УСТРОЙСТВО ДЛЯ УВЕЛИЧЕНИЯ СЦЕПЛЕНИЯ ВЕДУЩИХ КОЛЕС ЛОКОМОТИВА С РЕЛЬСАМИ
DEVICE FOR INCREASING COHESION OF LOCOMOTIVE DRIVING WHEELS WITH RAILS

Изобретение относится к транспортному машиностроению и касается устройства для повышения тягового усилия локомотива за счет увеличения сцепления ведущих колес с рельсами.
Известен магнитный догружатель рельсового транспортного средства, содержащий 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 [1]. Недостатком указанного устройства является дополнительное сопротивление движению, создаваемое вследствие контакта электромагнита с рельсом, что снижает эффективность устройства на локомотиве в режиме тяги.
Известно устройство для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами, содержащее разрезное колесо с размещенными внутри электромагнитами [2].
Недостатком устройства является его низкая надежность вследствие большой концентрации нагрузок в контакте разрезного колеса с рельсом.
Известно устройство для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами, содержащее катушку электромагнита, охватывающую диск колеса локомотива по хорде и подключенную к источнику тока [3].
Недостатками устройства являются значительный воздушный зазор и магнитное сопротивление, ограниченное пространство для размещения электромагнита, что снижает эффективность использования на локомотиве, не позволяя существенно увеличить сцепление колеса с рельсом, и необходимость больших зазоров между неподвижным электромагнитом и вращающимся колесом, во избежание заклинивания колеса при попадании в зазор камешков балласта и случайно оказавшихся на пути костылей, болтов и гаек.
Испытания тепловоза ТЭМ2УС с катушкой электромагнита, охватывающей диск колеса по хорде, показали увеличение сцепных свойств лишь на 4% [4].
Известно устройство для увеличения сцепления колесной пары электровоза с рельсами, 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 [5].
Недостатком указанного устройства является необходимость применения дополнительных подшипников качения, для ремонта которых требуется расформирование оси, что увеличивает расходы на ремонт в процессе эксплуатации.
Известно устройство для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами, содержащее колесную пару, намагничивающую обмотку в виде катушки, выполненной 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, отличающееся тем, что устройство имеет ферромагнитные сердечники, размещенные над рельсами с постоянными зазорами между кругами катания колес и рельсами, связанные с буксами [6].
Недостаток устройства тот же, что и у приведенного выше, в связи с необходимостью применения дополнительных подшипников качения, для ремонта которых требуется расформирование оси, что увеличивает расходы на ремонт в процессе эксплуатации.
Известно [7], 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 [8]. 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 [9].
В качестве прототипа предлагаемого изобретения выбрано устройство для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами, содержащее электромагниты, подключенные к источнику тока и связанные с балансирами, которые, в свою очередь, связаны с буксами колесных пар [10].
Недостатком прототипа является то, что магнитный поток, создаваемый электромагнитами, замыкается через балансиры и рельс и поэтому почти не проходит через контакт колеса и рельса. В результате в данном устройстве практически не используется указанный выше эффект повышения коэффициента трения между колесом и рельсом при пропускании через поверхность контакта колеса и рельса магнитного потока, и возможность увеличения силы сцепления колеса с рельсом в прототипе ограничена магнитным насыщением рельса и сердечников электромагнитов. Кроме того, постоянное включение электромагнитов вызывает увеличение сопротивления движению вследствие возникновения наводимых магнитным полем вихревых токов в рельсе, и это увеличивает расход энергии на движение локомотива.
Известно, что при скольжении колес по рельсу возникают фрикционные автоколебания колесной пары, представляющие собой периодический процесс с плавно меняющейся амплитудой. При этом усилие тяги на каждом из колес меняется с частотой автоколебаний, что вызывает продольные ускорения буксы и присоединенных к ней частей экипажа [11].
Предлагаемое устройство для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами не имеет недостатков известных устройств.
Предложенное устройство для увеличения сцепления колес локомотива с рельсами позволяет повысить производительность локомотива вследствие увеличения коэффициент сцепления между колесами и рельсами, благодаря увеличению магнитного потока, проходящий через зону контакта колес с рельсам вследствие выполнения балансира зигзагообразной формы с расположением концов балансира вблизи ободов колес. За счет того, что ток в электромагнит подается только в момент проскальзывания колеса по рельсам, снижаются затраты энергии на тягу, из-за сокращения потерь, вызываемых вихревыми токами.
