ЭЛЕКТРОВОЗ ПОСТОЯННОГО ТОКА "ЭЛЕКТРОВОЗ В.С.ГРИГОРЧУКА" Российский патент 1997 года по МПК B61C3/00 

Изобретение относится к железнодорожному транспорту и может найти применение в устройствах локомотивов.

Известен электровоз постоянного тока серии Сс, содержащий экипажную часть с осевой формулой 0-3-0+0-3-0, на которой установлен кузов, внутри которого размещены кабины машинистов, контроллеры, динамотор, мотор-вентилятор, мотор-генератор, мотор-компрессор, тормозные реостаты, аккумуляторные батареи, наверху снаружи кузова размещены воздушные резервуары и два пантографа, установленные на изоляторах, а в экипажной части установлены электродвигатели. Конструкционный вес 126 т, рабочий вес с балластом 132 т, часовая мощность электродвигателей 6.340 кВт, конструкционная скорость 65 км/ч, напряжение контактной сети 3000 В (Журнал Техника молодежи, N 5, 1980 г.)
Недостатками известного электровоза серии Сс являются: недостаточная тяга, наличие бесполезного балласта, небольшая скорость движения.

Указанные недостатки обусловлены конструкцией электровоза. Известен также электровоз постоянного тока ПБ-21, содержащий экипажную часть с установленными на ней тяговыми электродвигателями и колесной формулой 2-3-2, на которой установлен кузов, внутри которого размещены кабины машинистов, контроллеры, мотор-вентилятор, мотор-компрессор, мотор-генератор, тормозные реостаты, аккумуляторные батареи, снаружи на крыше кузова установлены два пантографа и воздушные резервуары. Конструкционный вес 131 т, нагрузка на ось 22,3 т, часовая мощность тяговых электродвигателей 3.2.340 кВт, конструкционная скорость 140 км/ч. (Журнал Техника молодежи, N 7, 1980 г.)
Известный электровоз ПБ-21 как наиболее близкий по технической сущности и достигаемому полезному результату принят в качестве ближайшего аналога. Недостатки электровоза ПБ-21: недостаточная тяга, низкая экономичность, невозможность изменения сцепного веса для увеличения тяги.

Указанные недостатки определяются конструкцией электровоза, а также низким напряжением в контактной сети, не позволяющим передавать большие токи, и конструкцией контактной подвески.

Технический результат, на достижение которого направлено настоящее изобретение, заключается в повышении эксплуатационных качеств электровоза.

Указанный технический результат согласно изобретению достигается тем, что дополнительно введена система повышения давления на ведущие колесные пары, выполненная в форме четырех, по две спереди и сзади, гидравлических опор, закрепленных на раме электровоза и шарнирно соединенных с кузовом, каждая из них гидравлически подключена к гидросистеме и установлены два одинаковых по конструкции усилителя тяги, закрепленные на раме электровоза с двух сторон и кинематически связанные с автосцепками, а гидравлически с гидросистемами привода и управления, кроме того, каждая ведущая колесная пара имеет по две дополнительные рессоры, взаимодействующие с четырьмя разгрузочными гидроцилиндрами, внутренние полости которых гидравлически соединены с гидросистемой повышения давления на ведущие колесные пары.

На фиг. 1 изображен общий вид электровоза; на фиг.2 вид на электровоз сверху; на фиг. 3 схема подвески ведущей колесной пары; на фиг.4 общий вид гидравлической опоры кузова электровоза; на фиг.5 вид гидравлической опоры кузова, разрез; на фиг.6 схема сил, действующих на внутренние стенки и детали гидравлической опоры; на фиг.7 расположение деталей гидравлической опоры в положении выключено; на фиг.8 схема сил, действующих на конусное кольцо и подвижный поршень гидравлической опоры; на фиг.9 гидросистема привода гидравлических опор кузова и разгрузочных цилиндров подвески колесных пар; на фиг. 10 общий вид усилителя тяги; на фиг.11 вид сверху на усилитель тяги; на фиг. 12 устройство силового подвижного цилиндра усилителя тяги, разрез; на фиг. 13 схема сил, действующих на внутренние стенки силового подвижного цилиндра, его детали и поршень неподвижного цилиндра; на фиг.14 устройство силового подвижного цилиндра с частичным разрезом; на фиг.15 - устройство неподвижного цилиндра с поршнем, разрез; на фиг.16 устройство конуса усилителя тяги; на фиг. 17 устройство крышки силового подвижного цилиндра; на фиг.18 вид сверху на распределение цилиндра и устройство регулирования хода поршня; на фиг. 19 устройство конического кольца силового подвижного цилиндра; на фиг. 20 гидравлическая система привода и регулировки хода усилителя тяги; на фиг. 21 схема сил, действующих на коническое кольцо силового подвижного цилиндра и на неподвижный поршень неподвижного цилиндра; на фиг.22 и 23 схема принципа действия усилителя тяги.

