ДИСКОВЫЙ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ТОРМОЗ
ELECTROMECHANICAL DISC BRAKE

Изобретение относится к тормозным устройствам в подвижных железнодорожных транспортных средствах.
Известен дисковый тормоз железнодорожного транспортного средства, содержащий шарнирно закрепленный на кронштейне рамы тележки тормозной цилиндр, шток которого связан с тормозными колодками через тяги, и клещевые механизмы, а также тормозные диски, закрепленные на оси колесной пары и размещенные между тормозными накладками (Авторское свидетельство СССР №644653, B61H 5/00, B61H 13/20, заявл. 07.09.1977 г. «Дисковый тормоз железнодорожного транспортного средства»).
Прототипом является известный дисковый тормоз железнодорожного транспортного средства, содержащий связанные с опорами рамы тележки клещевые механизмы, тормозной цилиндр, шток которого связан с тормозными накладками через тяги и клещевые механизмы, а также тормозные диски, закрепленные на оси колесной пары и размещенные между тормозными накладками (Патент РФ №2264940, B61H 5/00, B61H 13/20, заявл. 31.03.2004 г. «Узел крепления привода дискового тормоза»).
Недостатки аналога и прототипа заключаются в высокой степени износа тормозных накладок и тормозного диска. Кроме того, значительные затраты расходуются на частое техническое обслуживание и неразрушающий контроль деталей трибопары дисковых тормозов, включающей тормозные накладки и тормозные диски. К настоящему времени соответствующими технологическими инструкциями предусмотрены различные методы неразрушающего контроля: визуальный, вихретоковый, магнитопорошковый и ультразвуковой, что определяет возрастающие расходы на техническое обслуживание.
Целью предлагаемого изобретения является повышение надежности дисковых тормозов, снижение затрат на техническое обслуживание и неразрушающий контроль деталей дисковых тормозов.
Поставленная цель достигается устранением трения элементов тормозного привода с тормозным диском в дисковых тормозах.
Для этого тормозной диск выполнен из магнитного материала в форме полюсов, ориентированных радиально в плоскости тормозного диска и перпендикулярно к оси вращения диска. Вместо клещевых механизмов вводится электромагнит, между полюсами сердечника которого с минимальным рабочим воздушным зазором размещается параллельно плоскостям полюсов сердечника электромагнита плоскость тормозного диска. По окружности рядом с полюсами электромагнита располагают датчики положения полюсов тормозного диска. Посредством коммутационного устройства работой электромагнита управляет управляющее устройство, подключенное своими входами к выходам датчиков положения полюсов тормозного диска, а выходом ко входу коммутационного устройства, подключающего обмотку электромагнита к источнику электропитания.
Прилагаемые чертежи изображают:
Фиг.1 - колесная пара с дисковыми электромеханическими тормозами;
Фиг.2 - вид тормозного диска 3 спереди;
Фиг.3 - вид тормозного диска 3 сбоку;
Фиг.4 - вид электромагнита спереди;
Фиг.5 - вид электромагнита сбоку;
Фиг.6 - вид электромагнита в разрезе А-А на фиг.5;
Фиг.7 - вид дискового электромеханического тормоза спереди;
Фиг.8 - вид дискового электромеханического тормоза сбоку;
Фиг.9 - позиция вращающегося тормозного диска с полюсами 9 вне полюсов 5 сердечника 4 электромагнита;
Фиг.10 - позиция вращающегося тормозного диска 3 с полюсами 9 между полюсами 5 сердечника 4 электромагнита;
Фиг.11 - вариант дискового электромагнитного тормоза с двумя электромагнитами;
Фиг.12 - датчик 7 положения полюсов 9 тормозного диска 3;
Фиг.13 - крупный план ориентации размещения датчиков 7 относительно полюсов 5 сердечника 4 электромагнита и положение полюсов 9 тормозного диска 3;
Фиг.14 - датчики 7, управляющее устройство 14, коммутационное устройство 15, обмотка электромагнита 6, источник электропитания 16 и источник 23 сигнала команды включения торможения.