Отличительной особенностью предлагаемого устройства для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами является то, что каждый балансир имеет зигзагообразную форму, с П-образным изгибом посредине балансира и соединен с немагнитной вставкой, концы каждого из балансиров расположены вблизи ободов колес, с зазором относительно ободов колес, при этом один из концов каждого балансира расположен с наружной стороны обода колеса, а противоположный - с внутренней стороны обода колеса, число электромагнитов равно числу балансиров, каждый электромагнит выполнен горизонтальным и расположен на балансире поперек направления движения локомотива, а устройство содержит датчики продольных ускорений, закрепленные на буксах, измерительные блоки, полосовые фильтры, выпрямители, блоки сравнения, блок уставки, логический элемент «ИЛИ» и ключ.
Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображен общий вид устройства для увеличения сцепления колес локомотива с рельсами, а на фиг. 2 - разрез А-А.
Предлагаемое устройство для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами содержит электромагнит 1, подключенный к источнику тока 2 и связанный с балансиром 3, который, в свою очередь, связан с буксами 4 колесных пар.
При этом балансир 3 имеет зигзагообразную форму, с П-образным изгибом посредине балансира 3, и соединен с немагнитной вставкой 5, концы балансира расположены вблизи ободов колес 6 и 7, с зазором относительно ободов колес 6 и 7, при этом один из концов балансира 3 расположен с наружной стороны обода колеса 6, а противоположный - с внутренней стороны обода колеса 7, электромагнит 1 выполнен горизонтальным и расположен на балансире 3 поперек направления движения локомотива. На буксах 4 установлены датчики продольных ускорений 8 и 9, которые соединены со входами измерительных блоков 10 (ИБ1) и 11 (ИБ2), с выходами которых соединены входы полосовых фильтров 12 (ПФ1) и 13 (ПФ2). Выходы полосовых фильтров 12 (ПФ1) и 13 (ПФ2) соединены с выпрямителями 14 и 15, которые, в свою очередь, соединены с блоками сравнения 16 (БС1) и 17 (БС2). Вторые входы блоков сравнения 16 (БС1) и 17 (БС2) соединены с блоком уставки 18 (У), а выходы - со входами логического элемента «ИЛИ» 19, выход которого соединен с ключом 20 (К), включенный в цепь источника тока 2.
Предлагаемое устройство для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами работает следующим образом. Немагнитная вставка 5 предотвращает падение балансира 3 на путь и перекос балансира под действием собственного веса. При движении локомотива возникают продольные ускорения букс 4, которые регистрируются датчикам продольных ускорений 8 и 9, связанными со входами измерительных блоков 10 (ИБ1) и 11 (ИБ2), на выходе которых возникают сигналы, пропорциональные величине продольных ускорений, которые поступает на входы полосовых фильтров 12 (ПФ1) и 13 (ПФ2), которые выпрямляются выпрямителями 14 и 15 и поступают на входы блоков сравнения 16 (БС1) и 17 (БС2). На вторые входы блоков сравнения 16 (БС1) и 17 (БС2) поступает сигнал от блока уставки 18 (У).
При отсутствии скольжения колес 5 по рельсу 6 автоколебания колесных пар не развиваются, вследствие чего продольные ускорения буксы 4 носят случайный характер, и датчики продольных ускорений 8 и 9 подают сигналы с различными частотами, большая часть которых не совпадает с частотой автоколебаний колесной пары. Полосовые фильтры 12 (ПФ1) и 13 (ПФ2), пропускают сигналы только в полосе частот, соответствующей частоте автоколебаний колесной пары, подавляя сигналы с другими частотами, в в результате чего сигналы на выходе выпрямителей 14 и 15 меньше сигнала от блока уставки 18 (У), на выходах блоков сравнения 16 (БС1) и 17 (БС2) не появляется сигналов, блок «ИЛИ» 19 не передает сигналов на ключ 20 (К), и через электромагнит 1 не протекает электрический ток.
