УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ БОКСОВАНИЯ ЛОКОМОТИВА

Полезная модель относится к рельсовым транспортным средствам, в частности к устройствам для повышения тягового усилия локомотива за счет предотвращения буксования ведущих колес.
Известно устройство для предотвращения буксования ведущих колес локомотива, применяемое на отечественном электровозе 2ЭС10, и содержащее датчик активной мощности тягового электродвигателя и блок сравнения его с требуемой мощностью (см. Электровоз грузовой постоянного тока с асинхронными электродвигателями. Руководство по эксплуатации, часть 1 2ЭС10.00.000.000 РЭ., ОАО «СТМ», 2009 г., С. 60-61).
Недостатком известного устройства является то, что для снижения активной мощности тягового электродвигателя, вызывающего срабатывание системы, необходимо, чтобы колесная пара начала проскальзывать по рельсу, что ведет к потерям передаваемой энергии и повышенному износу колес и рельсов. Кроме того, для предупреждения буксования указанное устройство снижает заданную для колесной пары силу тяги, что ведет к недоиспользованию мощности локомотива и снижению веса составов, с которыми он может работать на данном участке.
В качестве прототипа предлагаемого изобретения выбрано устройство для предотвращения буксования ведущих колес локомотива в виде группового привода, содержащее осевые редукторы, связанные тягами с рамой тележки, рамный редуктор и карданные валы, соединяющие рамный редуктор с осевыми редукторами (см. Механическая часть тягового подвижного состава». Учебник для… / И.В. Бирюков, и др.; Под редакцией И.В. Бирюкова. М.: Транспорт, 1992. С. 341, рис. 13.40.). При ухудшении сцепления с рельсом одной из колесных пар крутящий момент тягового электродвигате-перераспределяется через рамный редуктор и карданные валы на колесную пару, для которой сцепление с рельсом выше.
Данное устройство использовано на отечественном электровозе ВЛ83 и позволяет повысить коэффициент сцепления локомотива на 6-8% при трогании с места и высоких скоростях движения (см. Развитие локомотивной тяги. / Н.А. Фуфрянский, А.С. Нестрахов, А.Н. Долганов, Н.Н. Каменев, Э.А. Пахомов; Под ред. Н.А. Фуфрянского и А.Н. Бевзенко. - М.: Транспорт, 1982, С. 210, рис. 7.8. б.). Недостатком данного устройства является то, что перераспределение крутящего момента только посредством механической связи колес друг с другом не устраняет возможности буксования локомотива или тележки всеми колесными парами.
Известно, что коэффициент сцепления колеса с рельсом может быть увеличен путем воздействия на место контакта колеса и рельса электрического тока (см. 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.). Воздействие на место контакта колеса и рельса электрического тока использовано в устройстве для повышения коэффициента сцепления ведущих колес автономного локомотива с рельсами, которое содержит тяговые электродвигатели постоянного тока с якорями и последовательными обмотками возбуждения, колесные пары, механически связанные с тяговыми электродвигателями, тяговый генератор, якорь которого подсоединен к электродвигателям, блок сравнения потенциалов, подключенный к тяговым электродвигателям в точках соединения якорей с обмотками возбуждения, канал системы возбуждения генератора и реле буксования, имеющее электрические связи с блоком сравнения потенциалов и каналом системы возбуждения генератора, при этом в случае возникновения буксования одной из колесных пар появляется разность электрических потенциалов точек соединения якорей тяговых электродвигателей с обмотками возбуждения, приводящая к срабатыванию реле буксования, которое посредством канала системы возбуждения тягового генератора снижает его мощность и силу тяги локомотива, обеспечивая прекращение буксования, причем к точкам соединения якорей тяговых электродвигателей с обмотками возбуждения через скользящие контакты подключены колесные пары, которые вместе с рельсами образуют по отношению к указанным точкам соединения короткозамкнутую электрическую цепь, а реле буксования обеспечено выдержкой времени на срабатывание, при этом скользящие контакты и колесные пары снабжены электрической изоляцией от других элементов конструкции тележки локомотива (см. В.И. Лемешко, Д.А. Хохлов, В.И. Воробьев, Д.В. Воробьев, Г.В. Багров, А.И. Ивахин. Устройство для повышения коэффициента сцепления ведущих колес локомотива с рельсами. Патент РФ №2281216, опубл. 10.08.2006.). Недостатком этого устройства является то, что оно не предотвращает буксования полностью, т.к. для создания разности электрических потенциалов точек соединения якорей тяговых электродвигателей с обмотками возбуждения, необходимой для протекания тока через контакты колесных пар и рельсов, необходимо, чтобы одна из колесных пар начала буксовать, ток якоря тягового электродвигателя изменился, и это привело к изменению электрического потенциала на выводах обмотки возбуждения.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, состоит в повышении производительности локомотива за счет снижения ограничений его тягового усилия по условиям сцепления колес с рельсами, снижении потери энергии в тяговом приводе за счет исключения режима буксования, и снижении износа рельсов и колес путем воздействия электрического тока на контакт с рельсом колес колесной пары с ухудшившимися условиями сцепления или обоих колесных пар при снижении тягового усилия до величины, меньше заданной.
