УСТРОЙСТВО ДЛЯ УВЕЛИЧЕНИЯ СЦЕПЛЕНИЯ ВЕДУЩИХ КОЛЕС ЛОКОМОТИВА С РЕЛЬСАМИ

Полезная модель относится к рельсовым транспортным средствам, в частности к устройствам для повышения тягового усилия локомотива за счет увеличения сцепления ведущих колес с рельсами.
Известно устройство для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами, содержащее электромагнит, подключенный к источнику тока (см. Karel Kucera. Electromagnetic adhesion means for railroad locomotives. Патент США US3307058 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.
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 (см. 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 увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами, содержащее разрезное колесо с размещенными внутри электромагнитами (см. John Otto Heinze Jr. Magnetic wheel. Патент США US709484 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 Е. Electromagnetic traction increaser. Патент США US2198928 А, 2 декабря 1936 г.).
Недостатком устройства является его недостаточная эффективность, не позволяющая существенно увеличить сцепление колеса с рельсом вследствие ограниченного пространства для размещения электромагнита и необходимостью 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 ведущих колес локомотива с рельсами, содержащее катушки электромагнита, размещенные на осях локомотива и балках тормозной системы, источник питания и переключатель (см. Elias Е. Ries. Combined electro-magnetic brake and traction-increasing device. Патент США US414996, 12 ноября 1889 г.).
Недостаток указанного устройства заключается в том, что для размещения катушек электромагнита на осях локомотива тяговый электродвигатель размещен вдоль оси пути, и опирается на оси двух колесных пар, что увеличивает необрессоренную массу и воздействие экипажа на путь и делает невозможным применение устройства на локомотивах с индивидуальным приводом осей, которые составляют основную часть современного парка локомотивов.
Известно устройство для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами, содержащее катушки электромагнита, размещенные на осях локомотива, источник питания, выключатели, токосъемники и регулятор (см. James William Peterson, Thomas Campbell Juner. Means for improving the adhesion of vehicle wheels to rails. Патент США US 1730944, 8 октября 1929 г. ).
Недостаток указанного устройства тот же, что и у предыдущего, поскольку для привода осей применен спарниковый привод, позволяющий разместить катушки на осях локомотива.
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, (см. Б.П. Цалоев, Г.К. Пиранишвили. Устройство для увеличения сцепления колесной пары электровоза с рельсами. Патент РФ №2055748, опубл. 10.03.1996.).
Недостаток указанного устройства состоит в том, что устройство невозможно применить при опорно-осевом приводе, который применен на большинстве локомотивов отечественных железных дорог, поскольку статор тягового электродвигателя, расположенный в непосредственной близости от катушки, и опирающийся на ось с помощью подшипников из ферромагнитного материала, расположенных по краям статора, будет шунтировать магнитный поток, создаваемый катушкой. Кроме того, данное устройство при движении локомотива создает потери энергии за счет наведения вихревых токов в рельсах, поскольку источник питания постоянно подключен к катушке.
В качестве прототипа предлагаемой полезной модели выбрано устройство для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами, содержащее 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, каркас опирается на подшипники качения через неподвижную трубу, соединенную с тяговым электродвигателем, катушка состоит из двух частей, между которыми находится тяговый электродвигатель, ротор и статор тягового электродвигателя выполнены в виде дисков, а устройство содержит датчик продольного усилия, размещенный на тяге подвески, осредняющий фильтр, сумматор, блок установки и ключ, при этом при реализации локомотивом силы тяги в подвеске, препятствующей повороту тягового электродвигателя вокруг оси, возникает усилие, и на выходе датчика продольного усилия появляется сигнал, который поступает на вход осредняющего фильтра, с выхода осредняющего фильтра сигнал поступает на один из входов сумматора, на второй вход которого поступает сигнал от блока установки, если величина сигнала с выхода осредняющего фильтра становится меньше величины сигнала от блока установки, на выходе сумматора возникает сигнал, который поступает на вход ключа, ключ открывается, и от источника питания на катушку поступает ток, величина которого пропорциональна величине сигнала с выхода сумматора (См. Патент на полезную модель №202706, Российская Федерация, СПК В61С 15/08 (2020.08). Устройство для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами. / Космодамианский А.С., Воробьев В.И., Измеров О.В., Маслов М.А., Корчагин В.О., Стрекалов Н.Н., Капустин М.Ю., Самотканов А.В., Шевченко Д.Н.. Опубл. 03.03.2021, бюл. №7.).