Электровоз постоянного тока содержит раму 1, кинематически связанную с тележками 2 и 3, соединенными посредством подвесок с колесными парами 4. Система подвески колесных пар содержит буксы 5, размещенные в челюстях тележек с возможность перемещения в вертикальной плоскости. Буксы посредством овальных пластин 6 соединены с рамой 7, взаимодействующей с вертикальными пружинами 8 и 9, установленными в нишах 10 тележек и с рессорой 11, прикрепленной к буксе посредством стремянки 12, набранной из отдельных листов и взаимодействующей с цилиндрами (разгрузочными) 13, одинаковыми по конструкции. Каждый разгрузочный цилиндр в верхней части имеет крышку 14, в отверстие которой пропущен шток 15, один конец которого закреплен в кронштейне 16 привернутым к тележке болтами, а другой соединен с поршнем 17, вставленным в цилиндр, установленный с возможностью перемещения в вертикальной плоскости. Кузов 18 электровоза в верхней части снаружи имеет вентиляционные решетки 19 и 20 приточно-вытяжной вентиляции и два пантографа 21 и 22, а внутри его расположены стандартные для электровоза постоянного тока узлы и агрегаты, как например, вентиляторы принудительного охлаждения тяговых двигателей, мотор-компрессор, мотор-генератор, контроллеры, тормозные реостаты, пневмосистема с главными воздушными резервуарами и т.д. (на чертежах не показаны). Кузов установлен шарнирно с помощью болтов 23 и четырех, по две спереди и сзади, гидравлических опор 24, 35, 26, 27, закрепленных на раме электровоза. Все четыре гидравлические опоры имеют одинаковое устройство и каждая из них содержит неподвижный цилиндр 28, в нижней части переходящий в расширяющийся конус, привернутый болтами к раме и имеющий снизу крышку 29. Внутрь конусной части вставлено и привернуто к крышке конусное кольцо 30, имеющее в верхней части внутренний скос 31 в направлении снизу вверх. Внутри конусного кольца размещен конус 3/2, также привернутый болтами к крышке. В нижней части неподвижный цилиндр имеет опорные площадки 33 и отверстие 34 для соединения с гидравлической системой. Подвижный цилиндр 35 надет сверху на цилиндрическую часть неподвижного цилиндра, внутрь которого вставлен поршень 36 со штоком 37, выполненными заодно с подвижным цилиндром, имеющим снаружи шарнир 38, а снизу два продольных ограничительных паза 39 и 40, в которые вставлены ограничительные болты 41 и 42, ввернутые в тело неподвижного цилиндра. Гидравлическая система привода гидравлических опор кузова электровоза содержит масляный бак 43, масляный насос 44 с редукционным клапаном 45, механически соединенный с электродвигателем 46, установленные на раме электровоза, переключатель 47, имеющий золотник 48 с перепускными отверстиями 49. Все узлы соединены между собой трубопроводами. Гидравлическая система привода гидравлических опор включает в себя также распределительную колонку 50, к которой подключены разгрузочные цилиндры системы подвески колесных пар.

