ГЕНЕРАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА, ПРИМЕНЯЕМЫЙ НА РЕЛЬСОВОМ ТРАНСПОРТЕ
ELECTRIC CURRENT GENERATOR FOR RAILWAY TRANSPORT

Изобретение относится к области средств транспорта, а именно к области средств рельсового транспорта, и может быть использовано в качестве источника электрического тока для вспомогательных систем контроля, связи и сигнализации используемых на не электрифицированном подвижном составе рельсового транспорта.
Известно, что все подвагонные генераторы электрического тока приводятся в действие от усилий вращения колесной пары вагона и являются автономными устройствами, обеспечивающими энергоснабжение вагонов.
Известные подвагонные генераторы с приводом, в зависимости от назначения и расположения привода относительно вагонной оси, можно разделить на генераторы с приводом от средней части оси колесной пары вагона (36% парка пассажирских вагонов) и генераторы с приводом от торца шейки оси колесной пары вагона (64% парка пассажирских вагонов).
В свою очередь, все известные подвагонные генераторы с приводом от торца оси колесной пары вагона можно разделить на подвагонные генераторы с приводом, имеющим параллельное расположение ротора генератора относительно оси колесной пары вагона и, соответственно, клиноременный привод (27% вагонов пассажирского парка), и на подвагонные генераторы с приводом, где расположение ротора генератора относительно оси колесной пары вагона перпендикулярно (т.е. под углом 90° и, соответственно, с редукторно-карданным приводом (37% вагонов пассажирского парка).
Работая в исключительно тяжелых условиях, подвагонный генератор и его привод должны быть надежно защищены от повреждений и разрушений, особенно от усилий ударного характера (т.е. все массивные узлы и детали должны быть хорошо сбалансированы и подрессорены), а от внешних воздействий защищены корпусами и кожухами и должны надежно работать в любое время года при непосредственном и постоянном воздействии окружающей среды.
В известных аналогах подвагонных генераторов с приводом собственно сам генератор, в общем случае, содержит следующие основные узлы и детали: корпус с устройством подвески на валу, устройство натяжения, передний и задний подшипниковые щиты с подшипниками и крышками, вал ротора с обмоткой, коллектор и щетки (для генераторов постоянного тока), статор с обмоткой, ведомый шкив на валу или муфту сцепления, вывода, предохранительные скобы, элементы крепления (к примеру: винты, болты, шпильки и пр.).
По своим электрическим данным подвагонные генераторы весьма разнообразны: по мощности, по числу оборотов ротора в минуту, по напряжению, по току, массе, габаритам и пр.
В применяемых на железной дороге системах электроснабжения используют, в основном, следующие генераторы:
постоянного тока с поперечным магнитным полем смешанного возбуждения (т.е. компаудные);
постоянного тока с продольным магнитным полем и параллельным возбуждением (т.е. шунтовые);
индукционные генераторы переменного 3-фазного тока.
(см. Доценко В.Е. Электрическое оборудование и освещение вагонов. М. Транспорт, 1964, с.142, рис.109; с.147, рис.114; с.150, рис.118).
Следует отметить, что известные подвагонные генераторы хорошо защищены от механических и климатических воздействий окружающей среды, и, как показывает эксплуатационный опыт подвагонных генераторов с приводами, наиболее повреждаемым и слабым звеном этого устройства является непосредственно привод подвагонного генератора.
К известным аналогам подвагонных генераторов с приводом от торца шейки оси колесной пары вагона открытого типа относятся следующие:
1. Подвагонный генератор с клиноременным приводом (см. Терешкин Л.В. Приводы генераторов пассажирских вагонов. - М. изд. Транспорт, 1990, с.45, рис.1) и ведущим шкивом, установленным на торце оси колесной пары, с комплектом (обычно 4-5 шт) приводных клиновых ремней к ведомому шкиву и дальше через соединительные фланцы и карданный вал (или промежуточный вал; см. там же, с.6, рис.3) соединены кинематически с валом ротора подвагонного генератора.
Такие известные подвагонные генераторы с клиноременным приводом могут работать при скоростях до 160 км/ч.
Основными недостатками можно признать то, что при увеличении скорости вагона увеличивается проскальзывание ремней на шкивах, и подвагонный генератор не развивает необходимой мощности, и уменьшается его коэффициент полезного действия, при неблагоприятных погодных условиях (во влажную погоду, при попадании снега и льда, пыли, грязи и пр.) нарушается надежность работы, и возможно не только увеличение проскальзывания приводного ремня на шкивах, но и сброс его со шкивов или обрыв ремня, что по своей сути уже является аварией, при резком торможении увеличивается проскальзывание приводного ремня на шкивах и, как следствие, потеря мощности, при работе (особенно в неблагоприятных условиях) происходит преждевременный износ приводных ремней, при увеличении проскальзывания происходит сильный разогрев ремней, что ведет к еще большим потерям и износу, при выходе из строя в комплекте только одного ремня необходимо менять весь комплект клиновых ремней привода полностью.
