ТОРМОЗНОЙ РЕЗИСТОР ДЛЯ ВАГОНОВ МЕТРОПОЛИТЕНА

Тормозной резистор для вагонов метрополитена
Заявляемая полезная модель относится к области конструирования тормозных резисторов, предназначенных для использования, преимущественно, в вагонах метрополитена.
Как известно, тормозные резисторы служат в качестве дополнительной нагрузки, включаемой в цепь тягового электродвигателя при его электродинамическом торможении, обеспечивая необходимое рассеивание избыточной энергии, возникающей при переходе электродвигателя из двигательного в генераторный режим 1, с. 280 281, 2, с. 3 - 6, 35 - 38, 54 - 57. Конструктивно тормозные резисторы собираются из отдельных резистивных элементов, закрепляемых на несущих рамах (стойках, опорах) с образованием резистивных модулей. Резистивные элементы соединяются между собой по определенной электрической схеме в соответствии со схемой электродинамического торможения тягового электродвигателя.
Резистивные элементы, используемые в качестве составляющих тормозных резисторов, различаются по своему конструктивному выполнению и используемым материалам. Типичными материалами, используемыми при изготовлении резистивных элементов, являются чугун определенной марки, нихром, фехраль. Например, в 2, с. 7 - 10, рис. 1, 2, 3; с. 30-31, рис. 22, 23 описаны резистивные элементы, применяемые в цепях электродинамического торможения тяговых электродвигателей электровозов серий «ВЛ19, «ВЛ22, «CS), «С°, «С, «ЧС и др. Эти резистивные элементы имеют плоскую, в виде «змейки, форму и отлиты из чугуна с удельным сопротивлением 0,83 - 0,86 ом-мм м. Резистивные элементы закрепляются своими проушинами на изолированных шпильках крепежной рамы и соединяются между собой с помощью токопроводящих шин. Отвод тепла в этих конструкциях осуществляется непосредственно с находящейся под током поверхности резистивного элемента, взаимодействующей с охлаждающим воздухом. Достоинством чугунных литых резистивных элементов является дешевизна и простота изготовления, недостатком - громоздкость, хрупкость, тяжеловесность.
Меньший вес имеют резистивные элементы, выполненные из нихромовой или фехралевой ленты. Среди таких резистивных элементов, реально используемых в цепях электродинамического торможения тяговых электродвигателей электровозов и моторных вагонов электропоездов, наибольшее распространение получили две конструктивные разновидности. Первая разновидность характеризуется зигзагообразным изгибом ленты в виде «гармошки, вторая - намоткой ленты в виде спирали «на ребро.
Например, в 2, с. 16 - 17, рис. 10; с. 54 - 57, рис. 38, 3 описаны конструкции резистивных элементов, предназначенных, в частности, для использования в тормозных резисторах электровозов. Резистивные элементы вьшолнены в виде ленты, изогнутой зигзагообразно (в виде «гармошки) и закрепленной между керамическими изоляторами, нанизанными на шпильки, концы которых прикреплены к боковинам несущей рамы. Отвод тепла в этих конструкциях осуществляется непосредственно с находящейся под током поверхности резистивной ленты, взаимодействующей с охлаждающим воздухом. В конструкциях предусмотрены средства, обеспечивающие возможность компенсация линейного удлинения изоляторов, ленты и шпилек при нагреве. Основным недостатком таких конструкций является недостаточная эффективность теплоотдачи, что, в частности, требует применения принудительного обдува с помощью вентиляционных установок.
Для повышения эффективности теплоотдачи резистивную ленту оснащают турбулизаторами, например как в известных конструкциях 4, 5, или устанавливают резистивную ленту под определенным углом к направлению потока охлаждающего воздуха, например как в конструкции 6, или дополнительно изгибают резистивную ленту на смежных участках и размещают ее в корпусе, выполненном в виде двух коаксиально расположенных колец, в центре которых располагается вентилятор, например как в конструкции 7. Однако, предлагаемые в 4 - 7 конструктивные меры по повышению эффективности теплоотдачи дают сравнительно небольшой и локальный результат, что ограничивает область применения таких конструкций рамками систем с принудительным охлаждением.
