УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ БУКСОВАНИЯ ЛОКОМОТИВА

Полезная модель относится к рельсовым транспортным средствам, в частности к устройствам для повышения тягового усилия локомотива, а именно маневрового тепловоза, за счет предотвращения буксования ведущих колес.
Известно устройство для предотвращения буксования локомотива, содержащее электромагнит, подключенный к источнику тока (см. Karel Kucera. Electromagnetic adhesion means for railroad locomotives. Патент США US 3307058 А от 20 января 1964 года).
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 (см. 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. №430.01.87.).
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 предотвращения буксования локомотива путем увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами, содержащее разрезное колесо с размещенными внутри электромагнитами (см. John Otto Heinze Jr. Magnetic wheel. Патент США US 709484 A, 24 февраля 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 (см. Wehner David Е. Electromagnetic traction increaser. Патент США US 2198928 А, 2 декабря 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 H 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, (см. Б.П. Цалоев, Г.К. Пиранишвили. Устройство для увеличения сцепления колесной пары электровоза с рельсами. Патент РФ №2055748, опубл. 10.03.1996.).
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 (см. 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 (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). 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).
Известно, что равнодействующая F сил трения в зоне контакта будет равна сумме сил, действующих на единичных неровностях
F=ΣFi=ΣFiмол+ΣFiмex,
где ΣFiмол - сумма сил молекулярной составляющей трения на единичных поверхностях, a ΣFiмex - сумма сил механической составляющей трения на единичных поверхностях. Таким образом, суммарная сила трения зависит от фактической площади касания контактирующих поверхностей, (см. Чичинадзе А.В., Берлинер Э.М., Браун Э.Д. и др., под общ. ред. А.В. Чичинадзе. Трение, износ и смазка (трибология и триботехника). М. Машиностроение, 2003. С. 19).
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 (см. 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.).
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. Отсутствие регулирования тока намагничивающей обмотки приводит к повышенному расходу энергии на создание магнитного потока и при этом не исключает возникновения буксования в случаях, когда при ухудшении условий сцепления (например, прохождение кривых участков пути) магнитный поток оказывается недостаточен для создания достаточной силы трения между колесом и рельсом.
Известно, что маневровые тепловозы развивают расчетную силу тяги, близкую к предельной по условиям сцепления, при небольших скоростях (обычно 9…11 км/ч). При скоростях около 25 км/ч сила тяги маневрового локомотива составляет примерно 10% от сцепного веса локомотива, что практически исключает возможность буксования даже при рельсах, загрязненных маслом. Таким образом, для маневрового локомотива применение устройств, увеличивающих силу сцепления, требуется при скорости движения ниже 25 км/ч.
Техническим результатом заявленной полезной модели является снижение потерь энергии на тягу маневрового локомотива и уменьшения скольжения колес по рельсам за счет того, что ток в намагничивающую обмотку подается только при появлении возможности буксования локомотива и регулируется в зависимости от ухудшения условий сцепления.
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 имеющем ферромагнитные сердечники, размещенные над рельсами с постоянными зазорами между кругами катания колес и рельсами, связанные с буксами, содержит ролик, лежащий на рельсе и связанный с буксой, электропривод подъема ролика, два датчика частоты вращения, один из которых связан с осью колесной пары, а другой с роликом, два усилителя, соединенных с датчиками частоты вращения, при этом коэффициент усиления усилителя, соединенного с датчиком частоты вращения, связанного с осью колесной пары, выше коэффициента усиления усилителя, соединенного с датчиком частоты вращения, связанного с роликом во столько раз, во сколько диаметр колеса колесной пары больше диаметра ролика, два блока сравнения, два блока уставки, два ключа, один из которых находится в цепи питания катушки, а другой в цепи электропривода подъема ролика и размыкатель.
Сущность заявленной полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 2 изображен общий вид устройства для предотвращения буксования локомотива, а на фиг. 3 - разрез по сердечнику устройства для увеличения сцепления ведущих колес локомотива с рельсами.
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 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.
Ролик 10 лежит на рельсе 9 и связан с буксой 8, устройство содержит электропривод 11 подъема ролика 10, датчик частоты вращения 12, связанный с осью 2 колесной пары,, датчик частоты вращения 13, связанный с роликом 10, два усилителя 14 (УС1) и 15 (УС2), соединенных с датчиками частоты вращения соответственно 12 и 13, при этом коэффициент усиления усилителя 14 (УС1), соединенного с датчиком частоты вращения 12, связанного с осью 2 колесной пары, выше коэффициента усиления усилителя 15 (УС2), соединенного с датчиком частоты вращения 13, связанного с роликом 10 во столько раз, во сколько диаметр колеса 1 колесной пары больше диаметра ролика 10, два блока сравнения 16 (БС1) и 17 (БС2), два блока уставки 18 (У1) и 19 (У2), ключ 20 (К1), находящийся в цепи питания катушки 3, ключ 21 (К2), находящийся в цепи электропривода 11 подъема ролика 7 и размыкатель 22.