Это достигается тем, что в устройстве для предотвращения буксования локомотива, содержащем осевые редукторы, связанные тягами с рамой тележки, рамный редуктор и карданные валы, соединяющие рамный редуктор с осевыми редукторами, размещенные на колесных парах буксовые токосъемные устройства, изолированные от рамы тележки резинометаллическими шарнирами в поводках букс, тягах осевых редукторов и шарнирах карданных валов, и размещенное на раме тележки рельсовое токосъемное устройство, питаемые от источников тока через подчиненную систему регулирования, состоящую из выключателя, регуляторов тока буксовых токосъемных устройств, сигнал на которые поступает от блоков «ИЛИ», на которые поступает сигнал либо от блока сравнения, сравнивающего между собой сигналы датчиков продольного усилия, расположенных на тягах осевых редукторов, либо от ключа, сравнивающего сигнал от сумматора, суммирующего сигналы датчиков продольного усилия, расположенных на тягах осевых редукторов, с сигналом задания величины суммарного продольного усилия, поступающего с блока установки величины суммарной силы тяги.
Предлагаемое устройство для предотвращения буксования локомотива с рельсами (Фиг.) содержит осевые редукторы 1 и 2, связанные тягами 3 и 4 с рамой тележки 5, рамный редуктор 6 и карданные валы 7 и 8, соединяющие рамный редуктор 6 с осевыми редукторами 1 и 2.
На колесных парах 11 и 12 располагаются буксовые токосъемные устройства 9 и 10, изолированные от рамы тележки резинометаллическими шарнирами в поводках букс, тягах 3 и 4 и шарнирах карданных валов 7 и 8, а на раме тележки 5 - рельсовое токосъемное устройство 25. Имеется подчиненная система регулирования, содержащая датчики продольного усилия 15 и 16, размещенные на тягах 3 и 4, блок сравнения БС (17), ключ К (18), блок установки У (19), блоки ИЛИ1 (13) и ИЛИ2 (14), регуляторы тока РТ1 (20) и РТ2 (21), источник тока ИТ1 (22), выключатель ВК (23) и сумматор С (24).
