Admin

Магнитное усиление сцепления колес локомотива с рельсами при осевом намагничивании

А.С. КОСМОДАМИАНСКИИ, РУТ (МИИТ), ВЮ. КОРЧАГИН, РУТ (МИИТ), В.ИТвдРОБЬЕВ, БГТУ

Аннотация. Рассмотрены конструкции магнитных усилителей сцепления колёс локомотива с рельсами при хордовом, осевом и центральном намагничивании. Построены схемы замещения магнитных цепей трёхосной и двухосной тележек локомотива, оборудованных индукторами. Выполнено сравнение, приведены основные конструкционные и эксплуатационные достоинства и недостатки каждого принципа расположения индуктора. Осевое и центральное намагничивание наиболее подходит для магнитных усилителей сцепления. В программном комплексе Ansys Maxwell определены параметры магнитного поля, рассчитаны характеристики магнитных усилителей сцепления для насыщенного состояния области контакта колёс локомотива с рельсами.

ВВЕДЕНИЕ

Недостающее сцепление колеса локомотива с рельсом компенсируется различными способами: использованием в области контакта третьего тела, перераспределением тяговых усилий между осями, догружением колёс, регулированием осевых нагрузок, изменением профиля колеса и рельса, изменением свойств области контакта между колесом и рельсом за счёт воздействия физических полей. Последний способ исследован в меньшей степени, к нему относится использование магнитных полей [1].
Ранее магнитные усилители сцепления устанавливались на паровозах серии СО, электровозах ВЛ 23, а также тепловозе ТЭМ2УС-001, изготовленном на Брянским машиностроительным заводом в 1978 году [2]. Исследования электромагнитного увеличения сцепления колёс тепловоза ТЭМ2УС показали необходимость провести анализ магнитной цепи тележки, позволяющий определить распределение магнитных потоков по колёсным парам.
В данной статье рассмотрен ряд вопросов, актуальность которых была обозначена в 1980-х годах и сохранилась по настоящее время. Проведено исследование магнитных цепей трехосных и двухосных тележек локомотива, объяснены причины низкой эффективности хордового намагничивания, даны альтернативные технические решения осевого намагничивания и выбраны наиболее пригодные для применения в условиях реальной эксплуатации.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В XX веке исследователи сцепления колёс с рельсами при расчёте магнитных полей могли пользоваться преимущественно классическими методами. В таких условиях глубокий анализ магнитного поля в ферромагнетиках сложной формы практически невозможен, а для использования численных методов требовался значительный опыт и интуиция. Не смотря на то, что советские учёные ещё в первой половине XX века разработали метод конечных элементов, в локомотивном хозяйстве он не использовался, широкое внедрение метод получил после развития вычислительной техники.
В данной статье магнитные цепи тележек локомотива рассчитаны с использованием программного комплекса Ansys Maxwell, который хорошо зарекомендовал себя в анализе магнитных полей. Рассмотрено три конструкции магнитных усилителей сцепления с: хордовым, осевым и центральным позиционированием индуктора. В расчётных магнитных цепях источники намагничивающей силы F создают магнитные потоки Ф, которые протекают через следующие магнитные сопротивления: Rrb — рама тележки, тяговые двигатели, редукторы, буксовые узлы и элементы рессорного подвешивания; RA — оси колёсных пар; Rw — колёса; Rr — рельсы; RAC — области контакта колеса с рельсом [3].

ХОРДОВОЕ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЕ

Хордовое (опоясывающее) позиционирование позволяет область контакта колеса с рельсом подключить последовательно с источником намагничивающей силы. При этом через область контакта проходит основной магнитный поток. Схема замещения магнитной цепи трёхосной тележки локомотива при хордовом намагничивании приведена на рис. 1.


Распределение магнитного поля в трёхосной тележке локомотива при хордовом позиционировании показано на рис. 2.
На рисунке цветами показана величина индукции магнитного поля в элементах тележки и верхнего строения пути. Условное обозначение представлено в виде спектра: тёплым оттенкам соответствуют значительные значения индукции, холодным - малые. Таким образом, красным цветом показаны насыщенные области магнитной цепи, синим цветом — ненамагниченные области.
При хордовом позиционировании обмотка катушек наматывается в непосредственной близости от области контакта колеса с рельсом. При эксплуатации создаются сложности осмотра поверхности катания колёс. Катушки индуктора крепятся к буксе, остову тягового двигателя или кожуху редуктора над головкой рельса на высоте 100 мм.Толщина намотки находится в пределах от 20 до 25 мм и ограничивается зазорами между колесом, остовом тягового двигателя или кожухом редуктора. Данное решение позволяет отнести индуктор к обрессоренным массам тележки и вписать его в габарит подвижного состава. Пропуск такого подвижного состава по механизированным сортировочным горкам возможен при нерабочем положении замедлителей.

