СПОСОБ И УСТРОЙСТВО АВТОНОМНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ АППАРАТУРЫ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ВАГОНА
METHOD AND DEVICE FOR SELF-CONTAINED POWER SUPPLY FOR RAILWAY CAR EQUIPMENT

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта и может быть использовано в качестве автономного источника питания электронной аппаратуры небольшой мощности, устанавливаемой на железнодорожных вагонах.
Известны подвагонные генераторы электрического тока, которые приводятся в действие от усилий вращения колесной пары вагона и являются автономными источниками питания аппаратуры железнодорожного вагона (см. Доценко В.Е. Электрическое оборудование и освещение вагонов. - М.: Транспорт, 1964, с. 142, рис. 109; с. 147, рис. 114; с. 150, рис. 118). Наиболее слабым и повреждаемым звеном таких источников питания являются ленточные и клиноременные приводы, которые часто выходят из строя (см. Терешкин Л.В. Приводы генераторов пассажирских вагонов. - М.: Транспорт, 1990, с. 45, рис. 1).
Известны подвагонные генераторы 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.).
Основными недостатками подвагонного генератора с редукторно-карданным приводом являются большая конструктивная сложность и большое количество деталей, что снижает надежность и повышает стоимость всего устройства. Как следствие, применение таких автономных источников питания не всегда является оправданным.
Известен 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 с 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 (см. патент RU 2094269 «Подвагонный генератор для электроснабжения пассажирских вагонов», опубликован 27.10.1997).
Недостатком известного генератора следует признать сложность его конструкции, что приводит к его невысокой надежности и высокой стоимости.
Известен также генератор электрического тока, используемый в качестве автономного источника электрического тока для вспомогательных систем контроля и связи, используемых на подвижном составе рельсового транспорта, который содержит жестко закрепленную на торце оси колесной пары основу из магнитомягкого материала, на которой размещены магниты, и обмотки, намотанные на элементы, выполненные из магнитомягкого материала и выполненные из токопроводящей проволоки, установленные неподвижно с зазором относительно указанной основы, причем выходы обмоток подключены к коллектору снятия с генератора электрического тока (см., например, патент RU 2377150 «Генератор электрического тока, применяемый на рельсовом транспорте», опубликован 27.12.2009).
Основным недостатком данного вида генераторов является относительная сложность их конструкции, а также то, что постоянные магниты, установленные жестко на оси колесной пары, подвергаются значительным ударам и вибрациям, что может привести к размагничиванию ротора.
Известно также, что в качестве автономного источника питания, например для питания датчиков системы беспроводного контроля нагрева букс, используют высокоемкий литиевый элемент питания, обеспечивающий работу датчика в течение, по меньшей мере, 7 лет (см. патент RU 2413644 «Датчик системы беспроводного контроля нагрева букс», опубликован 10.03.2011).
Недостатками такого решения являются маленький срок службы источников питания, необходимость их периодической замены, высокая трудоемкость обслуживания и значительная зависимость качества функционирования таких систем от человеческого фактора.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является упрощение устройства, повышение надежности и снижение трудоемкости обслуживания.
Указанный технический результат достигается тем, что в качестве генератора тока в способе и устройстве автономного электроснабжения аппаратуры железнодорожного вагона используют твердотельный термоэлектрический преобразователь. Для нагрева одной из его поверхностей до требуемой температуры при движении поезда используют силу трения и усилия вращения колесной пары вагона. Для этого при помощи терморегулируемого устройства прижатия термоэлектрический преобразователь одной поверхностью через фрикционную прокладку прижимают к любой поверхности вращения, связанной с колесной парой вагона. На другой поверхности термоэлектрического преобразователя закрепляют радиатор для обеспечения необходимой разности температур на его поверхностях и его возбуждения.