Предлагаемое устройство работает следующим образом. При работе локомотива в режиме выбега выключатель ВК (23) разомкнут, сигналы на регуляторы тока РТ1 (20) и РТ2 (21) не поступают и ток от источника тока ИТ1 (22) через буксовые токосъемные устройства 9 и 10 и рельсовое токосъемное устройство 25 не проходит. Тем самым предотвращается случайное включение устройств усиления коэффициента сцепления при изменении продольных усилий в тягах осевых редукторов вследствие наличия динамических крутящих моментов в приводе и статических крутящих моментов, вызванных разностью диаметров колес. При работе в режиме тяги выключатель ВК (23) замыкается, что позволяет при необходимости подавать ток от источников тока ИТ1 (22) через буксовые токосъемные устройства 9 и 10 и рельсовое токосъемное устройство 25. Крутящие моменты, передаваемые от рамного редуктора 6 карданными валами 7 и 8 на осевые редукторы 1 и 2, создают продольные усилия в тягах 3 и 4. Сигналы от датчиков продольного усилия 15 и 16, пропорциональные усилиям в тягах 3 и 4, поступают на блок сравнения БС (17), который вырабатывает и подает сигнал, равный модулю разности сигналов датчиков продольного усилия 15 и 16 либо на блок ИЛИ1 (13), который подает сигнал на регулятор тока РТ1 (20), если сигнал от датчика 15 меньше сигнала от датчика 16, либо на блок ИЛИ2 (14), который подает сигнал на регулятор тока РТ2 (21), если сигнал от датчика 16 меньше сигнала от датчика 15. Одновременно сигналы от датчиков продольного усилия 15 и 16, пропорциональные усилиям в тягах 3 и 4, поступают на сумматор С (24), который подает на ключ К (18) сигнал, равный сумме сигналов датчиков продольного усилия 15 и 16. Блок установки У (19) вырабатывает сигнал, который пропорционален тяговому усилию тележки, которое задается системой управления. Ключ К (18) сравнивает сигнал с выхода сумматора С (24) и блока установки У (19), и, если сигнал с выхода сумматора С (24) меньше сигнала с выхода блок установки У (19), подает на блоки ИЛИ1 (13), и ИЛИ2 (14), а от них - на регуляторы тока РТ1 (20) и РТ2 (21) сигнал, пропорциональный превышению сигнала с выхода блока установки У (19) над сигналом с выхода сумматора С (24).
При движении локомотива возможны два случая ухудшения сцепления колес с рельсами: ухудшение сцепления одной из колесных пар тележки с рельсами (вследствие неравномерного распределения нагрузки на оси при реализации силы тяги и/или увеличении поперечного скольжения набегающей колесной пары в кривой) и ухудшение сцепления обоих колесных пар тележки (вследствие наличия воды и масла на поверхности рельсов).
В случае ухудшения сцепления одной из колесных пар с рельсом ее относительное скольжение увеличивается, что приводит к перераспределению тягового усилия и тягового момента на колесную пару, имеющую лучшие условия сцепления, т.е. тяговый момент колесной пары с худшими условиями сцепления уменьшается, а с лучшими - возрастает, при этом суммарный тяговый момент на обоих колесных парах не изменяется, а вероятность срыва колесных пар тележки в буксование повышается. При ухудшении сцепления колесной пары 11 с рельсом ее относительное скольжение увеличивается, что приводит к снижению тягового усилия, приходящегося на колесную пару 11, тягового момента в осевом редукторе 1, усилия в тяге 3, и сигнала датчика продольного усилия 15. Когда сигнал датчика продольного усилия 15 становится меньше сигнала датчика продольного усилия 16, блок сравнения БС (17) подает сигнал, равный модулю разности сигналов датчиков продольного усилия 15 и 16 на элемент ИЛИ1 (13) и с него на регулятор тока РТ1 (20), который подает напряжение от источника тока ИТ1 (22) на буксовое токосъемное устройство 9 и рельсовое токосъемное устройство 25, устанавливая величину тока пропорционально модулю разности сигналов датчиков продольного усилия 15 и 16. Ток протекает через буксовое токосъемное устройство 9, контакт «колесо-рельc» и рельсовое токосъемное устройство 25, что приводит к повышению коэффициента сцепления колесной пары 11 с рельсом и восстановлению тягового усилия колесной пары 11, вследствие чего вероятность срыва колесных пар тележки в буксование снижается.