Перечень элементов на прилагаемых чертежах:
1 - ось колесной пары;
2 - колесо колесной пары;
3 - тормозной диск;
4 - сердечник электромагнита;
5 - полюса на сердечнике 4 электромагнита;
6 - обмотка электромагнита;
7 - датчик положения полюсов 9 тормозного диска 3;
8 - отверстие крепления тормозного диска 3 на оси 1 колесной пары;
9 - полюса тормозного диска 3;
10 - начальный чувствительный элемент датчика 7 положения полюсов 9 тормозного диска 3;
11 - конечный чувствительный элемент датчика 7 положения полюсов 9 тормозного диска 3;
12 - выход начального чувствительного элемента датчика 7 положения полюсов 9 тормозного диска 3;
13 - выход конечного чувствительного элемента датчика 7 положения полюсов 9 тормозного диска 3;
14 - управляющее устройство;
15 - коммутационное устройство;
16 - источник электропитания;
17 - цифровой сигнальный процессор (DSP);
18 - цифровой сигнальный процессор (DSP);
19 - элемент 2ИЛИ;
20 - элемент 2ИЛИ;
21 - триггер RS;
22 - элемент 2И;
23 - источник команды на торможение;
24 - операционный усилитель;
25 - резистор;
26 - транзистор, силовой биполярный с изолированным затвором типа IGBT;
27 - стабилитрон.
Дисковый электромеханический тормоз состоит из тормозного диска 3 (см. фиг.2 и фиг.3); электромагнита, включающего в себя сердечник 4 с полюсами 5 и обмотку 6 (см. фиг.4, фиг.5 и фиг.6); датчиков 7 (см. фиг.12) положения полюсов 9 тормозного диска 3; управляющего устройства 14 (см. фиг.14); коммутационного устройства 15 (см. фиг.14).
Размещение дискового электромеханического тормоза на колесной паре, состоящей из оси 1 и насаженных на нее колес 2, представлено на фиг.1. Дисковый электромеханический тормоз (см. также фиг.4, фиг.5 и фиг.6), включающий в себя электромагнит, состоящий из сердечника 4 с полюсами 5 и обмотки 6, закреплен на раме тележки подвижного средства. На оси 1 колесной пары крепится своим отверстием 8 тормозной диск 3 (см. фиг.2 и фиг.3).
На фиг.7 представлен вид дискового электромеханического тормоза спереди, на котором полюс 9 тормозного диска 3 находится между полюсами 5 сердечника 4 электромагнита. В случае, когда обмотка 6 через коммутационное устройство 15 подключена к источнику электропитания 16 (см. фиг.14), магнитное поле В, создаваемое обмоткой 6 и изображенное жирной пунктирной линией, замыкается через полюса 5, полюс 9 и рабочие воздушные зазоры между ними (см. фиг.7). Тем самым магнитное поле В удерживает тормозной диск 3, передающий тормозное усилие на ось 1 колесной пары.
На фиг.9 изображена позиция тормозного диска 3, вращающегося в направлении по часовой стрелке, обозначенном пунктирными линиями со стрелками, с его полюсом 9 вне полюсов 5 сердечника 4 электромагнита.
На фиг.10 изображена позиции тормозного диска 3, вращающегося в направлении по часовой стрелке, обозначенном пунктирными линиями со стрелками, с одним из его полюсов 9 между полюсами 5 сердечника 4 электромагнита.
На фиг.11 изображен вариант дискового электромеханического тормоза с двумя электромагнитами на одном тормозном диске 3.
Конструкция датчика 7 положения полюсов 9 тормозного диска 3, представленная на фиг.12, включает в себя два чувствительных элемента: чувствительный элемент 10, с выходом 12, который обозначен Н (начало), и чувствительный элемент 11, с выходом 13, который обозначен К (конец).
На фиг.13 крупным планом изображен дисковый электромеханический тормоз. На нем показана ориентация размещения датчиков 7. Особенностью их размещения является расположение датчиков 7 чувствительным элементом 10, с выходом 12, который обозначен Н (начало), дальше от полюсов 5 сердечника 4 электромагнита, а своим чувствительным элементом 11, с выходом 13, который обозначен К (конец), ближе к полюсам 5 сердечника 4 электромагнита.