ОСЕВОЕ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЕ

При осевом позиционировании обмотка катушек наматывается вокруг оси колёсной пары. Области контакта колёс с рельсами включаются параллельно источникам намагничивающей силы и шунтируются буксовыми узлами и рамой тележки. Схема замещения магнитной цепи трёхосной тележки локомотива при осевом позиционировании приведена на рис. 3.
Распределение магнитного поля в трёхосной тележке локомотива при осевом позиционировании показано на рис. 4.

При опорно-осевом подвешивании тягового двигателя индуктор располагается между моторно-осевыми подшипниками в удалении от области контакта колеса с рельсом. В случае использования подшипников качения возникает необходимость в парамагнитной прокладке на оси колёсной пары для исключения шунтирования источника намагничивающей силы остовом двигателя. В случае использования подшипников скольжения остов тягового двигателя в магнитном отношении изолирован от оси колёсной пары, это позволяет магнитное сопротивление тягового двигателя отнести к раме тележки.

ЦЕНТРАЛЬНОЕ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЕ

При центральном позиционировании обмотки катушек наматывается на радиальные сектора колёсного центра, которые соединяются в п параллельных ветвей. Колёсный центр может иметь спицевое или коробчатое исполнение. Между собой источники намагничивающей силы каждой колёсной пары подключены последовательно-параллельно и образуют единый электромагнит. При этом одному колесу соответствует северный полюс, а другому — южный. Северный и южный полюсы соединены ферромагнитной осью колёсной пары значительного сечения, это позволяет с одной стороны отнести схему замещения данного способа намагничивания к соосному типу, а с другой стороны исключить шунтирование источников намагничивания тяговым двигателем. Схема замещения магнитной цепи двухосной тележки локомотива при центральном позиционировании приведена на рис. 5.
Распределение магнитного поля в двухосной тележке локомотива при центральном позиционировании показано на рис. 6.

Недостатком данной конструкции является её усложнение из-за подвода энергии к обмоткам индуктора колеса, а также увеличение неподрессоренной массы колёсной пары до 100 кг. Положительной особенностью данной конструкции является расположение индуктора в непосредственной близости от области контакта колеса с рельсом, а также минимальные магнитные потоки индукторов в раме тележки, тяговых двигателях, редукторах, буксовых узлах и элементах рессорного подвешивания. На двухосной тележке области контакта колёс с рельсами включаются последовательно с источниками намагничивающей силы в один ферромагнитный контур, на трёхосной тележке — в два контура.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Для представленных магнитных цепей были определены намагничивающие силы индукторов, позволяющие насытить области контакта колесо — рельс. Картина распределения магнитных полей при хордовом позиционировании индуктора показывает (рис. 2), что существенному намагничиванию подвергаются отдельные элементы ходовых частей, тягового привода и верхнего строения пути. В частности, значительные потоки рассеяния ORB намагничивают буксовый узел, кожух редуктора и рельсы. Указанные элементы являются местом концентрации непроизводительных потерь магнитного поля.
Распределение магнитных полей при осевом позиционировании индуктора (рис. 4) демонстрирует снижение непроизводительных магнитных потерь в элементах ходовых частей, тягового привода и верхнего строения пути. В тоже время наблюдаются потоки рассеяния ORB в раме тележки.


При центральном позиционировании индуктора картина распределения магнитных полей (рис. б) показывает существенное снижение потоков рассеяния Фю и непроизводительных магнитных потерь. Намагничиванию подвергаются внутренние слои колёсных пар и непосредственно места контакта с рельсами. Это исключает необходимости увеличения намагничивающей силы индуктора.
Результаты сравнительных расчётов в условиях насыщения области контакта колеса с рельсом получены параметры магнитного поля и характеристики рассмотренных усилителей сцепления. Основные характеристики, отнесённые к одной колёсной паре, приведены в табл. 1.
В рассмотренных конструкциях магнитных усилителей сцепления достигнуто магнитное насыщение области контакта колеса с рельсом. Расположение контактов колёс с рельсами и источников намагничивающий силы в замкнутых ферромагнитных контурах без воздушных зазоров способствует намагничиванию области контакта крайних колёсных пар до индукции 1 Тл, а средней колёсной пары до 1,5 Тл.

