторы, связанные тягами с рамой тележки, рамный редуктор и карданные валы, соединяющие рамный редуктор с осевыми редукторами (см. Механическая часть тягового подвижного состава». Учебник для… / И.В. Бирюков, и др.; Под редакцией И.В. Бирюкова. М.: Транспорт, 1992. С. 341, рис. 13.40.). При ухудшении сцепления с рельсом одной из колесных пар крутящий момент тягового электродвигателя перераспределяется через рамный редуктор и карданные валы на колесную пару, для которой сцепление с рельсом выше.
Данное устройство использовано на отечественном электровозе ВЛ83 и позволяет повысить коэффициент сцепления локомотива на 6-8% при троганиис места и высоких скоростях движения (см. Развитие локомотивной тяги. / Н.А. Фуфрянский, А.С. Нестрахов, А.Н. Долганов, Н.Н. Каменев, Э.А. Пахомов; Под ред. Н.А. Фуфрянского и А.Н. Бевзенко. - М.: Транспорт, 1982, С. 210, рис. 7. 8. б.). Недостатком данного устройства является то, что перераспределение крутящего момента только посредством механической связи колес друг с другом не устраняет возможности буксования локомотива или тележки всеми колесными парами.
В качестве прототипа заявленной полезной модели выбрано устройство для предотвращения буксования локомотива, содержащее осевые редукторы, связанные тягами с рамой тележки, рамный редуктор и карданные валы, соединяющие рамный редуктор с осевыми редукторами, индукторы, размещенные на колесных парах и питаемые от источников тока через подчиненную систему регулирования, состоящую из выключателя, регуляторов тока индукторов, сигнал на которые поступает от блоков "ИЛИ", на которые поступает сигнал либо от блока сравнения, сравнивающего между собой сигналы датчиков продольного усилия, расположенных на тягах осевых редукторов, либо от ключа, сравнивающего сигнал от сумматора, суммирующего сигналы датчиков продольного усилия, расположенных на тягах осевых редукторов, с сигналом задания величины суммарного продольного усилия, поступающего с блока установки величины суммарной силы тяги (см. Патент на полезную модель №156444, Российская Федерация, МПК В61С 15/08. Устройство для предотвращения буксования локомотива [Текст] / Воробьев В.И., Антипин Д.Я., Пугачев А.А., Измеров О.В., Бондаренко Д.А., Корчагин В.О. Опубл. 10.11.2015, бюл. №31.).
Недостатком прототипа является то, что в нем не предусмотрен контроль за температурой в контакте колеса и рельса. В зависимости от условий, максимальная сила тяги может быть достигнута при скорости скольжении колеса по рельсу до 15-30% (см. Лонгстон мл., Итами. Исследования явления трения-крипа для локомотива // Тр. Амер. общ. инж.-мех.: Конструирование и тех-нология машиностроения. - 1980. - №3. - Т. 102. - С. 247-248.), что сопровождается высоким тепловыделением в контакте «колесо-рельс», при этом, если условия сцепления обоих колес будут одинаковы, а развиваемая сила тяги соответствует заданной, то срабатывания устройства не произойдет, и вследствие проскальзывания колеса по рельсу, температура в точке контакта колеса и рельса будет расти, что ведет к снижению прочности колеса и рельса. Известно, что исходя из обеспечения критерия предела прочности, следует ограничить температуру в зоне контакта рабочих поверхностей колеса и рельса в пределах 300°С (см. Керопян A.M. Развитие теории взаимодействия и обоснование рациональных параметров системы «колесо-рельс» карьерных локомотивов в режиме тяги. / Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук.- 2015. - Екатеринбург.-С. 19.). Таким образом, при использовании прототипа возможно снижение прочности колеса и рельса вследствие их перегрева, что ведет к увеличению расходов на ремонт локомотива и пути.
Известно, что при движении в режиме тяги локомотива без буксования, с тяговым приводом, колесные пары которого связаны между собой карданными валами, крутящий момент на разных колесных парах выравнивается (см. Добрынин, Л.К. Динамические нагрузки в трансмиссии тепловоза ТГМ10 с гидропередачей / Л.К. Добрынин, В.А. Лысак // Тр. ВНИТИ. - Коломна, 1964. - Вып. 20. - С. 142-169.).