2. Подвагонный генератор с текстропно-карданным приводом от ведущего шкива на торце оси колесной пары, к примеру: ТК-1 и ТК-2 (см. там же, с.13, рис.12), который отличается лишь наличием промежуточной опоры ведомого вала, который кинематически соединен с карданным валом, передающим вращающий момент на вал ротора подвагонного генератора. Передача номинальной мощности осуществляется при скоростях движения подвижного состава до 160 км/ч.
Основными недостатками такого известного подвагонного генератора с текстропно-карданным приводом являются те же недостатки, а также то, что нормальная работа возможна только при наличии низкооборотного подвагонного генератора (к примеру: 2ГВ 008).
3. Подвагонный генератор с тексотропно-редукторно-карданным приводом от ведущего шкива на торце шейки оси колесной пары, к примеру: ТРКП (см. там же, с.7, рис.4, с.11, рис.8), который отличается от вышеприведенных клиноременных приводов только наличием в кинематической цепи промежуточного одноступенчатого редуктора и более мощного комплекта кордшнуровых клиновых ремней (типа: В 2360Т). Изменение диаметров ведущего и ведомого шкивов, а также наличие редуктора и более мощного комплекта клиновых ремней позволяют передавать номинальную мощность генератору при скоростях движения подвижного состава от 37 до 160 км/ч.
Основными недостатками такого известного подвагонного генератора с текстропно-редукторно-карданным приводом являются те же, и кроме того, наличие реактивного момента редуктора, а также частые неисправности подшипниковых узлов и зубьев передачи редуктора, ослабление и излом болтов подвески генератора, более сложное обслуживание и большая стоимость.
4. Наиболее совершенным устройством такого рода является подвагонный генератор 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.). Приведенные модификации редукторно-карданных приводов отличаются только передаточными отношениями и некоторыми незначительными конструктивными элементами. В подвагонных генераторах с приводами этого типа вращение от торца шейки оси колесной пары к валу ротора генератора передается через конический редуктор (см. там же, с.24, рис.18) и карданный (приводной) вал. Редуктор передает вращательный момент под углом 90° к оси колесной пары и крепится жестко (к примеру: болтами) через промежуточное кольцо к корпусу буксы, а карданный (приводной) вал снабжен для присоединения (к редуктору и генератору) упругими резинометаллическими шарнирами на своих концах. Редуктор, карданный (приводной) вал и генератор устанавливаются под углом 46° к горизонтальной продольной оси тележки вагона (в зависимости от варианта модификации привода).
Для обеспечения безопасности движения подвижного состава на тележке имеются предохранительные устройства в виде скоб и хомутов, которые предохраняют от падения редуктора, карданного (приводного) вала или генератора на путь при аварии (в случае отрыва креплений этих элементов).
Основными недостатками описанного подвагонного генератора с редукторно-карданным приводом являются большая конструктивная сложность, большое количество сложных деталей, более высокая точность изготовления и чистота обработки сопрягаемых деталей, большое количество покупных изделий (подшипников и т.д.), необходимость установки термодатчика для контроля температуры нагрева переднего подшипника в корпусе редуктора (см. стр.30, рис.21, поз.7), значительные габариты не позволяют располагать редуктор, карданный вал и генератор в габаритах ширины вагона, что и вынуждает устанавливать их вдоль тележки вагона, под углом 90° к оси колесной пары, одностороннее расположение генератора с приводом на тележке вагона создает дисбаланс нагрузки на колеса, большое количество предохранительных устройств в виде различных скоб и хомутов и, как следствие, большое количество взаимодействующих деталей и узлов, снижает надежность всего устройства.
Тем не менее приведенный подвагонный генератор с редукторно-карданным приводом, при сравнительной оценке с другими аналогичными устройствами, является наиболее надежной и совершенной конструкцией, работающей в любых условиях эксплуатации и позволяющей передавать значительно большие мощности, чем, к примеру, с клиноременными приводами, при скоростях до 170 км/ч.
Таким образом, почти все вышеприведенные аналоги подвагонных генераторов имеют в своем составе клиноременную передачу, которая является наиболее слабым и несовершенным звеном кинематической цепочки этих устройств, что и определяет их основные недостатки или большую конструктивную сложность.
Известен (RU, патент 2094269) 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 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.
Недостатком известного генератора следует признать сложность его конструкции, что приводит к его невысокой надежности.
Известен также генератор (ЕР, заявка 0518456), который может служить и в качестве датчика скорости осей подвижного состава. Такой генератор является синхронным трехфазным генератором переменного тока (напряжения) и расположен в корпусе (крышке), которая встраивается в буксовый узел колесной пары вагона, причем ротор его крепится с торца оси, установленной в подшипниках качения, при помощи промежуточного торцового диска (со сквозными отверстиями для крепления) и фланца с осью для установки ротора с помощью крепящих элементов (болтов). Фланец имеет выполненные по наружному периметру, с целью защиты от попадания смазки в генератор, маслоудерживащие канавки, а ротор закреплен на нем крепящими элементами (шайбами с болтом). Статор содержит индукционную обмотку, которая закреплена стяжным кольцом. На роторе, по образующей наружного периметра, жестко установлены постоянные магниты. Между полюсной поверхностью статора и полюсной поверхностью ротора образован рабочий воздушный зазор. На верхней части корпуса (крышки) установлен выпрямитель тока и вывода.
