Устройство для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами
DEVICE FOR INCREASING COHESION OF LOCOMOTIVE DRIVING WHEELS WITH RAILS

Изобретение 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 [1]. 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 [2].
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 [3].
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% [4].
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 [5].
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 [6].
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 [7], 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 [8]. 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 [9].
В качестве прототипа предлагаемого изобретения 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 [10].
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 [11].
Известно, что при скольжении колес по рельсу меняется спектральная плотность продольных ускорений колесной пары [12], что вызывает изменения спектральных плотностей продольных ускорений буксы и присоединенных к ней частей экипажа.
Предлагаемое устройство для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами не имеет недостатков известных устройств.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображен общий вид устройства для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами, на фиг. 2 - разрез по А-А, на фиг. 3 - разрез по Б-Б.
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 буксой 4 колесной пары.
При этом один из концов балансира 3 расположен вблизи обода колеса 5, с зазором относительно обода колеса 5, противоположный конец балансира 3 расположен вблизи рельса 6, с зазором относительно рельса 6, балансир 3 связан немагнитным креплением с буксой 4 и рамой тележки 7, ось электромагнита 1 сориентирована вдоль диска колеса. На конце балансира 3 размещен датчик продольных ускорений 8, который соединен со входом измерительного блока 9 (ИБ), с выходом которого соединены входы статистического анализатора сигналов 10 (СА) и полосового фильтра И (ПФ). Выход полосового фильтра соединен с выпрямителем 12, выход которого соединен с одним из входов блока сравнения 13 (БС), второй вход которого соединен с блоком уставки 14 (У). Выходы статистического анализатора сигналов 10 (СА) и блока сравнения 13 (БС) соединены с входами логического элемента «ИЛИ» 15, выход которого соединен с ключом 16 (К), включенный в цепь источника тока 2.
Предлагаемое устройство для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами работает следующим образом. При движении локомотива возникают продольные ускорения буксы 4 колесной пары и связанного с ней балансира 3, которые регистрируются датчиком продольных ускорений 8, связанным со входом измерительного блока 9 (ИБ), на выходе которого возникает сигнал, пропорциональный величине продольных ускорений, который поступает на входы статистического анализатора сигналов 10 (СА) и полосового фильтра 11 (ПФ). При отсутствии скольжения колеса 5 по рельсу 6 сигнал на выходе измерительного блока 9 (ИБ) меняется случайным образом. Статистический анализатор сигналов 10 (СА) определяет статистические характеристики случайного сигнала, сравнивает их с эталонными, и, если расхождение не превышает пороговых значений, определенных в результате испытаний, на его выходе не возникает сигнала. В случае начала проскальзывания колес 5 по рельсу 6 расхождение статистических характеристики случайного сигнала и эталонных превышает пороговое значение, и на выходе статистического анализатора сигналов 10 (СА) появляется сигнал, который поступает на логический элемент «ИЛИ» 15 и с выхода последнего на ключ 16 (К). Ключ 16 (К) открывается и подает ток от источника тока 2 на электромагнит 1. Электромагнит 1 создает магнитный поток, который проходит через балансир 3, обод колеса 5 и поверхность контакта колеса 5 с рельсом 6, что ведет к увеличению коэффициента сцепления между колесом 5 и рельсом 6.
В случае внезапного ухудшения условий сцепления колеса 5 с рельсом 6 скольжение колеса 5 по рельсу 6 возрастает, возникают фрикционные автоколебания колесной пары, которые приводят к периодическим продольным колебаниям буксы 4, балансира 3 и периодическим изменениям сигналов на выходе датчика продольных ускорений 8 и на выходе измерительного блока 9 (ИБ). Периодически изменяющийся сигнал с выхода измерительного блока 9 (ИБ) поступает на вход полосового фильтра 11 (ПФ), который пропускает только сигнал с частотой, соответствующий частоте собственных колебаний колесной пары, во избежание ложных срабатываний устройства. Сигнал с выхода полосового фильтра 11 (ПФ) выпрямляется выпрямителем 12 и поступает на вход блока сравнения 13 (БС), на другой вход которого поступает сигнал от блока уставки 14 (У). Если величина сигнала с выхода выпрямителя 12 больше величина сигнала с выхода блока уставки 14 (У), на выходе блока сравнения 13 (БС) появляется сигнал, который поступает на логический элемент «ИЛИ» 15 и с выхода последнего на ключ 16 (К). Ключ 16 (К) открывается и подает ток от источника питания 2 на электромагнит 1. Электромагнит 1 создает магнитный поток, который проходит через балансир 3, обод колеса 5 и поверхность контакта колеса 5 с рельсом 6, что ведет к увеличению коэффициента сцепления между колесом 5 и рельсом 6, снижению скольжения колеса 5 по рельсу 6 и уменьшению фрикционных автоколебаний колесной пары.
Благодаря тому, что электромагнит 1 расположен на балансире 3, а ось электромагнита 1 сориентирована вдоль диска колеса 5, основная часть магнитного потока, идущего по балансиру, проходит через балансир на колесо, в результате чего увеличивается часть магнитного потока, проходящая через контакт колеса 5 с рельсом 6.
Предполагаемое изобретение обеспечивает получение следующего технического результата. Благодаря расположению конца балансира с зазором вблизи обода колеса и вблизи рельса и ориентации электромагнита на балансире вдоль диска колеса, основная часть магнитного потока, идущего по балансиру, проходит через балансир на колесо, в результате чего увеличивается часть магнитного потока, проходящая через контакт колеса с рельсом и увеличивается коэффициент сцепления между колесом и рельсом, что ведет к повышению производительности локомотива. 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.
Источники информации:
1. 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.
2. John Otto Heinze Jr. Magnetic wheel. Патент США US 709484 A, 24 февраля 1902 г.
3. Wehner David E. Electromagnetic traction increaser. Патент США US2198928 A, 2 декабря 1936 г.
4. 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.
5. Б.П. Цалоев, Г.К. Пиранишвили. Устройство для увеличения сцепления колесной пары электровоза с рельсами. Патент РФ №2055748, опубл. 10.03.1996.
6. Патент на полезную модель №163519, Российская Федерация, МПК В61С 15/08, B60L 15/20. Устройство для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами [Текст] / Воробьев В.И., Новиков В.Г., Измеров О.В., Корчагин В.О., Авдащенко B.C., Моспанова М.Ю. Опубл. 20. 07. 2016, бюл. №20.
7. Лужнов, Ю.М., Прунцев, А.П. Влияние постоянного магнитного поля на трение твердых тел. - Труды МИИТ, 1974, вып. 467.
8. 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.
9. Полетаев В.А., Потемкин Д.А. Энергетический анализ влияния магнитного поля на механические свойства стали. Вестник Ивановского государственного энергетического университета (ИГЭУ). - 2007 №3.- С. 8-11.
10. Karel Kucera. Electromagnetic adhesion means for railroad locomotives. Патент США US3307058 А от 20 января 1964 года.
11. 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.
12. Коропец П.А. Прогнозирование боксования колесных пар локомотива по характеристикам динамических процессов в системе «экипаж-тяговый привод-путь». Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Ростов-на-Дону, 2007 - С. 11-13.