В случае ухудшения сцепления колесной пары 12 с рельсом ее относительное скольжение увеличивается, что приводит к снижению тягового усилия, приходящегося на колесную пару 12, тягового момента в осевом редукторе 2, усилия в тяге 4, и сигнала датчика продольного усилия 16. Когда сигнал датчика продольного усилия 16 станет меньше сигнала датчика продольного усилия 15, блок сравнения БС (17) подает сигнал, равный модулю разности сигналов датчиков продольного усилия 15 и 16 на блок ИЛИ2 (14) регулятор тока РТ2 (21), который подает напряжение от источника тока ИТ1 (22) на буксовое токосъемное устройство 10 и рельсовое токосъемное устройство 25, устанавливая величину тока пропорционально модулю разности сигналов датчиков продольного усилия 15 и 16. Ток протекает через буксовое токосъемное устройство 10, контакт «колесо-рельс» и рельсовое токосъемное устройство 25, что приводит к повышению коэффициента сцепления колесной пары 12 с рельсом и восстановлению тягового усилия колесной пары 12, вследствие чего вероятность срыва колесных пар тележки в буксование снижается.
В случае одновременного ухудшения сцепления колесных пар 11 и 12 с рельсами происходит одновременное снижение тягового усилия обеих колесных пар тележки, снижение тягового момента в осевых редукторах 1 и 2, усилий в тягах 3 и 4, и сигналов датчиков продольного усилия 15 и 16. Вследствие общего увеличения скольжения колесных пар, их тяговые усилия выравниваются, вследствие чего блок сравнения БС (17) не подает сигнала непосредственно на блоки ИЛИ1 (13) и ИЛИ2 (14), а сумматор С (24) подает сигнал, равный сумме сигналов датчиков продольного усилия 15 и 16 на ключ К (18), на который также подается сигнал установки от блока установки У (19), пропорциональный заданному для данного режима движения тяговому усилию. Если суммарное тяговое усилие меньше заданного, то сигнал от сумматора С (24), равный сумме сигналов датчиков продольного усилия 15 и 16, также меньше сигнала от блока установки У (19). В этом случае ключ К (18) подает сигнал на блоки ИЛИ1 (13) и ИЛИ2 (14), а с их выходов - на регуляторы тока РТ1 (20) и РТ1 (21), которые подает напряжение от источника тока ИТ1 (22) на буксовые токосъемные устройства 9 и 10 колесных пар 11 и 12 и рельсовое токосъемное устройство 25, устанавливая величину тока пропорционально разности между уровнем сигнала от блока установки У (19) и суммой сигналов датчиков продольного усилия 15 и 16, т.е. пропорционально разности между заданной и реальной суммарной силой тяги обоих колесных пар. Ток от источника ИТ1 (22) проходит через буксовые токосъемные устройства 9 и 10, контакты «колесо-рельс» обоих колесных пар и рельсовое токосъемное устройство, что приводит что приводит к повышению коэффициента сцепления колесных пар 11 и 12 с рельсом и предотвращает срыв тягового привода в буксование обеими колесными парами.
Технико-экономический эффект заявленной полезной модели заключается в том, что использование устройства для предотвращения буксования локомотива, содержащем осевые редукторы, связанные тягами с рамой тележки, рамный редуктор и карданные валы, соединяющие рамный редуктор с осевыми редукторами, размещенные на колесных парах буксовые токосъемные устройства, изолированные от рамы тележки резинометаллическими шарнирами в поводках букс, тягах осевых редукторов и шарнирах карданных валов, и размещенное на раме тележки рельсовое токосъемное устройство, питаемые от источников тока через подчиненную систему регулирования, состоящую из выключателя, регуляторов тока буксовых токосъемных устройств, сигнал на которые поступает от блоков «ИЛИ», на которые поступает сигнал либо от блока сравнения, сравнивающего между собой сигналы датчиков продольного усилия, расположенных на тягах осевых редукторов, либо от ключа, сравнивающего сигнал от сумматора, суммирующего сигналы датчиков продольного усилия, расположенных на тягах осевых редукторов, с сигналом задания величины суммарного продольного усилия, поступающего с блока установки величины суммарной силы тяги, позволяет повысить производительность локомотива за счет снижения ограничений его тягового усилия по условиям сцепления колес с рельсами, снижении потери энергии в тяговом приводе за счет исключения режима буксования, и снижении износа рельсов и колес путем воздействия электрического тока на контакт с рельсом колес колесной пары ухудшившимися условиями сцепления или обоих колесных пар при снижении тягового усилия до величины, меньше заданной.