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 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 2ЭС 10.00.000.000 РЭ., ОАО «СТМ», 2009 г, С. 60-61).
Недостатком известного устройства является то, что для снижения 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.
Известно, что при буксовании локомотива возникают колебания с двумя разными частотами, одна из которых соответствует собственной частоте колебаний колес колесной пары, когда колеса колеблются в одной фазе относительно друг друга (колесная пара движется, как одно целое), а другая частота соответствует собственной частоте колебаний колес колесной пары, когда колеса колеблются в противофазе относительно друг друга (колеблются за счет упругости оси, на которой они посажены), при этом возможны случаи, когда колебания возникают только с одной из указанных частот (см. Повышение надежности экипажной части тепловозов: монография. А.И. Беляев, Б.Б. Бунин, С.М. Голубятников и др. Под ред. Л.К. Добрынина. М., Транспорт, 1984, с. 184-185).
Известно устройство для предотвращения буксования ведущих колес локомотива, содержащее колесную пару, магнитоэлектрический датчик сил, размещенный на реактивной тяге осевого редуктора, полосовой фильтр, настроенный на одну из собственных частот колебаний колесной пары, блок сравнения и регулятор, устанавливающий наибольшую величину силы тяги в соответствии с условиями сцепления колеса с рельсом (см. Бурка М.Л., Мельник П.В., Бельмас О.Н. Способ улучшения тяговых свойств локомотивов. Bicник Схiдноукра нського нацiонального унiверситету iм. В. Даля №5 (123), Науковий журнал, часть 1, Луганск, 2008, С. 59-63).
Данное устройство использовано на электровозе EMD АЕМ-7 железных дорог США. Недостаток данного устройства тот же, что и у описанного выше, поскольку регулятор устанавливает наибольшую величину силы тяги в соответствии с условиями сцепления колеса с рельсом, и при ухудшении условий сцепления (мокрые или загрязненные маслом рельсы) снижает силу тяги. В случаях, когда при буксовании возникают только те колебания колесной пары, на которые полосовой фильтр не настроен, устройство не срабатывает и не устраняет буксование.
Известно, что коэффициент сцепления колеса с рельсом может быть увеличен путем воздействия на место контакта колеса и рельса магнитного поля (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), что, в частности, объясняется возникновением магнитопластического эффекта. По данным исследований (см. Делюсто Л.Г. Основы прокатки металлов в постоянных магнитных полях. - М: Машиностроение, 2005, С. 136, таблица 5.1), воздействие магнитного поля на пару трения «сталь по стали» при величине индукции В = 0,45 Тл., приводило к росту коэффициента сцепления с 0,222 до 0,487 при сухих поверхностях, и с 0,2 до 0,571 при наличии смазки.
В качестве прототипа предлагаемой полезной модели выбрано устройство для предотвращения буксования ведущих колес локомотива, содержащее датчик, полосовой фильтр, блок сравнения, регулятор, источник тока и электромагнитный индуктор, при этом датчик выполнен в виде датчика вертикальной виброскорости и размещен на раме тележки, регулятор выполнен в виде ключа, подающего ток от источника тока на электромагнитный индуктор, охватывающий каждое из колес колесной пары, сигнал датчика виброскорости поступает на вход полосового фильтра, сигнал с выхода полосового фильтра поступает на вход блока сравнения, если уровень сигнала с выхода полосового фильтра превышает заданное значение уровня помех, с выхода блока сравнения подается сигнал на ключ, который подает ток от источника тока на электромагнитный индуктор, при этом полосовой фильтр имеет две полосы пропускания частот, одна из которых соответствует частоте колебаний колесной пары, когда колеса колесной пары колеблются в одной фазе относительно друг друга, а другая - частоте колебаний колесной пары, когда колеса колесной пары колеблются в противофазе относительно друг друга (см. Патент на полезную модель №172435, Российская Федерация, МПК В61С 15/08. Устройство для предотвращения буксования локомотива. / Антипин Д.Я., Воробьев В.И., Измеров О.В., Маслов М.А., Корчагин В.О., Бондаренко Д.А., Шорохов С.Г., Чечулин Е.С., Кобищанов В.В.. Опубл. 07.07.2017, бюл. №19.).
Недостатком прототипа является возможность ложного срабатывания устройства при прохождении участка пути с волнообразным износом, со скоростью, когда частота периодических возмущений от пути совпадает с одной из частот колебаний колесной пары. При этом увеличивается расход энергии на тягу поезда, поскольку магнитное поле, создаваемое электромагнитным индуктором, приводит к возникновению вихревых токов в колесе и рельсе и появлению дополнительного сопротивления движению.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, состоит в снижении расхода энергии на тягу поезда за счет исключения ложных срабатываний устройства.
Это достигается тем, что устройство для предотвращения буксования локомотива, содержащее датчик, полосовой фильтр, блок сравнения, регулятор, источник тока и электромагнитный индуктор, при этом датчик выполнен в виде датчика вертикальной виброскорости и размещен на раме тележки, регулятор выполнен в виде ключа, подающего ток от источника тока на электромагнитный индуктор, охватывающий каждое из колес колесной пары, сигнал датчика виброскорости поступает на вход полосового фильтра, сигнал с выхода полосового фильтра поступает на вход блока сравнения, если уровень сигнала с выхода полосового фильтра превышает заданное значение уровня помех, с выхода блока сравнения подается сигнал на ключ, который подает ток от источника тока на электромагнитный индуктор, при этом полосовой фильтр имеет две полосы пропускания частот, одна из которых соответствует частоте колебаний колесной пары, когда колеса колесной пары колеблются в одной фазе относительно друг друга, а другая - частоте колебаний колесной пары, когда колеса колесной пары колеблются в противофазе относительно друг друга, содержит второй датчик виброскорости, расположенный над осью колесной пары, второй полосовой фильтр и делитель, а блок сравнения имеет два входа.