Такая конструкция датчика 7 и его размещение позволяют определить направление вращения тормозного диска 3 относительно полюсов 5 сердечника 4 электромагнита и положение относительно них полюсов 9 тормозного диска 3 для определения моментов подключения и отключения обмотки 6 коммутационным устройством 15 с помощью управляющего устройства 14.
На фиг.14 изображены датчики 7, управляющее устройство 14, коммутационное устройство 15, обмотка 6 и источник электропитания 16.
Дисковый электромеханический тормоз работает следующим образом.
Во время движения поезда вращаются колесная пара, состоящая из оси 1 и колес 2, и закрепленный на ней тормозной диск 3 (см. фиг.1). При этом управляющее устройство 14 и коммутационное устройство 15 (см. фиг.14) остаются постоянно включенными.
В процессе вращения тормозного диска 3 по часовой стрелке (см. фиг.9, фиг.10 и фиг.13) его полюса 9 периодически помещаются напротив датчиков 7, их начальных чувствительных элементов 10 и конечных чувствительных элементов 11.
В момент положения полюса 9 тормозного диска 3 напротив начального чувствительного элемента 10 датчика 7, размещенного слева от полюсов 5 сердечника 4, как изображено на фиг.9 и фиг.13, на его выходе 12, обозначаемом Н (см. фиг.12), появляется электрический сигнал положительного уровня, соответствующий логической единице.
Этот сигнал с датчика 7, расположенного слева относительно другого датчика 7 на фиг.14, поступает на вход Х1 цифрового сигнального процессора 17. Затем полюс 9, продолжая свое движение, занимает положение и напротив конечного чувствительного элемента 11 датчика 7, вследствие чего на его выходе К появляется электрический сигнал положительного уровня, соответствующий логической единице. Этот сигнал поступает на вход Х2 цифрового сигнального процессора 17. Согласно алгоритму работы цифрового сигнального процессора 17, если вначале появляется сигнал логической единицы на его входе Х1, а затем появляется сигнал логической единицы на его на входе Х2, то в дальнейшем после перехода обоих сигналов до уровня напряжения, близкого к нулю, что соответствует логическому нулю на этих входах сигнального процессора 17, на его выходе V1 формируется прямоугольный электрический сигнал положительной полярности, соответствующий логической единице. Этот сигнал поступает на вход элемента 19, выполняющего логическую функцию 2ИЛИ. С выхода элемента 19 сигнал положительного уровня, соответствующий логической единице, поступает на вход S триггера 21, выполняющего логическую функцию триггера RS. При этом триггер 21 переходит в состояние, при котором на его выходе Q появляется электрический сигнал положительного уровня, соответствующий логической единице. Этот сигнал поступает на вход элемента 22, выполняющего логическую функцию 2И. При необходимости включения режима торможения с выхода источника 23 (см. фиг.14) подается электрический сигнал положительной полярности, соответствующий логической единице, который поступает на другой вход элемента 22 управляющего устройства 14. В этом случае с выхода элемента 22 на вход операционного усилителя 24 коммутационного устройства 15 поступает электрический сигнал положительной полярности. С выхода операционного усилителя 24 через резистор 25 на затвор транзистора 26 поступает напряжение, открывающее транзистор 26, и в результате обмотка 6 электромагнита подключается к источнику электропитания 16. В это время (см. фиг.7 и фиг.8) полюс 9 тормозного диска 3 занимает положение между полюсами 5 сердечника 4 электромагнита. Магнитное поле В, создаваемое обмоткой 6 и изображенное жирной пунктирной линией, проходит по сердечнику 4 через его полюс 5, через рабочий воздушный зазор, полюс 9 тормозного диска 3, через рабочий воздушный зазор и через другой полюс 5 замыкается на сердечник 4 (см. фиг.7). Тем самым магнитное поле В удерживает тормозной диск 3, передающий тормозное усилие на ось 1 колесной пары. В результате движения колесной пары далее, преодолевая тормозной импульс, созданный магнитным полем В, тормозной диск 3 продолжает вращаться и его полюс 9 начинает выходить из-под полюсов 5 сердечника 4 электромагнита. При этом полюс 9 вначале занимает положение напротив конечного чувствительного элемента 11 датчика 7 (расположенного на фиг.14 справа от другого датчика 7), на выходе К которого появляется электрический