Устройство для предотвращения буксования 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 локомотива, содержащее электромагнит, подключенный к источнику тока (Karel Kucera. Electromagnetic adhesion means for railroad locomotives. Патент США US 3307058 А, 20.01.1964 г.).
Недостатком известного устройства является слабая величина создаваемого магнитного потока, не позволяющая значительно увеличить сцепление колеса с рельсом, в связи с тем, что по требованиям вписывания устройства в габарит подвижного состава между электромагнитом и рельсом должен быть создан значительный воздушный зазор.
Известно устройство для предотвращения буксования локомотива в виде магнитного догружателя рельсового транспортного средства, содержащего 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 (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 г.).
Недостатком указанного устройства является дополнительное сопротивление движению, создаваемое вследствие контакта электромагнита с рельсом, что делает невозможным применение этого устройства на локомотиве в режиме тяги.
Известно устройство для устройство для предотвращения буксования локомотива путем увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами, содержащее разрезное колесо с размещенными внутри электромагнитами (John Otto Heinze Jr. Magnetic wheel. Патент США US 709484 A, 24.02.1902 г.).
Недостатком устройства является его низкая надежность вследствие большой концентрации нагрузок в контакте разрезного колеса с рельсом.
Известно устройство для предотвращения буксования локомотива, содержащее катушку электромагнита, охватывающую диск колеса локомотива по хорде и подключенную к источнику тока (Wehner David Е. Electromagnetic traction increaser. Патент США US 2198928 А, 02.12.1936 г.).
1
1
Недостатком устройства является его недостаточная эффективность, не позволяющая существенно увеличить сцепление колеса с рельсом. При намагничивании колеса катушкой электромагнита К (фиг. 1), вследствие кривизны поверхности колеса по кругу катания, при радиусе колеса R величина расстояния Н между точкой на поверхности обода колеса и рельсом в вертикальном направлении увеличивается в зависимости от расстояния L от точки контакта по формуле . Так при радиусе колеса R=625 мм и L=100 мм расстояние Н равно 8 мм, а при увеличении расстояния вдвое (L=200 мм), расстояние Н становится равным 33 мм, т.е. увеличится вчетверо по сравнению с расстоянием Н. Увеличение расстояния от поверхности рельса до точки на поверхности колеса снижает магнитный поток, проходящий через рельс и колесо в данной точке колеса.
Известно устройство для предотвращения буксования локомотива, 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. (Б.П. Цалоев, Г.К. Пиранишвили. Устройство для увеличения сцепления колесной пары электровоза с рельсами. Патент РФ № 2055748, опубл. 10.03.1996 г.).
Недостаток данного устройства тот же, что и у описанного выше, вследствие того, что размещение катушки на оси колесной пары не устраняет увеличения расстояния между наружной поверхностью колеса в зоне действия магнитного поля и рельсом по мере удаления от точки контакта колеса с рельсом.
Известно (Лужнов Ю.М., Прунцев А.П. Влияние постоянного магнитного поля на трение твердых тел. - Труды МИИТ, 1974, вып. 467), 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 (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). 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 (см. 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).
В качестве прототипа предлагаемой полезной модели выбрано устройство для предотвращения буксования локомотива, содержащее колесную пару, намагничивающую обмотку в виде катушки, выполненную 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, и имеющее ферромагнитные сердечники, размещенные над рельсами с постоянными зазорами между кругами катания колес и рельсами, связанные с буксами (Устройство для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами. Заявка 2015125762/11 (040105) от 29.06.2015. Решение о выдаче патента на полезную модель).
Недостаток прототипа заключается в том, что в нем не предусмотрено регулирование тока намагничивающей обмотки. При движении локомотива закрепленные на буксе ферромагнитные сердечники, через которые проходит магнитный поток, остаются неподвижными относительно колес, совершающих вращательное движение. Одновременно ферромагнитные сердечники движутся поступательно относительно неподвижных рельсов. Это приводит к изменению магнитного потока как в колесах, так и в рельсах, и к появлению в металле колес и рельсов вихревых токов, что создает дополнительные потери энергии на тягу локомотива. Кроме того, отсутствие регулирования тока намагничивающей обмотки приводит к повышенному расходу энергии на создание магнитного потока.