Два гидроусилителя тяги электровоза размещены на концах рамы и кинематически связаны с автосцепками. Оба гидроусилителя имеют одинаковое устройство и каждый из них содержит неподвижный цилиндр 51, закрепленный на раме электровоза, внутрь которого вставляется цилиндрическая часть силового подвижного цилиндра 52, в которую входит неподвижный поршень 53 с элементами уплотнения, шток 54 которого пропущен в отверстие неподвижного цилиндра и закреплен гайкой 55. Внутри неподвижного поршня и штока выполнено выпускное отверстие 56. Конусная часть подвижного цилиндра закрыта крышкой 57, а к последней приведены болтами конус 58 и усеченное конусное кольцо 59, имеющие внутри скос 60 в направлении снизу вверх. На крышке и силовом подвижном цилиндре выполнены приливы 61 и 62, в которых сделаны шаровые углубления 63, в которых вставлены шары 64, входящие в пазы направляющих 65 и 66, приваренных к раме электровоза и обеспечивающих возможность перемещения силового подвижного цилиндра в продольной плоскости. К боковой части неподвижного цилиндра прикреплен пневмоцилиндр 67, имеющий крышку 68 и выполненный в форме стакана. В отверстие крышки пропущен шток 69, соединенный с поршнем 70 и шарнирно связанный с конической частью подвижного цилиндра, причем пневмоцилиндр имеет продольную щель 71, совмещенную с продольной щелью 72 цилиндра 73 регулятора хода подвижного цилиндра, прикрепленного к пневмоцилиндру болтами и представляющего собой пустотелую трубу без крышки и дна, внутрь которой вставлен поршень 74, соединенный со штоком 75, пропущенным через отверстие крышки 76 с поршнем 77, вставленным внутрь корпуса приводного цилиндра 78, имеющего две полости, в одну из которых вставлена пружина 79, а другая посредством трубопроводов гидравлически подключена к масляному насосу 80, соединенному с электродвигателем 81, к регулировочному клапану, содержащему корпус 82, внутри которого размещен конусный золотник 83, соединенный штоком 84 с мембраной 85, установленной внутри аэродинамической трубы 86, имеющей внутри задней части диффузор 87, а по краям раструбы, причем мембрана удерживается пружиной 88, а также подключена к масляному баку 89. Сверху на теле неподвижного цилиндра закреплен блок переключения 90, содержащий цилиндрический корпус 91 переключателя, внутрь которого вставлен золотник 92, имеющий перепускные каналы 93 и два сферических углубления 94, в которые поочередно входит шарик 95 фиксатора, нагруженный пружиной 96. Обе боковые полости переключателя воздухопровода соединены с полостями пневмоцилиндра, а посредством трубопроводов переключатель гидравлически соединен с масляным баком 97, масляным насосом 98, механически связанным с электродвигателем 99, имеющим регулятор частоты вращения и подключенным к источнику постоянного тока 100, а также соединен со штоком неподвижного цилиндра. Подвижный силовой цилиндр посредством двух штанг 101 и 102 соединен с корпусом 103 ударно-сцепного устройства, содержащего автоматическое сцепное устройство СА-3, установленное на оси 104, размещенной в прорези и соединенной с поглощающим аппаратом 105 и центрирующими пружинами 106.

При вождении тяжеловесных поездов на затяжных и крутых подъемах, например, в горных районах часто возникает необходимость значительного увеличения силы тяги электровоза для поддержания высокой средней скорости. Предлагаемый электровоз постоянного тока может осуществлять повышение тяги двумя способами:
a) путем увеличения давления на ведущие колесные пары;
b) путем использования гидравлического усилителя тяги.

В первом случае при отсутствии необходимости увеличения силы тяги масло удалено из внутренних полостей гидравлических опор 24, 25, 26, 27, электродвигатель 46 отключен от сети, масляный насос 44 не работает, и в гидросистеме отсутствует давление. Под действием веса кузова электровоза подвижные цилиндры 35 перемещены вниз и своей нижней торцевой частью лежат на опорных площадках 33. При этом давление кузова 18 передается через подвижный цилиндр 35, неподвижный цилиндр 28 на раму 1 и далее через тележки 2 и 3 на колесные пары 4. Гидравлические опоры находятся в положении выключено и давление на колесные пары нормально. При перемещении золотника 48 в положение, показанное на фиг.9, масло насосом 44 из банка 43 подается в гидравлическую систему. В первоначальный момент давление в системе небольшое и масло, попадая в полости разгрузочных цилиндров, выдвигает их и они опускаются на концы дополнительных рессор 11, отключая пружины 8 и 9, перенося вес электровоза на упомянутые выше рессоры (на фиг.3 показано пунктиром). По мере возрастания давления масла поршни 36 вместе с подвижными цилиндрами 35 гидравлических опор 24, 25, 26, 27 поднимаются на небольшую высоту, ограниченную пазами 39 и 40, после чего золотник 48 передвигается в нейтральное положение, гидравлические опоры отключаются от масляного насоса 44 и находится в положении включено (фиг.5). При этом вес кузова передается на поршни 36, которые сжимают масло внутри гидравлических опор, равномерно распределяя давление по внутренней поверхности, и далее давление передается на торцевые части конусных колец 30, раму 1, тележки 2 и 3, разгрузочные цилиндры 13, рессоры 11 и на колесные пары 4. Так как площадь поверхности каждого поршня 36 в несколько раз меньше площади поверхности торцевой части каждого конусного кольца 30, то давление на крышку 29 и соответственно на раму 1 электровоза во столько же раз больше. Следовательно, повышение давления на ведущие колесные пары увеличивает сцепную силу электровоза и повышает его тягу.