сигнал положительного уровня, соответствующий логической единице. Этот сигнал поступает на вход Х2 цифрового сигнального процессора 18. Затем полюс 9, продолжая свое движение, занимает положение и напротив начального чувствительного элемента 10 датчика 7, на выходе Н которого появляется электрический сигнал положительного уровня, соответствующий логической единице. Этот сигнал поступает на вход Х1 цифрового сигнального процессора 18. Согласно алгоритму работы цифрового сигнального процессора 18, если вначале появляется сигнал положительного уровня, соответствующий логической единице, на его входе Х2, а затем сигнал положительного уровня, соответствующий логической единице, на входе Х1, то в дальнейшем, после перехода обоих сигналов до уровня напряжения, близкого к нулю, что соответствует логическому нулю на этих входах сигнального процессора 18, на его выходе V2 формируется прямоугольный электрический сигнал положительной полярности, соответствующий логической единице. Этот сигнал поступает на вход элемента 20, выполняющего логическую функцию 2ИЛИ. С выхода элемента 20 сигнал положительного уровня, соответствующий логической единице, поступает на вход R триггера 21, выполняющего логическую функцию триггера RS. При этом триггер 21 переходит в состояние, при котором на его выходе Q сигнал положительного уровня напряжения, соответствующий логической единице, переходит до уровня напряжения близкого к нулю, что соответствует логическому нулю. Этот сигнал логического нуля поступает на вход элемента 22, выполняющего логическую функцию 2И. В результате с выхода элемента 22 на вход операционного усилителя 24 больше не поступает электрический сигнал, открывающий транзистор 26 через резистор 25. Транзистор 26 закрывается и отключает обмотку 6 от источника электропитания 16. При перемещении следующего полюса 9 тормозного диска 3 под полюса 5 сердечника 4 цикл работы процесса торможения повторяется. Этот режим продолжается до тех пор, пока при необходимости выключения режима торможения с выхода источника 23 (см. фиг.14) не прекратится подача электрического сигнала положительной полярности, соответствующего логической единице, который поступал на другой вход элемента 22 управляющего устройства 14. В этом случае с выхода элемента 22 на вход операционного усилителя 24 коммутационного устройства 15 уже не будет поступать электрический сигнал положительной полярности и торможение прекратится, так как обмотка 6 больше не будет подключаться к источнику питания 16 через транзистор 26.
При движении колесной пары и тормозного диска 3 против часовой стрелки (см. фиг.9, фиг.10 и фиг.13) дисковый электромеханический тормоз работает следующим образом. В процессе вращения тормозного диска 3 (см. фиг.9 и фиг.13) против часовой стрелки его полюс 9 вначале занимает положение напротив начального чувствительного элемента 10 датчика 7, размещенного справа от полюсов 5 сердечника 4 на фиг.9 и расположенного справа относительно другого датчика 7 на фиг.14, вследствие чего на его выходе Н появляется электрический сигнал положительного уровня, соответствующий логической единице. Этот сигнал с датчика 7, расположенного справа относительно другого датчика 7 на фиг.14, поступает на вход Х1 цифрового сигнального процессора 18. Затем полюс 9 занимает положение и напротив конечного чувствительного элемента 11 этого датчика 7, вследствие чего на его выходе К появляется электрический сигнал положительного уровня, соответствующий логической единице. Этот сигнал поступает на вход Х2 цифрового сигнального процессора 18. Согласно алгоритму работы цифрового сигнального процессора 18, если вначале появляется сигнал логической единицы на его входе Х1, а затем появляется сигнал логической единицы на его входе Х2, то в дальнейшем после перехода обоих сигналов до уровня напряжения, близкого к нулю, что соответствует логическому нулю на этих входах сигнального процессора 18, на его выходе V1 формируется прямоугольный электрический сигнал положительной полярности, соответствующий логической единице. Этот сигнал поступает на вход элемента 19, выполняющего логическую функцию 2ИЛИ. С выхода элемента 19 сигнал положительного уровня, соответствующий логической единице, поступает на вход S триггера 21, выполняющего логическую функцию триггера RS. При этом триггер 21 переходит в состояние, при