Устройство для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами

Полезная модель относится к транспортному машиностроению и касается устройства 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 (Авторское свидетельство СССР №1286453, Бюл. №4 30.01.87). Недостатком указанного устройства является дополнительное сопротивление движению, создаваемое вследствие контакта электромагнита с рельсом, что снижает эффективность устройства на локомотиве в режиме тяги.
Известно устройство для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами, содержащее разрезное колесо с размещенными внутри электромагнитами (см. 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 (см. Wehner David Ε. Electromagnetic traction increaser. Патент США US 2198928 A, 2 декабря 1936 г).
Недостатками устройства являются значительный воздушный зазор и магнитное сопротивление, ограниченное пространство для размещения электромагнита, что снижает эффективность использования на локомотиве, не позволяя существенно увеличить сцепление колеса с рельсом, и необходимость 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 (Патент РФ №2055748, опубл. 10.03.1996).
Недостатком указанного устройства является необходимость применения дополнительных подшипников качения, для ремонта которых требуется расформирование оси, что увеличивает расходы на ремонт в процессе эксплуатации.
Известно устройство для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами, содержащее колесную пару, намагничивающую обмотку в виде катушки, выполненной 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, отличающееся тем, что устройство имеет ферромагнитные сердечники, размещенные над рельсами с постоянными зазорами между кругами катания колес и рельсами, связанные с буксами (Патент на полезную модель №163519).
Недостаток устройства тот же, что и у приведенного выше, в связи с необходимостью применения дополнительных подшипников качения, для ремонта которых требуется расформирование оси, что увеличивает расходы на ремонт в процессе эксплуатации.
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.Α., 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 ведущих колес локомотива с рельсами, содержащее электромагниты, подключенные к источнику тока и связанные с балансирами, которые, в свою очередь, связаны с буксами колесных пар (см. Karel Kucera. Electromagnetic adhesion means for railroad locomotives. Патент США US 3307058 А от 20 января 1964 года).
Недостатком прототипа является то, что магнитный поток, создаваемый электромагнитами, замыкается через балансиры и рельс и поэтому почти не проходит через контакт колеса и рельса. В результате в данном устройстве практически не используется указанный выше эффект повышения коэффициента трения между колесом и рельсом при пропускании через поверхность контакта колеса и рельса магнитного потока, и возможность увеличения силы сцепления колеса с рельсом в прототипе ограничена магнитным насыщением рельса и сердечников электромагнитов. Кроме того, постоянное включение электромагнитов вызывает увеличение сопротивления движению вследствие возникновения наводимых магнитным полем вихревых токов в рельсе, и это увеличивает расход энергии на движение локомотива.
Известно, что при скольжении колес по рельсу возникают фрикционные автоколебания колесной пары, представляющие собой периодический процесс с плавно меняющейся амплитудой. При этом усилие тяги на каждом из колес меняется с частотой автоколебаний, что вызывает продольные ускорения буксы и присоединенных к ней частей экипажа (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).
Предлагаемое устройство для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами не имеет недостатков известных устройств.
Задачей полезной модели является увеличение эффективности устройства и силы сцепления колес локомотива с рельсами, это позволяет повысить производительность локомотива вследствие увеличения коэффициент сцепления между колесами и рельсами, благодаря увеличению магнитного потока, проходящий через зону контакта колес с рельсами вследствие выполнения балансира зигзагообразной формы с расположением концов балансира вблизи ободьев колес. За счет того, что ток в электромагнит подается только в момент проскальзывания колеса по рельсам, снижаются затраты энергии на тягу, из-за сокращения потерь, вызываемых вихревыми токами.
балансира вблизи ободьев колес. За счет того, что ток в электромагнит подается только в момент проскальзывания колеса по рельсам, снижаются затраты энергии на тягу, из-за сокращения потерь, вызываемых вихревыми токами.
Поставленная задача достигается тем, что устройство для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами, содержащее электромагниты, подключенные к источнику тока и связанные с балансирами, которые, в свою очередь, связаны с буксами колесных пар, отличающееся тем, что каждый балансир имеет зигзагообразную форму, с П-образным изгибом посредине балансира и соединен с немагнитной вставкой, концы каждого из балансиров расположены вблизи ободьев колес, с зазором относительно ободьев колес, при этом один из концов каждого балансира расположен с наружной стороны обода колеса, а противоположный - с внутренней стороны обода колеса, число электромагнитов равно числу балансиров, каждый электромагнит выполнен горизонтальным и расположен на балансире поперек направления движения локомотива, а устройство содержит датчики продольных ускорений, закрепленные на буксах, измерительные блоки, полосовые фильтры, выпрямители, блоки сравнения, блок уставки, логический элемент «ИЛИ», ключ, на конце балансира размещен радиолокационный датчик, выход которого соединен с входом радиолокационного измерителя скорости, на буксах размещены датчики угла поворота, выходы которых соединены с входами электронных тахометров, выходы радиолокационного измерителя скорости и электронных тахометров соединены с входами вычислительного устройства, выход которого также соединен с входом логического элемента «ИЛИ».
Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображен общий вид устройства для увеличения сцепления колес локомотива с рельсами, а на фиг. 2 - разрез А-А.
Предлагаемое устройство для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами содержит электромагнит 1, подключенный к источнику тока 2 и связанный с балансиром 3, который, в свою очередь, связан с буксами 4 колесных пар.
При этом балансир 3 имеет зигзагообразную форму, с П-образным изгибом посредине балансира 3, и соединен с немагнитной вставкой 5, концы балансира расположены вблизи ободьев колес 6 и 7, с зазором относительно ободьев колес 6 и 7, при этом один из концов балансира 3 расположен с наружной стороны обода колеса 6, а противоположный - с внутренней стороны обода колеса 7, электромагнит 1 выполнен горизонтальным и расположен на балансире 3 поперек направления движения локомотива. На буксах 4 установлены датчики продольных ускорений 8 и 9, которые соединены с входами измерительных блоков 10 и 11, с выходами которых соединены входы полосовых фильтров 12 и 13. Выходы полосовых фильтров 12 и 13 соединены с выпрямителями 14 и 15, которые, в свою очередь, соединены с блоками сравнения 16 и 17. Вторые входы блоков сравнения 16 и 17 соединены с блоком уставки 18, а выходы - с входами логического элемента «ИЛИ» 19, выход которого соединен с ключом 20, включенный в цепь источника тока 2. На конце балансира 3 размещен радиолокационный датчик 21, выход которого соединен с входом радиолокационного измерителя скорости 22 (РИС), на буксах 4 размещены датчики угла поворота 23 и 24, выходы которых соединены с входами электронных тахометров 25 и 26, выходы радиолокационного измерителя скорости 22 и электронных тахометров 25 и 26, соединены с входами вычислительного устройства 27, выход которого также соединен со входом логического элемента 19.
Предлагаемое устройство для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами работает следующим образом. Немагнитная вставка 5 предотвращает падение балансира 3 на путь и перекос балансира под действием собственного веса. При движении локомотива возникают продольные ускорения букс 4, которые регистрируются датчикам продольных ускорений 8 и 9, связанными с входами измерительных блоков 10 и 11, на выходе которых возникают сигналы, пропорциональные величине продольных ускорений, которые поступает на входы полосовых фильтров 12 и 13, которые выпрямляются выпрямителями 14 и 15 и поступают на входы блоков сравнения 16 и 17. На вторые входы блоков сравнения 16 и 17 поступает сигнал от блока уставки 18.
При отсутствии скольжения колес 5 по рельсу 6 автоколебания колесных пар не развиваются, вследствие чего продольные ускорения буксы 4 носят случайный характер, и датчики продольных ускорений 8 и 9 подают сигналы с различными частотами, большая часть которых не совпадает с частотой автоколебаний колесной пары. Полосовые фильтры 12 и 13, пропускают сигналы только в полосе частот, соответствующей частоте автоколебаний колесной пары, подавляя сигналы с другими частотами, в результате чего сигналы на выходе выпрямителей 14 и 15 меньше сигнала от блока уставки 18, на выходах блоков сравнения 16 и 17 не появляется сигналов, блок «ИЛИ» 19 не передает сигналов на ключ 20, и через электромагнит 1 не протекает электрический ток.