Технический результат заявленной полезной модели состоит в предотвращении перегрева, ведущего к снижению прочности колеса и рельса, за счет воздействия на место контакта колеса с рельсом магнитного поля, приводящего к повышению коэффициента трения между колесом и рельсом, что, в свою очередь, прекращает скольжение колеса по рельсу, в результате чего снижается выделение тепла в контакте колеса и рельса.
Технический результат достигается тем, что устройство для предотвращения буксования локомотива, содержащем осевые редукторы, связанные тягами с рамой тележки, рамный редуктор и карданные валы, соединяющие рамный редуктор с осевыми редукторами, индукторы, размещенные на колесных парах и питаемые от источников тока через подчиненную систему регулирования, состоящую из выключателя, регуляторов тока индукторов, сигнал на которые поступает от блоков "ИЛИ", на которые поступает сигнал либо от блока сравнения, сравнивающего между собой сигналы датчиков продольного усилия, расположенных на тягах осевых редукторов, либо от ключа, сравнивающего сигнал от сумматора, суммирующего сигналы датчиков продольного усилия, расположенных на тягах осевых редукторов, с сигналом задания величины суммарного продольного усилия, поступающего с блока установки величины суммарной силы тяги, содержит два инфракрасных термометра, расположенные по противоположные стороны колеса, и блок контроля, подающего сигнал на блоки «ИЛИ».
Сущность заявленной полезной модели поясняется чертежом, где на фиг. 1. изображен общий вид устройства для предотвращения буксования локомотива.
Предлагаемое устройство для предотвращения буксования локомотива (Фиг. 1) содержит осевые редукторы 1 и 2, связанные тягами 3 и 4 с рамой тележки 5, рамный редуктор 6 и карданные валы 7 и 8, соединяющие рамный редуктор 6 с осевыми редукторами 1 и 2. Индукторы 9 и 10 располагаются на колесных парах 11 и 12. Имеется подчиненная система регулирования, содержащая датчики продольного усилия 13 и 14, размещенные на тягах 3 и 4, блок сравнения 15 (БС), ключ 16 (К), блок установки 17 (У), блоки 18 (ИЛИ1) и 19 (ИЛИ2), регуляторы тока 20 (РТ1) и 21 (РТ2), источник тока 22 (ИТ1), выключатель 23 (ВК) и сумматор 24 (С).
Вблизи одного из колес колесной пары 11 с противоположных сторон расположены инфракрасные термометры 25 и 26, которые соединены с блоком контроля 27 (БК), который, в свою очередь, соединен с блоками 18 (ИЛИ1) и 19(ИЛИ2).
Предлагаемое устройство работает следующим образом. При работе локомотива в режиме выбега выключатель 23 (ВК) разомкнут, сигналы на регуляторы тока 20 (РТ1) и 21 (РТ2) не поступают и ток от источника тока 22(ИТ1) через индукторы 9 и 10 не проходит. Тем самым предотвращается случайное включение устройств усиления коэффициента сцепления при изменении продольных усилий в тягах осевых редукторов вследствие наличия динамических крутящих моментов в приводе и статических крутящих моментов, вызванных разностью диаметров колес. При работе в режиме тяги выключатель 23 (ВК) замыкается, что позволяет при необходимости подавать ток от источников тока 22 (ИТ1) через индукторы 9 и 10. Крутящие моменты, передаваемые от рамного редуктора 6 карданными валами 7 и 8 на осевые редукторы 1 и 2, создают продольные усилия в тягах 3 и 4. Сигналы от датчиков продольного усилия 13 и 14, пропорциональные усилиям в тягах 3 и 4, поступают на блок сравнения 15 (БС), который вырабатывает и подает сигнал, равный модулю разности сигналов датчиков продольного усилия 13 и 14 либо на блок 18 (ИЛИ1), который подает сигнал на регулятор тока 20 (РТ1), если сигнал от датчика 13 меньше сигнала от датчика 14, либо на блок 19 (ИЛИ2), который подает сигнал на регулятор тока 21 (РТ2), если сигнал от датчика 14 меньше сигнала от датчика 13. Одновременно сигналы от датчиков продольного усилия 13 и 14, пропорциональные усилиям в тягах 3 и 4, поступают на сумматор 24 (С), который подает на ключ 16 (К) сигнал, равный сумме сигналов датчиков продольного усилия 13 и 14. Блок установки 17 (У) вырабатывает сигнал, который пропорционален тяговому усилию тележки, которое задается системой управления. Ключ 16 (К) сравнивает сигнал с выхода сумматора 24 (С) и блока установки 17 (У), и, если сигнал с выхода сумматора 24 (С) меньше сигнала с выхода блока установки 17 (У), подает на блоки 18 (ИЛИ1), и 19 (ИЛИ2), а от них - на регуляторы тока 20 (РТ1) и 21 (РТ2) сигнал, пропорциональный превышению сигнала с выхода блока установки 17 (У) над сигналом с выхода сумматора 24 (С).
