УСТРОЙСТВО АВТОНОМНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ АППАРАТУРЫ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ВАГОНА
DEVICE OF AUTONOMOUS POWER SUPPLY OF RAILWAY CAR EQUIPMENT

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта и может быть использовано в качестве автономного источника питания электронной аппаратуры небольшой мощности, устанавливаемой на железнодорожных вагонах.
Известны подвагонные генераторы электрического тока, которые приводятся в действие от усилий вращения колесной пары вагона и являются автономными источниками питания аппаратуры железнодорожного вагона (см. Доценко В.Е. Электрическое оборудование и освещение вагонов. - М.: Транспорт, 1964, с. 142, рис. 109; с. 147, рис. 114; с. 150, рис. 118). Наиболее слабым и повреждаемым звеном таких источников питания являются ленточные и клиноременные приводы, которые часто выходят из строя (см. Терешкин Л.В. Приводы генераторов пассажирских вагонов. - М.: Транспорт, 1990, с. 45, рис. 1).
Известны подвагонные генераторы с редукторно-карданным приводом закрытого типа (см. там же с. 23, рис. 17), к примеру, типа РК (или его модификации: РК-1, РК-1А, РК-6 и др.).
Основными недостатками подвагонного генератора с редукторно-карданным приводом являются большая конструктивная сложность и большое количество деталей, что снижает надежность и повышает стоимость всего устройства. Как следствие, применение таких автономных источников питания не всегда является оправданным.
Известен подвагонный генератор для электроснабжения пассажирских вагонов, содержащий статор, выполненный с трехфазной обмоткой и прикрепленный посредством промежуточного фланца и крепежных элементов к торцу корпуса буксы, ротор, выполненный с короткозамкнутой обмоткой или с постоянными магнитами и жестко связанный с приводной осью колесной пары при расположении вала в направлении указанной оси, герметичный корпус, охватывающий статор и ротор и снабженный наружной и внутренней крышками, коробкой выводов с зажимами и сальником, причем вал ротора выполнен пустотелым с внутренней конической расточкой на конце, предназначенной для соосной посадки на переходную унифицированную гайку крепления подшипникового узла, которая имеет такую же посадочную наружную поверхность, как и вал ротора, и навинчена на шейку оси колесной пары, при этом между ступицей вала и переходной гайкой установлена призматическая шпонка (см. патент RU 2094269 «Подвагонный генератор для электроснабжения пассажирских вагонов», опубликован 27.10.1997).
Недостатком известного генератора следует признать сложность его конструкции, что приводит к его невысокой надежности и высокой стоимости.
Известен также генератор электрического тока, используемый в качестве автономного источника электрического тока для вспомогательных систем контроля и связи, используемых на подвижном составе рельсового транспорта, который содержит жестко закрепленную на торце оси колесной пары основу из магнитомягкого материала, на которой размещены магниты, и обмотки, намотанные на элементы, выполненные из магнитомягкого материала и выполненные из токопроводящей проволоки, установленные неподвижно с зазором относительно указанной основы, причем выходы обмоток подключены к коллектору снятия с генератора электрического тока (см., например, патент RU 2377150 «Генератор электрического тока, применяемый на рельсовом транспорте», опубликован 27.12.2009).
Основным недостатком данного вида генераторов является относительная сложность их конструкции, а также то, что постоянные магниты, установленные жестко на оси колесной пары, подвергаются значительным ударам и вибрациям, что может привести к размагничиванию ротора.
Известно также, что в качестве автономного источника питания, например, для питания датчиков системы беспроводного контроля нагрева букс, используют высокоемкий литиевый элемент питания, обеспечивающий работу датчика в течение, по меньшей мере, 7 лет (см. патент RU 2413644 «Датчик системы беспроводного контроля нагрева букс», опубликован 10.03.2011).
Недостатками такого решения являются малый срок службы источников питания, необходимость их периодической замены, высокая трудоемкость обслуживания и значительная зависимость качества функционирования таких систем от человеческого фактора.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является упрощение устройства, повышение надежности и снижение трудоемкости обслуживания.
Указанный технический результат достигается тем, что в качестве генератора тока в устройстве автономного электроснабжения аппаратуры железнодорожного вагона используют твердотельный термоэлектрический преобразователь. Нагрев одной из его поверхностей до требуемой температуры осуществляют каталитической горелкой, в которой протекает реакция беспламенного горения (каталитическое окисление) топлива. Реакция разогретого до определенной температуры катализатора с топливом сопровождается выделением большого количества тепла, которое твердотельным термоэлектрическим преобразователем преобразуется в электрическую энергию. Для обеспечения начала этой реакции используют предварительный разогрев катализатора посредством специального разогревающего элемента.
Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве автономного электроснабжения аппаратуры железнодорожного вагона, содержащем аккумулятор, генератор электрического тока, устройство преобразования и стабилизации напряжения и тока для заряда аккумулятора, а также устройства для подключения и отключения аккумулятора и питаемой аппаратуры, согласно изобретению в качестве генератора тока используют термоэлектрический преобразователь, одной своей поверхностью соединенный с каталитической горелкой, в состав которой дополнительно введен разогревающий элемент катализатора, и которая через устройство подключения и отключения топливного баллона, управляющий вход которого подключен к тормозной магистрали, подключена к топливному баллону, выход термоэлектрического преобразователя соединен с входом устройства преобразования и стабилизации напряжения и тока, выход которого подключен к управляющему входу устройства подключения и отключения разогревающего элемента катализатора, а также к входу аккумулятора, посредством устройства подключения и отключения аккумулятора, а аккумулятор подключен к входу питаемой аппаратуры посредством устройства подключения и отключения питаемой аппаратуры, управляющий вход которого подключен к тормозной магистрали, при этом один вход разогревающего элемента катализатора подключен к общей шине, а другой вход через рабочие контакты устройства подключения и отключения разогревающего элемента - к шине питания питаемой аппаратуры.