Известно, что при буксовании локомотива в колесных парах локомотива возбуждаются колебания, при которых колеса колесной пары колеблются в противофазе (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.).
Техническим результатом заявленной полезной модели является снижение потерь энергии на тягу локомотива за счет того, что ток в намагничивающую обмотку подается только при буксовании локомотива.
Технический результат достигается тем, что устройство для предотвращения буксования локомотива, содержащее колесную пару, намагничивающую обмотку в виде катушки, выполненную 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, и имеющее ферромагнитные сердечники, размещенные над рельсами с постоянными зазорами между кругами катания колес и рельсами, связанные с буксами, содержит два датчика продольных ускорений, размещенные на разных буксах, инвертор, два многоканальных полосовых фильтра, сумматор, блок установки и ключ.
Сущность заявленной полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 2 изображен общий вид устройства для предотвращения буксования локомотива, а на фиг. 3 - разрез устройства для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами по сердечнику.
Предлагаемое устройство для предотвращения буксования локомотива (фиг. 2, фиг. 3) содержит колесную пару с колесами 1 и осью 2, на которой расположена намагничивающая обмотка в виде катушки 3, выполненной из изолированного провода и подключенной к источнику питания 4 (ИП) с помощью проводов. Катушка 3 установлена на каркасе 5, который неподвижно закреплен на тележке электровоза и расположен соосно с осью колесной пары с зазором, в котором установлены подшипники качения 6, размещенные по торцам каркаса 5 с возможностью вращения оси колесной пары внутри него. Ферромагнитные сердечники 7, связанные с буксами 8, размещены над рельсами 9 по хордам колес 1 колесной пары с постоянными зазорами между кругами катания колес 1 и сердечниками 7 и между сердечниками 7 и рельсами 9. Датчики продольных ускорений 10 и 11 размещены на буксах 8, при этом датчик продольных ускорений 10 соединен со входом полосового фильтра 12 (ПФ1), а датчик продольных ускорений 11 соединен со входом инвертора 13 (И), выход которого, в свою очередь, соединен со входом полосового фильтра 14 (ПФ2). Выходы полосовых фильтров 12 (ПФ1) и 14 (ПФ2) соединены с двумя входами сумматора 15 (С). Третий вход сумматора 15 (С) соединен с выходом блока установки 16 (У), а выход сумматора 15 (С) соединен со входом ключа 17 (К), который находится в цепи источника 4 (ИП).
Устройство для предотвращения буксования локомотива работает следующим образом.
Сигнал от датчика продольных ускорений 10 поступает на вход полосового фильтра 12 (ПФ1), а сигнал от датчика продольных ускорений 11 поступает на вход инвертора 13 (И), который меняет полярность сигнала на противоположную, после чего инвертированный сигнал поступает на вход полосового фильтра 14 (ПФ2). Полосовые фильтры 12 (ПФ1) и 14 (ПФ2) выделяют из сигналов составляющие с частотой, соответствующей частоте собственных колебаний колесной пары при колебаниях колес 1 в противофазе. Сигналы с выходов полосовых фильтров 12 (ПФ1) и 14 (ПФ2) поступают на входы сумматора 15 (С), который суммирует их и сравнивает с сигналом, который вырабатывает блок установки 16 (У) и который соответствует установленному предельному значению уровня колебаний.
При отсутствии буксования колебаний колес 1 колесной пары в противофазе не происходит, и датчики продольных ускорений 10 и 11 вырабатывают сигнал, пропорциональный случайным колебаниям букс 8 в продольном направлении. Благодаря инвертированию сигнала датчика продольных ускорений 11 инвертором 13 (И) составляющие сигналов датчиков продольных ускорений 10 и 11 в полосе частот, соответствующей частоте колебаний колес 1 колесной пары в противофазе, подаются на входы сумматора 15 (С) в противофазе, поэтому подавляют друг друга, и их сумма не превышает сигнала от блока установки 16 (У), на выходе сумматора 15 (С) не появляется сигнала, ключ 17 (К) остается закрыт, и ток от источника питания 4 (ИП) через катушку 3 не проходит.