Большей эффективностью теплоотдачи обладают конструкции, в которых резистивные элементы выполняются в виде цилиндрической спирали из резистивной ленты, закрепленной «на ребро на соответствующем изоляторе 1, с.280 - 281, рис.185, 2, с. 10 - 16, рис.4, 7, 9, 8. Отвод тепла в этих конструкциях также осуществляется непосредственно с находящейся под током поверхности резистивной ленты, взаимодействующей с охлаждающим воздухом. Конструктивно, резистивные элементы размещаются в модулях, где крепятся с помощью держателей, проходящих внутри изоляторов. В связи с больщей эффективностью теплоотдачи, обеспечиваемой такими конструкциями, они получили наибольшее распространение среди тормозных резисторов, используемых в электровозах, моторных вагонах электропоездов и вагонах метрополитена.
В качестве прототипа заявляемого тормозного резистора выбран тормозной резистор типа «КФ-47А, предназначенный для использования в вагонах метрополитена моделей «81-714.5 и «81-715.5, описанный в 9, с. 73 - 75, рис. 3.36.
Тормозной резистор для вагонов метрополитена, принятый в качестве прототипа, содержит закрепленные на крепежной раме восемь резистивных элементов типа «КФ, представляющих собой цилиндрические спирали из фехралевой ленты, навитые «на ребро на ребристых фарфоровых изоляторах. К концам фехралевой ленты прикреплены наконечники, используемые в качестве токовыводов при осуществлении электрических соединений. Ребристая внещняя поверхность фарфорового изолятора обеспечивает надежное закрепление фехралевой ленты. Внутри фарфорового изолятора выполнен канал для размещения стального держателя. На концах стального держателя выполнены проушины для закрепления на изолированных шпильках крепежной рамы. Крепежная рама выполнена с обеспечением возможности своей подвески под вагоном. Отвод тепла в осуществляется непосредственно с находящейся под током поверхности фехралевой ленты, взаимодействующей с охлаждающим воздз ом.
Достоинством тормозного резистора д.пя вагонов метрополитена, принятого в качестве прототипа, является надежность конструкции и возможность эксплуатации в условиях естественного охлаждения, в том числе при установки под днищем вагона. Недостатком является больщой вес в расчете на один киловатт рассеиваемой мощности (6 н- 8 кГ/кВт) и больщая индуктивность (200 ч- 500 мкГн). Больщой вес обусловлен, в основном, весом спиралей из фехралевой ленты, весом фарфоровых изоляторов и стальных держателей.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание новой разновидности тормозного резистора для вагонов метрополитена, пригодного для установки под днищем вагона, причем в этом тормозном резисторе обеспечивается снижение веса в расчете на один киловатт рассеиваемой мощности и уменьшение индуктивности.
Сущность заявляемой полезной модели состоит в том, что в тормозном резисторе для вагонов метрополитена, содержащем резистивные элементы, электрически соединенные между собой по определенной схеме и закрепленные на опорах, подвешиваемых на изоляторах под вагоном, так, что обеспечивается возможность естественного охлаждения резистивных элементов, в отличие от прототипа, резистивные элементы выполнены в виде трубчатых электронагревателей, закрепленных на опорах концами своих внешних оболочек, при этом отвод тепла осуществляется непосредственно с поверхностей этих внешних оболочек, находящихся в непосредственном взаимодействии с охлаждающим воздухом.
Сущность заявляемой полезной модели и возможность ее практического осуществления поясняются чертежами, представленными на фиг. 1-3.
На фиг. 1 представлен условный пример эквивалентной электрической схемы заявляемого тормозного резистора для вагонов метрополитена;
на фиг. 2 - чертеж, поясняющий схематически пример закрепления трубчатых электронагревателей на опорах (фиг. 2а - вид с торцевой стороны в направлении продольных осей трубчатых электронагревателей, фиг. 26 - фра 5мент вида сбоку в направлении, перпендикулярном направлению продольных осей трубчатых электронагревателей);
на фиг. 3 - чертеж, поясняющий схематически конструкцию трубчатого электронагревателя.
Заявляемый тормозной резистор для вагонов метрополитена (фиг. 1 - 3) в рассматриваемом примере выполнения содержит резистивные элементы 1 (li, Ь, ..., IN), сгруппированные по модулям 2 (2i, 22,...2м), где резистивные элементы 1 закреплены на опорах 3 с образованием жесткой конструкции. Резистивные элементы 1 электрически соединены между собой по определенной схеме (например, как показано на фиг. 1)
и служат для включения в цепь тягового электродвигателя вагона метрополитена при его электродинамическом торможении. Количество резистивных элементов 1 и их параметры (величины сопротивления и рассеиваемой мощности), а также схема соединения в каждом конкретном случае определяются исходя из особенностей конкретного тягового двигателя. Например, тормозной резистор может содержать М  4 модулей 2, а каждый из модулей 2 может содержать N  50 резистивных элементов 1.