котором на его выходе Q появляется электрический сигнал положительного уровня, соответствующий логической единице. Этот сигнал поступает на вход элемента 22, выполняющего логическую функцию 2И. При необходимости включения режима торможения с выхода источника 23 (см. фиг.14) подается электрический сигнал положительной полярности, соответствующий логической единице, который поступает на другой вход элемента 22 управляющего устройства 14. В этом случае с выхода элемента 22 на вход операционного усилителя 24 коммутационного устройства 15 поступает электрический сигнал положительной полярности. С выхода операционного усилителя 24 через резистор 25 на затвор транзистора 26 поступает напряжение, открывающее транзистор 26, и в результате обмотка 6 электромагнита подключается к источнику электропитания 16. В это время (см. фиг.7 и фиг.8) полюс 9 тормозного диска 3 занимает положение между полюсами 5 сердечника 4 электромагнита. Магнитное поле В, создаваемое обмоткой 6 и изображенное жирной пунктирной линией, проходит по сердечнику 4 через его полюс 5, через рабочий воздушный зазор, полюс 9 тормозного диска 3, через рабочий воздушный зазор и через другой полюс 5 замыкается на сердечник 4 (см. фиг.7). Тем самым магнитное поле В удерживает тормозной диск 3, передающий тормозное усилие на ось 1 колесной пары. В результате движения колесной пары далее, преодолев тормозной импульс, созданный магнитным полем В, тормозной диск 3 продолжает вращаться и его полюс 9 начинает выходить из-под полюсов 5 сердечника 4 электромагнита. При этом полюс 9 вначале занимает положение напротив конечного чувствительного элемента 11 датчика 7 (размещенного слева от полюсов 5 сердечника 4 на фиг.13 и расположенного слева от другого датчика 7 на фиг.14), на выходе К которого появляется электрический сигнал положительного уровня, соответствующий логической единице. Этот сигнал поступает на вход Х2 цифрового сигнального процессора 17. Затем полюс 9 занимает положение и напротив начального чувствительного элемента 10 датчика 7, на выходе Н которого появляется электрический сигнал положительного уровня, соответствующий логической единице. Этот сигнал поступает на вход Х1 цифрового сигнального процессора 17. Согласно алгоритму работы цифрового сигнального процессора 17, если вначале появляется сигнал положительного уровня, соответствующий логической единице, на его входе Х2, а затем сигнал положительного уровня, соответствующий логической единице, на входе Х1, то в дальнейшем, после перехода обоих сигналов до уровня напряжения, близкого к нулю, что соответствует логическому нулю, на этих входах сигнального процессора 17, на его выходе V2 появляется прямоугольный электрический сигнал положительной полярности, соответствующий логической единице. Этот сигнал поступает на вход элемента 20, выполняющего логическую функцию 2ИЛИ. С выхода элемента 20 сигнал положительного уровня, соответствующий логической единице, поступает на вход R триггера 21, выполняющего логическую функцию триггера RS. При этом триггер 21 переходит в состояние, при котором на его выходе Q сигнал положительного уровня напряжения, соответствующий логической единице, переходит до уровня напряжения, близкого к нулю, что соответствует логическому нулю. Этот сигнал логического нуля поступает на вход элемента 22, выполняющего логическую функцию 2И. В результате с выхода элемента 22 на вход операционного усилителя 24 больше не поступает электрический сигнал, открывающий транзистор 26 через резистор 25. Транзистор 26 закрывается и отключает обмотку 6 от источника электропитания 16. При перемещении следующего полюса 9 тормозного диска 3 под полюса 5 сердечника 4 цикл работы процесса торможения повторяется. Этот режим продолжается до тех пор, пока при необходимости выключения режима торможения с выхода источника 23 команды на торможение (см. фиг.14) не прекратится подача электрического сигнала положительной полярности, соответствующего логической единице, который поступал на другой вход элемента 22 управляющего устройства 14. В этом случае с выхода элемента 22 на вход операционного усилителя 24 коммутационного устройства 15 уже не будет поступать электрический сигнал положительной полярности и торможение прекратится, так как обмотка 6 больше не будет подключаться к источнику питания 16 через транзистор 26.