При ухудшении условий сцепления колес 6 и 7 с рельсом возникает скольжение одного или обоих колес 6 и 7 по рельсу, вследствие чего развиваются автоколебания колесных пар, приводящие к возникновению продольных периодических ускорений букс 4. На выходе датчика продольных ускорений, находящемся на буксе 4 проскальзывающей колесной пары (датчик 8 и 9 или оба из них, если проскальзывают обе колесные пары) возникает периодический сигнал с частотой, соответствующей частоте автоколебаний колесной пары. В случае, когда сигнал возникает на выходе датчика 8, сигнал поступает на вход измерительного блока 10 и далее на вход полосового фильтра 12. Поскольку сигнал имеет частоту, соответствующую частоте автоколебаний колесной пары, он пропускается полосовым фильтром 12, выпрямляется выпрямителем 14 и поступает на вход блока сравнения 16. Как только скорость скольжения колесной пары и амплитуда автоколебаний колесной пары достигают значений, при которых уровень сигнала от выпрямителя 14 на входе блока сравнения 16 становится выше уровня сигнала от блока уставки 18, на выходе блока сравнения 16 возникает сигнал, который поступает на вход блока «ИЛИ» 19, а с выхода блока «ИЛИ» 19 - на вход ключа 20, который открывается и ток от источника тока 2 проходит через электромагнит 1. В случае, когда сигнал возникает на выходе датчика 9, сигнал поступает на вход измерительного блока 11 и далее на вход полосового фильтра 13. Поскольку сигнал имеет частоту, соответствующую частоте автоколебаний колесной пары, он пропускается полосовым фильтром 13, выпрямляется выпрямителем 15 и поступает на вход блока сравнения 17. Как только скорость скольжения колесной пары и амплитуда автоколебаний колесной пары достигают значений, при которых уровень сигнала от выпрямителя 15 на входе блока сравнения 17 становится выше уровня сигнала от блока уставки 18, на выходе блока сравнения 17 возникает сигнал, который поступает на вход блока «ИЛИ» 19, а с выхода блока «ИЛИ» 19 - на вход ключа 20, который открывается и ток от источника тока 2 проходит через электромагнит 1.
При прохождении тока от источника тока 2 через электромагнит 1, электромагнит 1 создает магнитный поток, который проходит через балансир 3, обода колес 6 и 7, и поверхности контакта колес 6 и 7 с рельсом, что ведет к увеличению коэффициента сцепления между колесами 6 и 7 с рельсом и прекращению скольжения колес 6 и 7 по рельсу.
В случае, если при внезапном ухудшении условий сцепления колеса 6 с рельсом рост скольжения колес 6 или 7 по рельсу не сопровождается фрикционными автоколебаниями (что возможно, например, в случае наезда локомотива на масляное пятно), окружная скорость колеса 6 или 7 становится выше, чем скорость движения локомотива относительно рельса, скорость движения, определенная на основе сигнала, поступающего на вход вычислительного устройства 27 с выхода радиолокационного измерителя скорости 22, отличается от скорости движения, определенной на основе сигнала, поступающего на вход вычислительного устройства 27 с выхода электронного тахометра буксующей колесной пары, т.е. 25 или 26, на выходе вычислительного устройства 27 возникает сигнал, который поступает на вход логического элемента «ИЛИ» 19 и с выхода последнего на ключ 20. Ключ 20 открывается и подает ток от источника питания 2 на электромагнит 1. Электромагнит 1 создает магнитный поток, который проходит через балансир 3, ободья колес 6 и 7, и поверхности контакта колес 6 и 7 с рельсом, что ведет к увеличению коэффициента сцепления между колесами 6 и 7 с рельсом, прекращению скольжения колес 6 и 7 по рельсу и уменьшению разницы между скоростью движения, определенной на основе сигнала, поступающего на вход вычислительного устройства 27 с выхода радиолокационного измерителя скорости 22, и скоростью движения, определенной на основе сигналов, поступающего на вход вычислительного устройства 27 с выходов электронных тахометров 25 или 26.
Благодаря наличию П-образного изгиба балансира 3, а также того, что балансир 3 имеет зигзагообразную форму, один из концов балансира 3 расположен с наружной стороны обода колеса 6, а противоположный - с внутренней стороны обода колеса 7, большая часть магнитного потока проходит через контакт колес 6 и 7 с рельсом, электромагнит 1 может быть выполнен с размерами достаточными для создания магнитного потока, вызывающего увеличение коэффициента сцепления.
Предполагаемое устройство обеспечивает получение следующего технического результата. Выполнение балансира зигзагообразной формы с расположением концов балансира вблизи ободьев колес позволяет увеличить магнитный поток, проходящий через зону контакта колес с рельсами, увеличить коэффициент сцепления между колесами и рельсами, тем самым повысив производительность локомотива. Подача тока в электромагнит только в момент проскальзывания колеса по рельсам приводит к снижению затрат энергии на тягу, поскольку при отсутствии проскальзывания не возникает дополнительного сопротивления движению, создаваемого вихревыми токами.