При ухудшении условий сцепления колес 6 и 7 с рельсом возникает скольжение одного или обоих колес 6 и 7 по рельсу, вследствие чего развиваются автоколебания колесных пар, приводящие к возникновению продольных периодических ускорений букс 4. На выходе датчика продольных ускорений, находящемся на буксе 4 проскальзывающей колесной пары (датчик 8 и 9 или оба из них, если проскальзывают обе колесные пары) возникает периодический сигнал с частотой, соответствующей частоте автоколебаний колесной пары. В случае, когда сигнал возникает на выходе датчика 8, сигнал поступает на вход измерительного блока 10 (ИБ1) и далее на вход полосового фильтра 12 (ПФ1). Поскольку сигнал имеет частоту, соответствующую частоте автоколебаний колесной пары, он пропускается полосовым фильтром 12 (ПФ1), выпрямляется выпрямителем 14 и поступает на вход блока сравнения 16 (БС1). Как только скорость скольжения колесной пары и амплитуда автоколебаний колесной пары достигают значений, при которых уровень сигнала от выпрямителя 14 на входе блока сравнения 16 (БС1) становится выше уровня сигнала от блока уставки 18 (У), на выходе блока сравнения 16 (БС1) возникает сигнал, который поступает на вход блока «ИЛИ» 19, а с выхода блока «ИЛИ» 19 - на вход ключа 20 (К), который открывается и ток от источника тока 2 проходит через электромагнит 1. В случае, когда сигнал возникает на выходе датчика 9, сигнал поступает на вход измерительного блока 11 (ИБ2) и далее на вход полосового фильтра 13 (ПФ2). Поскольку сигнал имеет частоту, соответствующую частоте автоколебаний колесной пары, он пропускается полосовым фильтром 13 (ПФ1), выпрямляется выпрямителем 15 и поступает на вход блока сравнения 17 (БС2). Как только скорость скольжения колесной пары и амплитуда автоколебаний колесной пары достигают значений, при которых уровень сигнала от выпрямителя 15 на входе блока сравнения 17 (БС2) становится выше уровня сигнала от блока уставки 18 (У), на выходе блока сравнения 17 (БС2) возникает сигнал, который поступает на вход блока «ИЛИ» 19, а с выхода блока «ИЛИ» 19 - на вход ключа 20 (К), который открывается и ток от источника тока 2 проходит через электромагнит 1.
При прохождении тока от источника тока 2 через электромагнит 1, электромагнит 1 создает магнитный поток, который проходит через балансир 3, обода колес 6 и 7, и поверхности контакта колес 6 и 7 с рельсом, что ведет к увеличению коэффициента сцепления между колесами 6 и 7 с рельсом и прекращению скольжения колес 6 и 7 по рельсу. При этом большая часть магнитного потока проходит через контакт колес 6 и 7 с рельсом. Благодаря наличию П-образного изгиба балансира 3, а также того, что балансир 3 имеет зигзагообразную форму, один из концов балансира 3 расположен с наружной стороны обода колеса 6, а противоположный - с внутренней стороны обода колеса 7, электромагнит 1 может быть выполнен с размерами достаточными для создания магнитного потока, вызывающего увеличение коэффициента сцепления.
Предполагаемое изобретение обеспечивает получение следующего технического результата. Выполнение балансира зигзагообразной формы с расположением концов балансира вблизи ободов колес позволяет увеличить магнитный поток, проходящий через зону контакта колес с рельсам, увеличить коэффициент сцепления между колесами и рельсами, тем самым повысив производительность локомотива. Подача тока в электромагнит только в момент проскальзывания колеса по рельсам приводит к снижению затрат энергии на тягу, поскольку при отсутствии проскальзывания не возникает дополнительного сопротивления движению, создаваемого вихревыми токами.
Источники информации:
1. 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.
2. John Otto Heinze Jr. Magnetic wheel. Патент США US709484 A, 24 февраля 1902 г.
3. Wehner David E. Electromagnetic traction increaser. Патент США US2198928 A, 2 декабря 1936 г.
4. Е.А.Ситников, И.Н. Родионов, В.П. Гриневич. Исследования по повышению тяговых свойств маневровых тепловозов путем применения электромагнитного увеличения сцепления и более оптимальных схем соединения тяговых электродвигателей. Отчет ВНИТИ №И-108-82, Коломна, 1982 г, лист 46.
5. Б.П. Цалоев, Г.К. Пиранишвили. Устройство для увеличения сцепления колесной пары электровоза с рельсами. Патент РФ №2055748, опубл. 10.03.1996.
6. Патент на полезную модель №163519, Российская Федерация, МПК В61С 15/08, B60L 15/20. Устройство для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами [Текст] / Воробьев В.И., Новиков В.Г., Измеров О.В., Корчагин В.О., Авдащенко B.C., Моспанова М.Ю. Опубл. 20. 07. 2016, бюл. №20.
7. Лужнов, Ю.М., Прунцев, А.П. Влияние постоянного магнитного поля на трение твердых тел. - Труды МИИТ, 1974, вып. 467.
8. 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.
9. 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.
10. Karel Kucera. Electromagnetic adhesion means for railroad locomotives. Патент США US 3307058 А от 20 января 1964 года.
11. 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.