Устройство подключения и отключения питаемой аппаратуры представляет собой электропневматический выключатель, управляющий вход которого подключен к пневматической тормозной магистрали вагона.
Устройство подключения и отключения топливного баллона представляет собой пневматический клапан, управляющий вход которого подключен к пневматической тормозной магистрали вагона.
Устройство подключения и отключения разогревающего элемента представляет собой реле времени с нормально замкнутыми контактами и гарантированной задержкой на их размыкание.
Устройство подключения и отключения аккумулятора выполнено в виде разделительного диода.
Заявляемое изобретение поясняется чертежом, гдеизображена условная функциональная и электрическая схема устройства автономного электроснабжения аппаратуры железнодорожного вагона.
Устройство автономного электроснабжения аппаратуры железнодорожного вагона содержит генератор электрического тока, представляющий собой твердотельный термоэлектрический преобразователь 1, одной своей стороной соединенный с каталитической горелкой 2, в состав которой входят твердотельный катализатор 3 и разогревающий элемент 4. Каталитическая горелка 2 через устройство 5 подключения и отключения топливного баллона соединена с топливным баллоном 6.
Выход термоэлектрического преобразователя 1 соединен с входом устройства 7 преобразования и стабилизации напряжения и тока, выход которого подключен к управляющему входу устройства 8 подключения и отключения разогревающего элемента 4 катализатора 3, а также к входу аккумулятора 9, посредством устройства 10 подключения и отключения аккумулятора. Аккумулятор 9, посредством устройства 11 подключения и отключения питаемой аппаратуры, подключен к входу питаемой аппаратуры 12. Управляющий вход устройства 11 подключения и отключения питаемой аппаратуры подключен к тормозной магистрали 13. Один вход разогревающего элемента 4 катализатора 3 подключен к общей шине, а другой вход - через рабочие контакты устройства 8 подключения и отключения разогревающего элемента - к шине питания питаемой аппаратуры 12.
Устройство 7 преобразования и стабилизации напряжения и тока для заряда аккумулятора 9 выполняют в соответствии с известными техническими решениями, например, в соответствии с приведенными в патенте на изобретение RU 2104173 и патенте на полезную модель RU 146904. Напряжение на его выходе является фиксированным.
Устройство 11 подключения и отключения питаемой аппаратуры представляет собой электропневматический выключатель, управляющий вход которого подключен к пневматической тормозной магистрали 13 вагона.
Устройство 5 подключения и отключения топливного баллона представляет собой пневматический клапан, управляющий вход которого подключен к пневматической тормозной магистрали 13 вагона.
Устройство 8 подключения и отключения разогревающего элемента представляет собой реле времени с нормально замкнутыми контактами и гарантированной задержкой на их размыкание.
Устройство 10 подключения и отключения аккумулятора 9 выполнено в виде разделительного диода.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. В исходном состоянии вагон находится вне состава поезда, аккумулятор 9 заряжен, в тормозной магистрали 13 вагона давление отсутствует, пневматический клапан 5 и электропневматический выключатель 11 находятся в выключенном состоянии. Питаемая аппаратура 12 железнодорожного вагона и разогревающий элемент 4 катализатора 3 отключены от аккумулятора 9. Нормально замкнутые рабочие контакты реле времени 8 находятся в замкнутом состоянии. Термоэлектрический преобразователь 1 и устройство 7 преобразования и стабилизации напряжения и тока для заряда аккумулятора 9 также отключены от аккумулятора 9 посредством разделительного диода 10. При включении вагона в состав поезда тормозная магистраль 13 вагона подключается к тормозной магистрали поезда. При подаче давления в тормозную магистраль 13 вагона электропневматический выключатель 11 и пневматический клапан 5 переходят в рабочее включенное состояние. Разогревающий элемент 4 катализатора 3 через нормально замкнутые контакты реле времени 8 подключается к аккумулятору 9 и начинает разогревать катализатор 3, а в рабочую камеру каталитической горелки 2 начинает поступать топливо. Через некоторое время возникает каталитическая реакция беспламенного горения поступающего топлива, которая сопровождается большим выделением тепла. Одна из сторон термоэлектрического преобразователя 1 нагревается, термоэлектрический преобразователь возбуждается и на его выходах появляются электрический ток и напряжение. Емкость аккумулятора 9 выбирают таким образом, чтобы его энергии было достаточно для разогрева катализатора 3 до рабочей температуры, возникновения каталитической реакции горения поступающего топлива и для возбуждения термоэлектрического преобразователя 1.
Напряжение и ток с выхода термоэлектрического преобразователя 1 поступают на вход устройства 7 преобразования и стабилизации напряжения и тока. При появлении напряжения на выходе устройства 7 контакты реле времени 8 после фиксированной задержки переходят в разомкнутое состояние, отключая подачу питания на разогревающий элемент 4, разделительный диод 10 открывается, и аккумулятор 9 начинает подзаряжаться. Ток на выходе термоэлектрического преобразователя 1 начинает питать аппаратуру 12 вагона и подзаряжать аккумулятор 9.
Предлагаемое устройство автономного электроснабжения аппаратуры железнодорожного вагона не требует сложных сопрягаемых деталей, требующих высокой точности изготовления и большой трудоемкости обслуживания, и использует для своей реализации твердотельный высоконадежный источник тока. Расчеты показывают, что одного баллона топлива емкостью 50 л хватает на год непрерывной работы предлагаемого устройства электроснабжения аппаратуры железнодорожного вагона.
Таким образом, обеспечивается упрощение устройства, повышение надежности и снижение трудоемкости обслуживания.