Сущность изобретения в части способа заключается в том, что согласно изобретению к любой поверхности вращения, связанной с колесной парой вагона, при помощи терморегулируемого устройства прижатия через фрикционную прокладку прижимают термоэлектрический преобразователь для обеспечения нагрева его первой поверхности до требуемой температуры при движении поезда, на другой поверхности термоэлектрического преобразователя закрепляют радиатор для обеспечения необходимой разности температур на поверхностях и его возбуждения. Электрический ток с выхода термоэлектрического преобразователя используют для подзарядки аккумулятора, к выходам которого подключают питаемую аппаратуру.
Сущность изобретения в части устройства заключается в том, что в устройстве автономного электроснабжения аппаратуры железнодорожного вагона, содержащем аккумулятор, генератор электрического тока, устройства преобразования и стабилизации напряжения и тока для заряда аккумулятора, а также устройства для подключения и отключения аккумулятора и питаемой аппаратуры, согласно изобретению в качестве генератора тока используется твердотельный термоэлектрический преобразователь, который прижат при помощи терморегулируемого устройства прижатия одной своей поверхностью через фрикционную прокладку к любой поверхности вращения, связанной с колесной парой вагона, при этом на другой поверхности термоэлектрического преобразователя закреплен радиатор, выходы термоэлектрического преобразователя соединены с входом устройства преобразования и стабилизации напряжения и тока для заряда аккумулятора, выход устройства преобразования и стабилизации напряжения и тока подключен к устройству подключения и отключения аккумулятора и к устройству подключения и отключения питаемой аппаратуры.
В качестве поверхности вращения, связанной с колесной парой вагона, может использоваться, например, поверхность качения колеса или ось колесной пары вагона. В последнем случае фрикционная прокладка выполнена в виде разъемной втулки-накладки, закрепленной на оси колесной пары.
Терморегулируемое устройство прижатия может быть выполнено, например, в виде биметаллической пластины-пружины, которая при движении поезда от сил трения нагревается до необходимой температуры, отгибается и отжимает термоэлектрический преобразователь от поверхности трения. Терморегулируемое устройство прижатия может быть выполнено также с использованием микроконтроллера, датчика температуры и электромагнитных устройств прижатия и отжатия или любым другим способом.
Устройство для подключения и отключения питаемой аппаратуры представляет собой пневматический выключатель, управляющий вход которого подключен к пневматической тормозной магистрали вагона.
Устройство подключения и отключения аккумулятора может быть выполнено в виде разделительного диода.
Заявляемые способ и устройство поясняются чертежами, где:
фиг. 1 - условная кинематическая, функциональная и электрическая схема устройства автономного электроснабжения аппаратуры железнодорожного вагона, где в качестве поверхности вращения используется поверхность качения колеса,
фиг. 2 - функциональная схема устройства автономного электроснабжения аппаратуры железнодорожного вагона,
фиг. 3 - схема, иллюстрирующая использование оси колесной пары в качестве поверхности вращения для нагрева термоэлектрического преобразователя.
Устройство автономного электроснабжения аппаратуры железнодорожного вагона содержит генератор электрического тока, представляющий собой твердотельный термоэлектрический преобразователь 1, который прижат при помощи терморегулируемого устройства прижатия 2 одной своей поверхностью через фрикционную прокладку 3 к любой поверхности вращения 4, связанной с колесной парой вагона, например к поверхности качения колеса (фиг. 1). Терморегулируемое устройство прижатия 2 может быть выполнено, например, в виде биметаллической пластины-пружины (фиг. 1, 3), которая от сил трения разогревается до необходимой температуры, отгибается и отжимает термоэлектрический преобразователь 1 от поверхности трения (поверхности вращения 4). Устройство прижатия 2 крепится к некоторой базе, например к раме 5 тележки.
В качестве поверхности вращения 4, связанной с колесной парой вагона, к которой при помощи терморегулируемого устройства прижатия (биметаллической пластины) 2 одной своей поверхностью через фрикционную прокладку 3 прижимается термоэлектрический преобразователь 1, также может использоваться ось колесной пары вагона (фиг. 3). В этом случае фрикционная прокладка 3 выполнена в виде фрикционной разъемной втулки-накладки, закрепленной на оси колесной пары.