При движении локомотива и наличии сцепления колес с рельсами, достаточного для устойчивой передачи силы тяги, крутящие моменты на колесных парах 11 и 12 выравниваются, вследствие чего выравниваются продольные усилия в тягах 3 и 4. Сигнал датчика продольного усилия 13 равен сигналу датчика продольного усилия 14 и на выходе блока сравнения 15 (БС) не появляется сигнала. Поскольку суммарное тяговое усилие не меньше заданного, то суммарный сигнал датчиков продольного усилия 13 и 14 больше сигнала от блока установки 17 (У), и на выходе ключа 16 (К) не появляется сигнала. Соответственно, не появляется сигнала на входе регуляторов тока 20 (РТ1) и 21 (РТ2), и они не подают напряжение от источника тока 22 (ИТ1) на индукторы 9 и 10 колесных пар 11 и 12. Через индукторы 9 и 10 ток не проходит, что предотвращает потери энергии на питание индукторов 9 и 10, пока не возникает необходимости в увеличении сцепления колеса с рельсом.
При движении локомотива возможны два случая ухудшения сцепления колес с рельсами: ухудшение сцепления одной из колесных пар тележки с рельсами (вследствие неравномерного распределения нагрузки на оси при реализации силы тяги и/или увеличении поперечного скольжения набегающей колесной пары в кривой) и ухудшение сцепления обоих колесных пар тележки (вследствие наличия воды и масла на поверхности рельсов).
В случае ухудшения сцепления одной из колесных пар с рельсом ее относительное скольжение увеличивается, что приводит к перераспределению тягового усилия и тягового момента на колесную пару, имеющую лучшие условия сцепления, т.е. тяговый момент колесной пары с худшими условиями сцепления уменьшается, а с лучшими - возрастает, при этом суммарный тяговый момент на обоих колесных парах не изменяется, а вероятность срыва колесных пар тележки в буксование повышается. При ухудшении сцепления колесной пары 11 с рельсом ее относительное скольжение увеличивается, что приводит к снижению тягового усилия, приходящегося на колесную пару 11, тягового момента в осевом редукторе 1, усилия в тяге 3, и сигнала датчика продольного усилия 13. Когда сигнал датчика продольного усилия 13 становится меньше сигнала датчика продольного усилия 14, блок сравнения 15 (БС) подает сигнал, равный модулю разности сигналов датчиков продольного усилия 13 и 14 на блок 18 (ИЛИ1) и с него на регулятор тока 20 (РТ1), который подает напряжение от источника тока 22 (ИТ1) на индуктор 9, устанавливая величину тока пропорционально модулю разности сигналов датчиков продольного усилия 13 и 14. Индуктор 9 создает магнитный поток в контакте «колесо-рельс», что приводит к повышению коэффициента сцепления колесной пары 11 с рельсом и восстановлению тягового усилия колесной пары 11, вследствие чего вероятность срыва колесных пар тележки в буксование снижается.
В случае ухудшения сцепления колесной пары 12 с рельсом ее относительное скольжение увеличивается, что приводит к снижению тягового усилия, приходящегося на колесную пару 12, тягового момента в осевом редукторе 2, усилия в тяге 4, и сигнала датчика продольного усилия 14. Когда сигнал датчика продольного усилия 14 станет меньше сигнала датчика продольного усилия 13, блок сравнения 15 (БС) подает сигнал, равный модулю разности сигналов датчиков продольного усилия 13 и 14 на блок 19 (ИЛИ2), регулятор тока 21 (РТ2), который подает напряжение от источника тока 22 (ИТ1) на индуктор 10, устанавливая величину тока пропорционально модулю разности сигналов датчиков продольного усилия 13 и 14. Индуктор 10 создает магнитный поток в контакте «колесо-рельс», что приводит к повышению коэффициента сцепления колесной пары 12 с рельсом и восстановлению тягового усилия колесной пары 12, вследствие чего вероятность срыва колесных пар тележки в буксование снижается.