Таким образом, пропускание магнитного потока способствует концентрации энергии в области контакта колеса с рельсом. Дополнительное энергетическое воздействие, направленное на пятно контакта, улучшает сцепные свойства локомотива [4]. Основное достоинство магнитных усилителей сцепления заключается в возможности дистанционного, адресного, своевременно энергетического воздействия непосредственно на область формирования сцепления — пятно контакта колеса с рельсом. В рассмотренных конструкциях источник магнитного поля вынесен из зоны трения, магнитный поток проходит непосредственно через пятно контакта, а скорость намагничивания позволяет отнести усилители сцепления к безынерционным.
Величина магнитного потока главным образом зависит от намагничивающей силы индуктора. При значительных магнитных напряжениях возникает перенасыщенное состояние области контакта колеса с рельсом, появляются дополнительные области насыщения с индукцией более 1,3 Тл. Существенное влияние на распределение магнитного поля между колесом и рельсом оказывает поперечное положение колеса относительно рельса, наличие воздушного зазора между гребнем колеса и рельсом [5-10].

ВЫВОДЫ

В результате моделирования было выявлено, что наиболее приоритетным является соосное позиционирование индуктора. Осевому и центральному способу позиционированию присущи достоинства, позволяющие использовать их при оборудовании локомотивов магнитными усилителями сцепления. Вместе с этим возникают сопутствующие задачи, связанные с размещением индукторов на остове тягового двигателя и колёсах, а также выбором режимов намагничивания.

Библиография

1. Космодамианский, А.С. Увеличение сцепления колёс локомотива с рельсами воздействием постоянных магнитных полей на зону контакта [Текст] / А.С. Космодамианский, В.И. Воробьёв, В.О. Корчагин // Наука и техника транспорта. - 2017. - №2. - С. 8-15. - ISSN
2074-9325.
2. Раков B.A. Локомотивы и моторвагонный подвижной состав железных дорог Советского Союза (1976-1985 гг.) [Текст] / В.А. Раков. - М.: Транспорт, 1990. - 238 с.
3. Корчагин, В.О. Улучшение тяговых качеств тепловозов воздействием постоянного магнитного поля на контакт трибосистемы колесо-рельс: дис.... канд. техн, наук: 05.22.07 / Корчагин Вадим Олегович. - М., 2017. -175 с.
4. Корчагин, В.О. Стабилизация тяговых качеств локомотивов посредством магнитных усилителей сцепления колёс с рельсами [Текст] / В.О. Корчагин, М.А. Маслов // Повышение эффективности транспортных машин : сб. науч. тр. / под ред. В.И. Воробьева, В.В. Рогалева. -Брянск: БГТУ, 2017.- С. 149-154. - ISBN 978-5-906967-31-2.
5. Корчагин, В.О. Особенности распределения магнитного поля в зоне контакта колеса с рельсом [Текст] / В.О. Корчагин // Повышение эффективности транспортных машин: сб. науч, тр. / под ред. В.И. Воробьева, В.В. Рогалева. - Брянск: БГТУ, 2017. - С. 155-160. - ISBN 978-5-906967-31-2.
6. Antipin, D.Ya. Determination of Magnetization Efficiency of Wheel-Rail Contact Zone / D.Ya. Antipin, V.O. Korchagin, M.A. Maslov 11 Proceedings of the 5th International Conference on Industrial Engineering (ICIE 2019). - 2020. - P. 669-675. - DOI: 10.1007/978-3-030-22041 -9.
7. Kosmodamianskiy, A.S. Contact spot for conformal interface of the railroad locomotive wheel with the rail / A.S. Kosmodamianskiy, V.O. Korchagin, V.l. Vorobiev // 2017 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM) Electronic resource. - 2017. -
DOI: 10.1109/ICIEAM.2017.8076434.
8. Воробьёв, В.И. Исследование взаимодействия колеса и рельса аппроксимацией профиля рядами Фурье [Текст] / В.И. Воробьёв, В.О. Корчагин // Мир транспорта и технологических машин. - Орёл: ОТУ имени И.С. Тургенева. - 2017. - № 3 (58). - С. 14-19. - ISSN 2073-7432.
9. Корчагин, В.О. Моделирование поперечного положения колесной пары в рельсовой колее [Текст] / В.О. Корчагин, М.А. Маслов // Повышение эффективности транспортных машин: сб. науч. тр. / под ред. В.И. Воробьева, В.В. Рогалева. - Брянск : БГТУ, 2017. - С. 79-86. - ISBN 978-5-906967-31-2.
10. Программа моделирования поперечного положения колёсной пары в колее [Текст]: свид. 2016617934 Рос. Федерация / Корчагин В.О.; заявитель и правообладатель Корчагин В.О. -№2016615131; заявл. 20.05.2016; опубл. 20.08.2016.