На другой поверхности термоэлектрического преобразователя 1 закреплен радиатор 6. Выходы термоэлектрического преобразователя 1 соединены с входом устройства 7 преобразования и стабилизации напряжения и тока для заряда аккумулятора 8. Выход устройства 7 преобразования и стабилизации напряжения и тока подключен к входам аккумулятора 8 и входам питаемой аппаратуры 9 посредством устройства 10 для подключения и отключения аккумулятора 8 и посредством устройства 11 для подключения и отключения питаемой аппаратуры 9 соответственно.
Устройство 7 преобразования и стабилизации напряжения и тока для заряда аккумулятора 8 выполняют в соответствии с известными техническими решениями, например в соответствии с приведенными в патенте на изобретение RU 2104173 и патенте на полезную модель RU 146904.
Устройство 10 подключения и отключения аккумулятора 8 выполнено, например, в виде разделительного диода.
Устройство 11 подключения и отключения питаемой аппаратуры выполнено в виде пневматического выключателя, управляющий вход которого подключен к пневматической тормозной магистрали вагона (на чертеже не показана) посредством фланца 12.
Предлагаемые способ и устройство работают следующим образом.
В исходном состоянии вагон находится вне состава поезда, аккумулятор 8 заряжен и находится в исправном состоянии, в тормозной магистрали давление отсутствует, электропневматический выключатель 11 находится в выключенном состоянии. Питаемая аппаратура 9 железнодорожного вагона отключена от аккумулятора 8. Термоэлектрический преобразователь 1 и устройство 7 преобразования и стабилизации напряжения и тока для заряда аккумулятора 8 также отключены от аккумулятора посредством разделительного диода 10. Когда вагон включен в состав поезда и в тормозную магистраль подается давление, электропневматический выключатель 11 переходит во включенное состояние, и питаемая аппаратура 9 вагона подключается к аккумулятору 8. Емкость аккумулятора 8 выбирают таким образом, чтобы его энергии было достаточно на все время, пока поезд стоит и в его тормозной магистрали подано давление. Во время движения поезда одна поверхность термоэлектрического преобразователя 1 разогревается, за счет сил трения с соприкасаемой поверхностью вращения 4 (поверхностью колеса или осью колесной пары), другая охлаждается радиатором 6. При разности температур на выходе термоэлектрического преобразователя 1 возникают напряжение и ток, которые поступают на вход устройства 7 преобразования и стабилизации напряжения и тока для заряда аккумулятора 8. При напряжении на его выходе выше выходного напряжения аккумулятора разделительный диод 10 открывается, аккумулятор 8 начинает подзаряжаться. Аппаратура 9 вагона начинает питаться от тока на выходе термоэлектрического преобразователя 1. При разогреве биметаллической пластины 2 выше некоторой расчетной температуры она отгибается и отводит термоэлектрический преобразователь 1 от поверхности трения (поверхности вращения 4). После охлаждения ниже некоторой критической величины пластина 2 приходит в исходное состояние, трение восстанавливается, пластина 2 и соответственно закрепленная на ней сторона термоэлектрического преобразователя 1 вновь начинают нагреваться. За счет этих циклов на разных сторонах термоэлектрического преобразователя 1 устанавливается и поддерживается необходимая усредненная разность температур.
Предлагаемые способ и устройство автономного электроснабжения аппаратуры железнодорожного вагона требуют минимум оборудования и покупных изделий, не имеют сложных сопрягаемых деталей, требующих высокой точности изготовления, и используют для своей реализации твердотельный высоконадежный источник тока без механических деталей. Следовательно, их использование обеспечивает упрощение устройства, повышение надежности и снижение трудоемкости обслуживания.