В случае одновременного ухудшения сцепления колесных пар 11 и 12 с рельсами происходит одновременное снижение тягового усилия обеих колесных пар тележки, снижение тягового момента в осевых редукторах 1 и 2, усилий в тягах 3 и 4, и сигналов датчиков продольного усилия 13 и 14. Вследствие общего увеличения скольжения колесных пар, их тяговые усилия выравниваются, вследствие чего блок сравнения 15 (БС) не подает сигнала непосредственно на блоки 18 (ИЛИ1) и 19 (ИЛИ2), а сумматор 24 (С) подает сигнал, равный сумме сигналов датчиков продольного усилия 13 и 14 на ключ 16 (К), на который также подается сигнал установки от блока установки 17 (У), пропорциональный заданному для данного режима движения тяговому усилию. Если суммарное тяговое усилие меньше заданного, то сигнал от сумматора 24 (С), равный сумме сигналов датчиков продольного усилия 13 и 14, также меньше сигнала от блока установки 17 (У). В этом случае ключ 16 (К) подает сигнал на блоки 18 (ИЛИ1) и 19 (ИЛИ2), а с их выходов - на регуляторы тока 20 (РТ1) и 21 (РТ2), которые подают напряжение от источника тока 22 (ИТ1) на индукторы 9 и 10 колесных пар 11 и 12, устанавливая величину тока пропорционально разности между уровнем сигнала от блока установки 17 (У) и суммой сигналов датчиков продольного усилия 13 и 14, т.е. пропорционально разности между заданной и реальной суммарной силой тяги обоих колесных пар. Ток от источника 22 (ИТ1) проходит через индукторы 9 и 10, которые создают магнитный поток в контакте «колесо-рельс», что приводит что приводит к повышению коэффициента сцепления колесных пар 11 и 12 с рельсом и предотвращает срыв тягового привода в буксование обеими колесными парами.
В случае, когда одновременное ухудшения сцепления колесных пар 11 и 12 с рельсами не приводит к снижению суммарного тягового усилия меньше заданного (например, при движении по пути легкого профиля), ключ 16 (К) не подает сигнал на блоки 18 (ИЛИ1) и 19 (ИЛИ2) и проскальзывание колес колесной пары 11 и 12 увеличивается в равной степени, поскольку колесные пары 11 и 12 связаны между собой через осевые редукторы 1 и 2, карданные валы 7 и 8 и рамный редуктор 6. Температура в точке контакта колеса и рельса растет, что регистрируется либо инфракрасным термометром 25, либо инфракрасным термометром 26, в зависимости от направления движения локомотива. Сигналы от инфракрасных термометров 25 и 26 подаются на блок контроля 27 (БК). Когда уровень сигнала от одного из инфракрасных термометров 25 и 26 принимает значение, соответствующее температуре 300°С в контакте «колесо-рельс», блок контроля 27 (БК) подает сигнал на блоки 18 (ИЛИ1) и 19 (ИЛИ2), а с их выходов - на регуляторы тока 20 (РТ1) и 21 (РТ2), которые подают напряжение от источника тока 22 (ИТ1) на индукторы 9 и 10 колесных пар 11 и 12, устанавливая величину тока пропорционально разности между уровнем сигнала от блока установки 17 (У) и суммой сигналов датчиков продольного усилия 13 и 14, т.е. пропорционально разности между заданной и реальной суммарной силой тяги обоих колесных пар. Ток от источника 22 (ИТ1) проходит через индукторы 9 и 10, которые создают магнитный поток в контакте «колесо-рельс», что приводит что приводит к повышению коэффициента сцепления колес колесных пар 11 и 12 с рельсом. Повышение коэффициента сцепления колес колесных пар 11 и 12 с рельсом приводит к прекращению скольжения колес по рельсам, что, в свою очередь, снижает выделение тепла в контакте колес с рельсами, и, в результате охлаждения колес и рельс путем передачи тепла окружающему воздуху, температура поверхности колеса и рельса становится меньше 300°С.
Технико-экономический эффект заявленной полезной модели заключается в том, что использование устройства для предотвращения буксования локомотива позволяет снизить затраты на эксплуатацию и ремонт локомотива и пути благодаря предотвращению перегрева, ведущего к снижению прочности колеса и рельса, что достигается за счет воздействия на место контакта колеса с рельсом магнитного поля, приводящего к повышению коэффициента трения между колесом и рельсом, что, в свою очередь, прекращает скольжение колеса по рельсу, в результате чего снижается выделение тепла в контакте колеса и рельса.