Недостаток прототипа заключается в том, что в случае возникновения автоколебаний колесной пары при начавшемся скольжении колеса по рельсу коэффициент сцепления оказывается выше, чем при скольжении колеса по рельсу при отсутствии автоколебаний (См. Лысак В.А. Крутильные колебания колесных пар локомотивов, возникающие при боксовании. Исследование динамики локомотивов. Тр.ВНИТИ, вып. 22, Коломна, 1966, с. 108-113.), и, соответственно, среднее усилие в подвеске при развитии автоколебаний и скольжении колеса по рельсу выше, чем при скольжении колеса по рельсу без развития автоколебаний. При этом величина сигнала на выходе датчика продольного усилия, после обработки осредняющим фильтром, может оказаться ниже, чем величина сигнала от блока установки. В результате при начавшемся скольжении колеса по рельсу в катушку не будет подаваться ток до момента, когда при дальнейшем увеличении скорости скольжения колеса по рельсу не произойдет срыв фрикционных автоколебаний. Таким образом, в таких случаях возможности реализации локомотивом максимальной силы тяги не будут использованы из-за несвоевременной подачи тока в катушку.
Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение силы тяги, создаваемой локомотивов, за счет своевременной подачи тока в катушку в случае проскальзывания колеса по рельсу с возникновением фрикционных автоколебаний оси колесной пары.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами, содержащем 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, каркас опирается на подшипники качения через неподвижную трубу, соединенную с тяговым электродвигателем, катушка состоит из двух частей, между которыми находится тяговый электродвигатель, ротор и статор тягового электродвигателя выполнены в виде дисков, а устройство содержит датчик продольного усилия, размещенный на тяге подвески, осредняющий фильтр, сумматор, блок установки и ключ, при этом при реализации локомотивом силы тяги в подвеске, препятствующей повороту тягового электродвигателя вокруг оси, возникает усилие, и на выходе датчика продольного усилия появляется сигнал, который поступает на вход осредняющего фильтра, с выхода осредняющего фильтра сигнал поступает на один из входов сумматора, на второй вход которого поступает сигнал от блока установки, если величина сигнала с выхода осредняющего фильтра становится меньше величины сигнала от блока установки, на выходе сумматора возникает сигнал, который поступает на вход ключа, ключ открывается, и от источника питания на катушку поступает ток, величина которого пропорциональна величине сигнала с выхода сумматора, устройство содержит датчик угловых ускорений оси колесной пары, полосовой фильтр, выпрямитель, второй сумматор, второй блок установки и логический элемент «ИЛИ», при этом сигнал с выхода обоих сумматоров поступает на вход ключа через логический элемент «ИЛИ», при возникновении автоколебаний колесной пары датчик ускорений колесной пары вырабатывает сигнал, поступающий на полосовой фильтр, полосовой фильтр пропускает сигнал, соответствующий частоте фрикционных автоколебаний колесной пары, сигнал поступает на выпрямитель, выпрямитель выпрямляет сигнал, выпрямленный сигнал поступает на один из входов второго сумматора, на второй вход которого поступает сигнал от второго блока установки, если величина сигнала с выхода выпрямителя становится больше величины сигнала от блока установки, на выходе второго сумматора возникает сигнал, который поступает на вход ключа через логический элемент «ИЛИ», ключ открывается, и от источника питания на катушку поступает ток, величина которого пропорциональна величине сигнала с выхода второго сумматора.
Сущность заявленной полезной модели поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображен общий вид устройства для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами.
