УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ БОКСОВАНИЯ КОЛЕСНЫХ ПАР НА ЛОКОМОТИВАХ С ТЯГОВЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

Полезная модель относится к железнодорожному транспорту и предназначено для использования на транспортных средствах с тяговыми двигателями постоянного тока.
Полезная модель может быть использована при защите колесных пар локомотивов от боксования, возникающего при ускорении движения транспортного средства и при «юзе» в режиме рекуперативного торможения или замедлении движения.
Известны различные методы обнаружения боксования и юза колес, которые базируются на принципе измерения и последующего сравнения скоростей вращения колесных пар (ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ОБНАРУЖЕНИЯ И ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ БОКСОВАНИЯ ТЯГОВОГО РЕЛЬСОВОГО ТРАНСПОРТА, Павленко А.П., докт. техн. наук, Кийко А.И., ДИИТ, Ивахненко В.Н., Садило А.В., ЮЖД). В патентах США №№5,610,819, 6,208,097 и 6,012,011 описывается использование измерений тока тягового двигателя, частоты вращения тягового двигателя и использование тахометров на ведущих осях.
Известны датчики обнаружения боксования, использующие разность между скоростями вращения колесных пар, вращающихся с самой большой скоростью и с самой малой скоростью (см. патенты США №№3,210,630; 4,075,538; и 4,588,932). Эта разность является действительной мерой боксования до тех пор, пока одна колесная пара испытывает боксование, а другая - нет. Но если все колесные пары вращаются с одной и той же скоростью, разность будет нулевой, и поэтому не может отражать наступление боксования или юза.
Боксование каждого колеса может быть точно определено путем сравнения скорости оси колесной пары с действительной скоростью транспортного средства относительно поверхности. Но это требует оборудования транспортного средства соответствующими устройствами для регистрации скорости, таких как радары (которые дороги, и требуют постоянной перекалибровки для устранения ошибок, вызванных вибрациями или износом колес).
Все эти датчики имеют следующие недостатки:
1) имеют сравнительно низкую чувствительность (обнаруживают боксование, когда процесс уже достаточно развился и для его прекращения необходим сброс позиций контроллера машиниста);
2) не работоспособны при синхронном боксовании колесных пар;
3) накладывают жесткие требования на различие диаметров колес и разброс характеристик ТЭД смежных колесных пар.
Известны датчики обнаружения боксования, использующие в качестве сигнала наступления боксования быстрые изменения скорости колес, превышающие заданный уровень (патенты США №№4035698, 4065975,). Для этого, сигнал с датчика скорости подается на обрабатывающее устройство, вычисляющее производную этого сигнала  представляющую собой ускорение колесной пары. При этом в качестве датчиков скорости используются механические или электромеханические устройства. Электромеханические типы устройств являются аналоговыми устройствами, которые управляются сигналами, генерируемыми преобразователями переменного тока. Устройства механического типа аналогичны спидометрам, используемым в автомобилях, и могут быть выполнены, например, в виде диска с метками. Такие устройства имеют много недостатков при их использовании в датчиках обнаружения боксования. Аналоговые устройства имеют колебания стрелки, снижая точность индикации скорости, кроме того, они имеют проблемы калибровки, из-за ударов и вибраций, присущих движущемуся рельсовому транспортному средству. Диски с метками имеют также низкую точность, т.к. имеют 72 метки на один оборот колеса, и не могут индицировать быстрые изменения скорости. Все это обеспечивает низкую чувствительность и датчик обнаруживает возникновение боксования на той стадии, когда избыточная скорость уже сильно возросла. Однако любые малейшие изменения скорости требуют внимания, т.к. они могут быть вызваны изменениями в ускорении вследствие начала боксования.