Основными недостатками описанного известного генератора можно признать то, что постоянные магниты, установленные жестко на оси колесной пары подвергаются значительным ударам и вибрациям, что может привести к размагничиванию ротора, фланец и корпус (крышка) не имеют лабиринтного уплотнения, а только мазеудерживающие канавки на фланце, что не обеспечивает необходимую защиту обмоток от попадания смазки из подшипников и продуктов износа, глухой корпус (крышка) не обеспечивает доступ к внутренним частям генератора при обслуживании.
Известен (RU, патент 69004) генератор, представляющий собой закрепленный на торце оси колесной пары диск с магнитами, расположенный напротив обмотки проводов, выполненной в виде лепестков на внутренней части крышки буксы.
Недостатком известного генератора следует признать прямую зависимость напряжение генерируемого тока от скорости вращения оси колесной пары, что может привести к выходу из строя оборудования, подключенного к указанному генератору как к источнику электрической энергии.
Техническая задача, решаемая с использованием разработанного изобретения, состоит в разработке электрического генератора нового типа, применяемого на рельсовом транспорте.
Технический результат, получаемый при реализации разработанной конструкции электрического генератора, состоит в обеспечении возможности бесперебойной подачи электрического питания с заданными характеристиками на используемые на подвижном составе рельсового транспорта системы контроля связи и сигнализации.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать генератор электрического тока, содержащий фрикционно-закрепленную на торце оси колесной пары основу из магнитомягкого материала, предпочтительно в форме круга, на которой размещены постоянные магниты, и обмотки, внутри которых расположен элемент, выполненный из магнитомягкого материала, изготовленные из токопроводящей проволоки, установленные, предпочтительно, на пластине из магнитомягкого материала, неподвижно с зазором относительно указанной основы. Преимущественно на основе расположено не менее двух магнитов, при этом генератор обычно содержит не менее двух обмоток. Предпочтительно магниты представляют собой плоские элементы в форме брусков прямоугольного или трапецевидного сечения. Возможно также использование магнитов в форме трапецевидного элемента, основания которого представляют собой дуги окружности. Твердая пластина с высокой коэрцетивной силой, на которой закреплены обмотки, предпочтительно закреплена на корпусе буксы.
Фрикционное закрепление может быть осуществлено, в частности, методом, аналогичным изложенным в известных источниках информации (RU, патент 2109995 или RU, авторское свидетельство 1703873).
Разработанная конструкция электрического генератора способна генерировать электрический ток мощностью 10 Вт и выше.
В дальнейшем изобретение будет иллюстрировано примером реализации.
Для запитывания электрическим током системы контроля состояния вагона и связи, размещенной на товарном вагоне, был использован разработанный для этой цели генератор электрического тока. Указанный генератор электрического тока содержал фрикционно-закрепленную на торце колесной пары непроводящую основу, выполненную из винипласта, на которую был напылен слой пермендюра в форме круга. Фрикционное закрепление осуществлено аналогично автомобильному сцеплению. На слое пермендюра размещены равномерно расположенные 16 магнитных элементов, представляющих собой прямоугольные бруски, выполненные из магнитомягкой стали. Напротив указанного элемента конструкции генератора электрического тока размещены закрепленные на основе, выполненной из магнитомягкого железа, 16 обмоток, внутри каждой из которых установлен элемент, выполненный из магнитомягкого железа. Указанная основа закреплена на корпусе буксы колесной пары. Обращенные друг к другу поверхности как подвижной части генератора, так и неподвижной его части покрыты магнитопроницаемой тонкой пленкой полимерного материала, предохраняющего поверхности магнитов, обмоток и основ от загрязнения, а также от механического воздействия частиц, попадающих в зазор между магнитами и обмотками. Величина указанного зазора составляет не более 1-2 миллиметров. Выводы обмоток выведены наружу и подключены к системе контроля состояния буксы товарного вагона.
Применение именно фрикционного закрепления позволяет повысить надежность работы генератора, принимая на себя резкие ускорения или торможения.
Генератор разработанной конструкции работает следующим образом. Одновременно с вращением колесной пары при движении вагона приходит во вращение и основа с расположенными на ней магнитами. Перемещаясь мимо обмоток, магнитное поле инициирует возникновение в обмотках электрического тока, который и поступает в систему контроля состояния буксы товарного вагона.
Использование генератора указанной конструкции позволяет обеспечить бесперебойную подачу электрического питания на используемые на подвижном составе рельсового транспорта системы контроля связи и сигнализации.