Предлагаемое устройство для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами содержит колесную пару 1, намагничивающую обмотку в виде катушки 2, выполненную из изолированного провода, подключенную к источнику питания 3 (ИП) с помощью проводов 4 и установленную на оси 5 колесной пары 1 на каркасе 6, который расположен соосно с осью 5 колесной пары 1 с зазором, в котором установлены подшипники качения 7 и 8, размещенные по торцам каркаса катушки 2 с возможностью вращения оси 5 колесной пары 1 внутри него, каркас 6 опирается на подшипники качения 7 и 8 через неподвижную трубу 9, соединенную с тяговым электродвигателем 10, катушка состоит из двух частей, между которыми находится тяговый электродвигатель 10, ротор 11 и статор 12 тягового электродвигателя 10 выполнены в виде дисков, устройство содержит датчик продольного усилия 13, размещенный на тяге подвески 14, осредняющий фильтр 15 (ОФ), сумматор 16 (С), блок установки 17 (У) и ключ 18 (К).
Устройство содержит датчик угловых ускорений 19 оси 5 колесной пары 1, полосовой фильтр 20 (ПФ), выпрямитель 21, второй сумматор 22 (С2), второй блок установки 23 (У2) и логический элемент «ИЛИ» 24.
Устройство для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами работает следующим образом.
При реализации локомотивом силы тяги в подвеске 14, препятствующей повороту тягового электродвигателя вокруг оси 5, возникает усилие, и на выходе датчика продольного усилия 13 появляется сигнал, который поступает на вход осредняющего фильтра 15 (ОФ). На выходе осредняющего фильтра 15 (ОФ) появляется сигнал, равный постоянной составляющей сигнала на входе осредняющего фильтра 15 (ОФ), которая пропорциональна силе тяги. С выхода осредняющего фильтра 15 (ОФ) сигнал поступает на один из входов сумматора 16 (С), на второй вход которого поступает сигнал от блока установки 17 (У), величина которого пропорциональна заданному усилию тяги, определяемому системой управления локомотива. Если условия сцепления колес с рельсами (на Фиг. 1 не показаны) достаточны для реализации заданной силы тяги, величина сигнала с выхода осредняющего фильтра 15 (ОФ) больше или равна величины сигнала от блока установки 17 (У), сигнал на выходе сумматора 16 (С) и логического элемента «ИЛИ» 21 не возникает, ключ 18 (К) закрыт, и ток от источника питания 3 (ИП) на катушку 2 не поступает. При ухудшении условий сцепления вследствие влажности рельсов или наезда на масляное пятно колеса начинают проскальзывать по рельсу, сила тяги становится меньше заданной, величина сигнала с выхода осредняющего фильтра 15 (ОФ) становится меньше величины сигнала от блока установки 17 (У), на выходе сумматора 16 (С) возникает сигнал, величина которого пропорциональна разнице величины сигнала с выхода осредняющего фильтра 15 (ОФ) и величины сигнала от блока установки 17 (У). Сигнал с выхода сумматора 16 (С) поступает на вход логического элемента «ИЛИ» 24, и с выхода логического элемента «ИЛИ» 24 на вход ключа 18 (К). Ключ 18 (К) открывается, и от источника питания 3 (ИП) на катушку 2 поступает ток, величина которого пропорциональна величине сигнала с выхода сумматора 16 (С). Через ось 5, оба колеса колесной пары 1 и рельсы проходит магнитный поток, намагничивающий рельсы, что приводит к изменению физико-механических свойств контактирующих металлических тел (колес с рельсами) и увеличивает коэффициент сцепления колес колесной пары 1 с рельсами.
Увеличение коэффициента сцепления колес колесной пары 1 с рельсами приводит к прекращению скольжения колес колесной пары 1 по рельсу и увеличению силы тяги до уровня заданной. Средняя составляющая сигнала на выходе датчика продольного усилия 13 и уровень сигнала на выходе осредняющего фильтра 15 (ОФ) становится больше или равен уровню сигнала от блока установки 17 (У), сигнал на выходе сумматора 16 (С) и выходе логического элемента «ИЛИ» 24 становится равным нулю, ключ 18 (К) закрывается, и ток от источника питания 3 (ИП) на катушку 2 не поступает, поэтому в рельсах не наводятся вихревые токи и дополнительных потерь энергии не возникает.