Задача полезной модели - повышение чувствительности датчика обнаружения боксования, обеспечивающее выявление боксования на более ранней стадии при меньшей избыточной скорости боксующей колесной пары, по сравнению с существующими устройствами. При этом снижается износ бандажей колес, поверхности катания рельса, и улучшаются тяговые свойства локомотива.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве обнаружения боксования, содержащем датчики контроля скорости ТЭД, соединенные с обрабатывающим устройством, обеспечивающим сигнал о начале боксования, в качестве датчиков скорости используются датчики искрения УКИ по патенту РФ на полезную модель №67284, выполненные на основе разрезной щетки с измерительным токовым трансформатором, установленные на щеткодержателях коллекторно-щеточных узлов всех тяговых двигателей локомотива, а обрабатывающее устройство содержит блок определения
скорости вращения каждого ТЭД по сигналу УКИ, блок вычисления второй производной от указанной скорости и блок управления и сигнализации о начале боксования.
Далее сущность полезной модели поясняется рисунками, на которых представлено:
Фиг.1 - общая структурная схема устройства обнаружения боксования; фиг.2 - временные диаграммы, показывающие сигнал с датчика УКИ; и фиг.3 - сигналы, получаемые с устройства обнаружения боксования.
Устройство обнаружения боксования состоит из устройств контроля искрения (УКИ) 1, установленных на щеткодержателях каждого из тяговых двигателей локомотива, соединенных с обрабатывающей схемой 2. Обрабатывающая схема 2 включает блок определения скорости вращения 3 каждого тягового двигателя по сигналу УКИ, блок вычисления второй производной 4 от указанной скорости, и блок управления и сигнализации о начале боксования 5. Полученный сигнал поступает на вход системы управления локомотивом 6.
Устройство контроля искрения УКИ (патент на полезную модель РФ №67284) представляет собой трансформатор тока установленный на одном из щеткодержателей ТЭД, содержит две первичные обмотки, включенные встречно, при этом выводные канатики разных частей разрезной щетки подключаются к разным первичным обмоткам, а общая точка первичных обмоток соединена со щеткодержателем. Во вторичную обмотку трансформатора включено нагрузочное сопротивление, параллельно которому подключен регистрирующий прибор. На фиг.2 представлена типичная осциллограмма сигнала, полученного с устройства УКИ. Переходы показанной осциллограммы через ноль соответствуют переходу разрезной щетки данного устройства с одной коллекторной пластины на другую, число этих переходов через ноль за единицу времени соответствует скорости вращения якоря двигателя. При этом щеточно-коллекторные узлы современных ТЭД (например, ТЛ2К) содержат 525 коллекторных пластин, приходящихся на один оборот. Поэтому здесь скорость измеряется с высокой точностью, в отличие от устройств измерения скорости, имеющих 72 метки на один оборот. Измерение скорости вращения с помощью устройства УКИ устраняет необходимость установки дополнительных датчиков скорости на осях или валах двигателей.
Устройство работает следующим образом: Сигнал УКИ, показанный на фиг.2, постоянно поступает на вход обрабатывающего устройства 2 с каждого из тяговых двигателей во время движения транспортного средства. В схеме обработки 2, блок определения скорости вращения 3 постоянно выделяет первую гармонику этого сигнала, блок вычисления второй производной 4 вычисляет вторые производные от выделенной частоты (вид сигнала с устройства обработки показан на фиг.3). Физическая сущность второй производной сигнала скорости - скорость изменения ускорения вращения якоря тягового двигателя (или «рывок»). Если изменений
ускорения не происходит, то на выходе блока 4 сигнал отсутствует, при малейших изменениях скорости (см график (а) на фиг.3) или ускорения (график b на фиг.3), на выходе устройства 2 возникает импульс (см. график (с) на фиг.3), поступающий на вход блока управления и сигнализации о начале боксования 5. Блок 5 по наличию и величине этого сигнала формирует сигнал о боксовании соответствующей колесной пары, который поступает в систему управления локомотивом 6.
Применение в устройстве обнаружения боксования устройства контроля искрения УКИ устраняет необходимость в установке дополнительных датчиков на ведущих осях или валах двигателей, повышает чувствительность обнаружения боксования, позволяя обнаруживать наступление боксования на более ранних стадиях, когда избыточная скорость боксующей пары проявится только в «рывках», поэтому проще устранить начинающийся процесс боксования. При этом снижается износ бандажей колесных пар, износ поверхности катания рельса, и улучшаются тяговые свойства локомотива.