При возникновении буксования начинаются колебания колес 1 в противофазе. Продольное усилие на каждой из букс 8, передаваемое на раму тележки, равно по величине и противоположно по направлению усилию тяги на ободе колеса со стороны этой буксы, поэтому крутильные колебания колеса приводят к колебаниям усилия тяги на ободе колеса и колебаниям усилия, передаваемого буксой 8 на раму тележки. Поскольку колебания разных колес одной и той же колесной пары происходят в противофазе, то и усилия, передаваемые на раму тележки разными буксами 8 одной и той же колесной пары, будут меняться в противофазе. Поскольку продольная связь между буксой и рамой тележки обладает свойством упругости за счет наличия резинометаллических поводков, шевронных резинометаллических элементов и т.п., то переменные усилия, передаваемые на раму тележки буксами 8, будут вызывать переменную деформацию продольной связи между буксой и рамой тележки, которая, в свою очередь, создает на буксах 8 продольные ускорения с частотой колебаний колес 1. Соответственно, продольные ускорения букс 8, вызванные колебаниями колес 1 при буксовании, также происходят в противофазе, в отличие от продольных ускорений букс 8, вызванных воздействием внешних возмущений в продольном направлении, например, ударами при прохождении рельсовых стыков, которые происходят в фазе. Сигналы датчиков продольных ускорений 10 и 11, соответствующие по частоте и фазе продольным ускорениям букс 8 при колебаниям колес 1, выделяются полосовыми фильтрами 12 (ПФ1) и 14 (ПФ2) и суммируются сумматором 15 (С). Поскольку сигнал от датчика продольных ускорений 11 поступает на полосовой фильтр 14 (ПФ2) через инвертор 13 (И), вследствие чего меняет фазу на противоположную, сигналы, поступающие на вход сумматора 15 (С) с полосовых фильтров 12 (ПФ1) и 14 (ПФ2) оказываются синфазными, благодаря чему амплитуда их суммы превышает сигнал от блока установки 16 (У). На выходе сумматора 15 (С) появляется сигнал, пропорциональный превышению амплитуды суммы сигналов с выходов полосовых фильтров 12 (ПФ1) и 14 (ПФ2) над сигналом от блока установки 16 (У), который поступает на вход ключа 17 (К). Ключ 17 (К) подает на катушку 3 ток, пропорциональный сигналу на выходе сумматора, от источника питания 4 (ИП), вследствие чего возникает магнитный поток, который проходит через ось 2, оба колеса 1 колесной пары, ферромагнитные сердечники 7 и рельсы 9, намагничивая колеса 1 и рельсы 9, приводя к изменению физико-механических свойств контактирующих металлических тел (колес с рельсами), и увеличивая коэффициент сцепления колес 1 с рельсами 9, что вызывает прекращение буксования. После восстановления сцепления колес 1 с рельсами колебаний колес 1 колесной пары в противофазе не происходит, и ток через катушку 3 не проходит. Таким образом, ток через катушку 3 проходит только при возникновении буксования, а величина тока ограничивается уровнем, достаточном для прекращения буксования, поскольку при снижении скорости буксования снижается амплитуда колебаний колес 1 и ток через катушку 3.
Технико-экономический эффект заявленной полезной модели заключается в том, что использование предлагаемого устройства для предотвращения буксования локомотива позволяет снизить потери, вызванные вихревыми токами, наводимыми магнитным полем в колесах и рельсе, а также снизить расход энергии на создание магнитного поля благодаря тому, что магнитное поле создается только в момент буксования колес, а значения тока поддерживаются на минимально-необходимом уровне.