Устройство предотвращения буксования локомотива работает следующим образом.
При движении маневрового тепловоза с небольшой скоростью ролик 10 катится по рельсу 9 без проскальзывания, поскольку момент сопротивления, создаваемый датчиком частоты вращения 12, незначителен. Датчики частоты вращения 12 и 13 вырабатывают сигналы, пропорциональные скорости движения, которые поступают соответственно на входы усилителей 14 (УС1) и 15 (УС2). Поскольку коэффициент усиления усилителя 14 (УС1), соединенного с датчиком частоты вращения 12, связанного с осью 2 колесной пары, выше коэффициента усиления усилителя 15 (УС2), соединенного с датчиком частоты вращения 13, связанного с роликом 10 во столько раз, во сколько диаметр колеса 1 колесной пары больше диаметра ролика 10, сигналы на выходах усилителей 14 (УС1) и 15 (УС2) одинаковы. Сигналы с выхода усилителей 14 (УС1) и 15 (УС2) поступают на входы блока сравнения 16 (БС1), на еще один вход блока сравнения 16 (БС1) поступает сигнал с выхода блока уставки 18 (У1), соответствующий заданному предельному значению скорсоти скольжения колеса 1 относительно рельса 9, и определяемый по результату тяговых испытаний. Если сигналы с выходов усилителей 14 (УС1) и 15 (УС2) равны, или их разница меньше, чем величина сигнала с выхода блока уставки 18 (УС1), на выходе блока сравнения 16 (БС1) не возникает сигнала.
Сигнал с выхода усилителя 14 (УС1) также поступает на вход блока сравнения 17 (БС2). На другой вход блока сравнения 17 (БС2) поступает сигнал от блока уставки 19 (У2), соответствующий заданному предельному значению скорости, при которой возможно буксование маневрового тепловоза. Если величина сигнала с выхода усилителя 14 (УС1) меньше величины сигнала от блока уставки 19 (У2), на выходе блока сравнения 17 (БС2) сигнала не возникает.
При возникновении буксования соотношение частоты вращения датчиков частоты вращения 12 и 13 перестает быть обратно пропорциональным соотношению диаметров колеса 1 и ролика 10, и между сигналами с выходов усилителей 14 (УС1) и 15 (УС2) возникает разница. Когда разница сигналов с выходов усилителей 14 (УС1) и 15 (УС2) становится больше величины сигнала с выхода блока уставки 18 (У1), на выходе блока сравнения 16 (БС1) возникает сигнал, который поступает на вход ключа 20 (К1), приводит к открытию ключа 20 (К1), и ток от источника питания 4 (ИП) проходит по катушке 3. Катушка 3 создает магнитный поток, который проходит через ось 2, ферромагнитные сердечники 7 и контакт колес 1 с рельсами 9, что приводит к увеличению коэффициента сцепления колес 1 с рельсами 9 и прекращению буксования.
При увеличении скорости движения тепловоза сигнал с выхода усилителя 14 (УС1) становится больше, чем сигнал с выхода блока уставки 19 (У2), на выходе блока сравнения 17 (БС2) появляется сигнал, который поступает на вход ключа 21 (К2), приводит к открытию ключа 20 (К2), и ток от источника питания 4 (ИП) поступает на электропривод 11 подъема ролика 10. Электропривод 11 поднимает ролик 10, прекращая его контакт с рельсом 7 и тем самым предотвращая износ ролика 7 и возможность повреждения ролика 7 от ударов при прохождении неровностей пути на большой скорости. Одновременно ток от источника питания 4 (ИП) поступает на размыкатель 22, который размыкает цепь питания катушки 3 и предотвращает подачу в нее тока при появлении разности сигналов с выходов усилителей 14 (УС1) и 15 (УС2). Таким образом, при движении маневрового тепловоза с большой скоростью, когда буксования не происходит, в колесах и рельсах не наводится вихревых токов.
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, снизить расход энергии на создание магнитного поля, благодаря тому, что магнитное поле создается только при появлении возможности буксования колес, а значения тока поддерживаются на минимально-необходимом уровне, а также уменьшить вероятность буксования за счет прогнозирования возможности его возникновения.