Предлагаемое устройство для предотвращения буксования локомотива с рельсами (Фиг. 1) содержит колесную пару 1, опирающийся на нее тяговый электродвигатель 2, подвешенный с помощью подвески 3 к раме тележки 4, датчик 5, полосовой фильтр 6 (ПФ1) и блок сравнения 7 (БС). Датчик 5 выполнен в виде датчика вертикальной виброскорости и размещен на раме тележки 4. Каждое из колес колесной пары 1 охватывает электромагнитный индуктор 8, питаемый от источника тока 9 (ИТ) через ключ 10 (К).
Устройство содержит датчик 11, выполненный в виде датчика вертикальной виброскорости и размещенный на тяговом электродвигателе 2 над осью колесной пары 1, полосовой фильтр 12 (ПФ2) и делитель 13 (Д), соединенный со вторым входом блока сравнения 7 (БС).
Предлагаемое устройство работает следующим образом. При отсутствии буксования ключ 10 (К) разомкнут, ток от источника тока 9 (ИТ) не проходит через индуктор 8. При начале буксования возникают колебания колесной пары 1, при этом динамические усилия передаются от тягового электродвигателя 2 через подвеску 3 на раму тележки 4, вызывая колебания рамы тележки 4. Колебания рамы тележки 4 вызывают появление сигнала на выходе датчика вертикальной виброскорости 5, сигнал датчика вертикальной виброскорости 5 поступает на вход полосового фильтра 6 (ПФ1), который имеет две полосы пропускания частот, одна из которых соответствует частоте колебаний колесной пары 1, когда колеса колеблются в одной фазе, а другая - частоте колебаний колесной пары 1, когда колеса колеблются в противофазе. На выходе датчика вертикальной виброскорости 11 сигнала не появляется, поскольку буксование колесной пары 1 не вызывает вертикального перемещения колесной пары 1, она остается прижатой к рельсу осевой нагрузкой. Сигнал с выхода полосового фильтра 6 (ПФ1) поступает на вход блока сравнения 7 (БС). Если уровень сигнала с выхода полосового фильтра 6 (ПФ1) превышает заданное значение уровня помех, с выхода блока сравнения 7 (БС) подается сигнал на ключ 10 (К), который подает ток от источника тока 9 (ИТ) на электромагнитный индуктор 8, который, в свою очередь создает магнитный поток в контакте колеса и рельса, что ведет к увеличению коэффициента сцепления и прекращению буксования.
При прохождении волнообразных неровностей пути колебания колесной пары 1 вызывают колебания тягового электродвигателя 2, и от него передаются на датчик вертикальной виброскорости 11, и, через подвеску 3 на раму тележки 4, на датчик вертикальной виброскорости 5. Колебания тягового электродвигателя 2 вызывают появление сигнала на выходе датчика вертикальной виброскорости 11, сигнал датчика вертикальной виброскорости 11 поступает на вход полосового фильтра 12 (ПФ2), который имеет две полосы пропускания частот, одна из которых соответствует частоте колебаний колесной пары 1, когда колеса колеблются в одной фазе, а другая - частоте колебаний колесной пары 1, когда колеса колеблются в противофазе. Сигнал с выхода полосового фильтра 12 (ПФ2) поступает вход делителя 13 (Д). Делитель 13 (Д) ослабляет сигнал в отношении, равном определямому экспериментальным путем отношению уровня колебаний тягового электродвигателя 2 в месте установки датчика вертикальной виброскорости 11 при проезде неровностей пути к уровню колебаний рамы тележки 4 в месте установки датчика вертикальной виброскорости 5, при проезде тех же неровностей пути. С выхода делителя 13 (Д) сигнал поступает на второй вход блока сравнения 7 (БС). Блок сравнения 7 (БС) вычитает сигнал, поступающий с выхода делителя 13 (Д) из сигнала, поступающего с выхода полосового фильтра 6 (ПФ1). Если сигнал, поступающий с выхода полосового фильтра 6 (ПФ1), обусловлен только колебаниями рамы тележки 4 в месте установки датчика вертикальной виброскорости 5, возникшими вследствие проезда неровностей пути, то на оба входа блока сравнения 7 (БС) поступают сигналы одинакового уровня, и после вычитания сигнала с выхода делителя 13 (Д) из сигнала с с выхода полосового фильтра 6 (ПФ1), результирующий сигнал равен нулю, с выхода блока сравнения 7 (БС) не подается сигнал на ключ 10 (К) и на электромагнитный индуктор 8 ток от источника тока 9 (ИТ) не подается.
Технико-экономический эффект заявленной полезной модели заключается в том, что предотвращение ложного срабатывания устройства при прохождении неровностей пути, вызывающих колебания той же частоты, что и колебания колесной пары при буксовании, снижает потери энергии на тягу от вихревых токов, наводимых электромагнитным индуктором в колесе и рельсе, что снижает расходы на эксплуатацию локомотива.