Резистивные элементы 1 выполнены в виде трубчатых электронагревателей, которые закреплены иа опорах 3 концами своих внешних оболочек 4 (фиг. 2). Закрепление трубчатых электронагревателей может осуществляться, например, с помощью фигурных скобок или планок 5. Опоры 3 используются также при подвеске всей конструкции под вагоном. Отвод тепла осуществляется непосредственно с поверхностей внещних оболочек 4, находящихся в непосредственном взаимодействии с охлаждающим воздухом.
Конструктивно внешняя оболочка 4 трубчатого электронагревателя (фиг. 3) представляет собой металлическую трубку, изготавливаемую в подавляющем числе практически значимых случаев из нержавеющей стали. Внутри этой трубки, т.е. внутри внешней оболочки 4, расположена проволочная спираль 6, например из нихрома. Внутри оболочка 4 со спиралью 6 заполнена наполнителем 7, например кварцевым песком. Параметры спирали 6 (длина, сечение и материал проволоки), параметры внешней оболочки 4 (длина, наружный и внутренний диаметр) и количество (масса) наполнителя 7 рассчитываются исходя из заданных характеристик трубчатого электронагревателя по току, электрическому сопротивлению и рассеиваемой мощности. С обоих концов внешней оболочки 4 установлены керамические втулки 8, через которые проходят резьбовые стержни 9, соединенные внутри со спиралью 6. Герметизация соединения керамических втулок 8 с внутренней поверхностью внешней оболочки 4
осуществляется с помощью термостойкого герметика, например силиконового. Для дополнительной защиты от воздействия влаги концы внешней оболочки 4 с керамическими втулками 8 и выступающими наружу резьбовыми стержнями 9 изолируются торцевыми изоляционными муфтами 10. Торцевые изоляционные муфты 10 выполняются, например, из силиконовой резины путем полимеризации при термической обработке в соответствующей литьевой форме. Концы резьбовых стержней 9, выступающие из торцевых изоляционных муфт 10, служат для закрепления токопроводящих шин 11, посредством которых осуществляется электрическое соединение трубчатых электронагревателей. Закрепление шин 11 на резьбовых стержнях 9 осуществляется, например как показано на фиг. 3, с помощью гаек 12.
Модули 2 подвешиваются под вагоном на соответствующих изоляторах (на фигурах не показано), резистивные элементы 1 электрически подсоединяются к соответствующим элементам цепи электродинамического торможения тягового электродвигателя.
Как показывают расчеты и проведенная экспериментальная проверка, в заявляемом тормозном резисторе, по сравнению с прототипом, обеспечивается существенное (от пяти до десяти раз) снижение веса в расчете на один киловатт рассеиваемой мощности, а также существенное уменьшение индуктивности (до единиц микрогенри на один модуль). При этом, заявляемая конструкция характеризуется предельной простотой реализации.
Рассмотренное показывает, что заявляемая полезная модель осуществима, промышленно применима и решает поставленную техническую задачу по созданию новой разновидности тормозного резистора для вагонов метрополитена, при этом обеспечивается снижение веса в расчете на один киловатт рассеиваемой мощности и уменьшение индуктивности при одновременном упрощение конструкции. Совокупность положительных качеств заявляемого тормозного резистора обуславливает перспективы по его широкому практическому использованию.
Источники информации
1.В.К. Калинин. Электровозы и электропоезда. М., Транспорт, 1991.
2.А.И. Смирнов, А.Н. Стукалкин. Сопротивления в электрических цепях электровозов. М., Транспорт, 1965.
3.Авторское свидетельство СССР № 660096, кл. Н01 С 3/016, опубл. 30.04.79.
4.Авторское свидетельство СССР № 519770, кл. Н01 С 3/10, Н01 С 1/08, В60 L 7/02, опубл. 30.06.76.
5.Авторское свидетельство СССР № 1532980, кл. Н01 С 3/00, опубл. 30.12.89.
6.Авторское свидетельство СССР № 1188792, кл. Н01 С 3/10, опубл. 30.10.85.
7.Авторское свидетельство СССР № 1327195, кл. Н01 С 3/10, опубл. 30.07.87.
8.Авторское свидетельство СССР № 1647665, кл. Н01 С 3/00, опубл. 07.05.91.
9.Руководство по эксплуатации вагонов метрополитена моделей 81-714.5 и 81715.5 / Акционерное общество «Метровагонмаш. -М.: Транспорт, 1995.