В случае возникновения автоколебаний колесной пары 1 при начавшемся скольжении колес колесной пары 1 по рельсу коэффициент сцепления оказывается выше, чем при скольжении колес колесной пары 1 по рельсу при отсутствии автоколебаний. Среднее усилие в подвеске 14 при развитии автоколебаний и скольжении колес колесной пары 1 по рельсу оказывается выше, чем при скольжении колес колесной пары 1 по рельсу без развития автоколебаний. Если величина сигнала на выходе датчика продольного усилия 13 после обработки осредняющим фильтром 15 (ОФ) ниже, чем величина сигнала от блока установки 17 (У), сигнал на выходе сумматора 16 (С) становится равным нулю. Автоколебания колесной пары 1 вызывают угловые ускорения на конце оси 5 колесной пары 1. На выходе датчика угловых ускорений 19 оси 5 колесной пары 1 возникает сигнал, который поступает на вход полосового фильтра 20 (ПФ). Полосовой фильтр 20 (ПФ) выделяет из сигнала, поступившего на вход, составляющие с частотами, соответствующими частотам процесса автоколебаний колесной пары, что защищает устройство от ложных срабатываний в условиях воздействия помех. С выхода полосового фильтра 20 (ПФ) сигнал поступает на вход выпрямителя 21. Выпрямленный сигнал с выхода выпрямителя 21 поступает на вход второго сумматора 22 (С2), на второй вход которого поступает сигнал от второго блока установки 23 (У2), величина которого соответствует величине угловых ускорений оси 5 колесной пары 1 в начальный период развития автоколебаний и определяется по результатам испытаний. При увеличении скорости скольжения колесной пары 1 амплитуда автоколебаний колесной пары 1 увеличивается, что приводит к увеличению сигнала на выходе выпрямителя 21. Когда величина сигнала с выхода выпрямителя 21 становится больше величины сигнала от второго блока установки 23 (У2), на выходе второго сумматора 22 (С2) возникает сигнал, величина которого пропорциональна разнице величины сигнала с выхода выпрямителя 21 и величины сигнала от второго блока установки 23 (У2). Сигнал с выхода второго сумматора 22 (С2) поступает на вход логического элемента «ИЛИ» 24, и с выхода логического элемента «ИЛИ» 24 на вход ключа 18 (К). Ключ 18 (К) открывается, и от источника питания 3 (ИП) на катушку 2 поступает ток, величина которого пропорциональна величине сигнала с выхода второго сумматора 22 (С2). Через ось 5, оба колеса колесной пары 1 и рельсы проходит магнитный поток, намагничивающий рельсы, что приводит к изменению физико-механических свойств контактирующих металлических тел (колес с рельсами) и увеличивает коэффициент сцепления колес колесной пары 1 с рельсами.
Увеличение коэффициента сцепления колес колесной пары 1 с рельсами приводит к прекращению скольжения колес колесной пары 1 по рельсу и прекращению автоколебаний колесной пары 1. Средняя составляющая сигнала на выходе датчика угловых ускорений 19 оси 5 колесной пары 1 и уровень сигнала на выходе выпрямителя 21 становится больше или равен уровню сигнала от второго блока установки 23 (У2), сигнал на выходе второго сумматора 22 (С2) и выходе логического элемента «ИЛИ» 24 становится равным нулю, ключ 18 (К) закрывается, и ток от источника питания 3 (ИП) на катушку 2 не поступает, поэтому в рельсах не наводятся вихревые токи и дополнительных потерь энергии не возникает.
Технико-экономический эффект заявленной полезной модели заключается в повышении силы тяги, создаваемой локомотивом, за счет своевременной подачи тока в катушку в случае проскальзывания колеса по рельсу с возникновением фрикционных автоколебаний оси колесной пары, и в повышении вследствие этого производительности локомотива.