Таким образом, включая гидравлические опоры, мы искусственно увеличиваем вес электровоза при неизменной массе. Если вес кузова слишком велик и создаваемое давление может превысить допустимое значение, то можно передавать на гидравлические опоры 24, 25, 26, 27 вес оборудования, размещенного внутри кузова, установив его на отдельную платформу, кинематически соединив ее с подвижными цилиндрами 35 посредством стержней, пропущенных через отверстия в кузове (на чертежах не показано).

Наличие скоса 31 на конусном кольце 30 и присутствие конуса 32 делит внутреннюю поверхность неподвижного цилиндра 28 на равные отрезки l=l₁; l₂= l₃; l₄=l₅. Силы давления на этих участках равны и уравновешивают друг друга F= F₁; F₂=F₃; F₄=F₅. Силу давления на конусное кольцо 30 можно представить в виде двух сил, F_к, действующих под углом α друг к другу (фиг.6). Силы F_к, действующие под углом, создают равнодействующую силу F_р, которая больше силы давления кузова F_куз, приложенной к поршню 36 (фиг.8). Гидравлические опоры могут включаться и действовать постоянно, либо временно при трогании с места и движении на подъемах.

Во втором случае повышение тяги электровоза достигается включением гидравлического усилителя тяги. Это осуществляется включением электродвигателя 99 и затем по мере увеличения скорости движения включением электродвигателя 81. При трогании электровоза с места (фиг.22) силовой подвижный цилиндр 52 максимально выдвинут влево из неподвижного цилиндра 51, а золотник 92 находится в правой стороне цилиндрического корпуса 91 переключателя 90. При этом один из вертикальных перепускных каналов 93 соединяет внутреннюю полость усилителя тяги с баком 97 и входом масляного насоса 98, причем с первым через нижний клапан, а П-образный канал 93 золотника соединяет выход насоса 98 с баком 97 (на фиг.20 показано пунктиром).

При перемещении электровоза влево на расстояние S со скоростью V (фиг. 22) под действием силы F_э силовой подвижный цилиндр 52 и соединенные с ним штанги 101 и 102, корпус 103, автосцепка и состав остаются неподвижными. Масло из внутренней полости усилителя тяги через канал 56 внутри поршня 53, перемешивающегося вместе с электровозом, и штока 54 по трубопроводам через перепускные каналы 93, переключатели 90 вытесняется на вход насоса 98, а при большой скорости перемещения электровоза дополнительно перепускается через нижний клапан в масляный бак 97. Вместе с неподвижным цилиндром 51 относительно силового подвижного цилиндра 52 перемещается и пневмоцилиндр 67, а поршень 70 и шток 69 остаются неподвижными. Воздух из правой полости вытесняется через щели 71 и 72 в атмосферу, поршень 74 при этом удерживается пружиной 79 в крайнем левом положении, обеспечивая полное открытие щелей. Как только упомянутые щели перекроются, оставшийся воздух в правой полости пневмоцилиндра станет сжиматься и по воздухопроводу поступать в корпус 91, в его правую полость. По достижении определенного давления воздуха золотник 92 передвинется влево и займет положение, показанное на фиг.20, сплошными линиями показано положение перепускных каналов 93, преодолевая сопротивление пружины 96, и будет зафиксирован фиксатором 95. Выход масляного насоса 98 соединится с внутренней полостью силового подвижного цилиндра 52 в тот момент, когда последний полностью войдет своей цилиндрической частью внутрь неподвижного цилиндра 51 (фиг.23). Масло станет поступать внутрь силового подвижного цилиндра 52 и последний под действием силы F_р станет перемещаться вперед со скоростью V₁ на расстояние S вместе с составом относительно электровоза и неподвижного поршня 51, движущихся в ту же сторону со скоростью V. Вместе с силовым подвижным цилиндром 52 в ту же сторону перемещается шток 69 и поршень 70, который вытесняет воздух из левой полости пневмоцилиндра 67 через щели 71 и 72 в атмосферу. Как только щели будут перекрыты, сжигаемый воздух по воздухопроводу поступит в левую полость корпуса 91 переключателя 90, и по достижении определенного давления передвинет золотник 92 вправо, при этом перепускные каналы 93 займут положение, показанное на фиг.20 пунктиром. Таким образом, периодически силовой подвижный цилиндр 52 будет перемещать состав на некоторое расстояние относительно электровоза в том же направлении. Причем скорость движения силового подвижного цилиндра может изменяться за счет уменьшения или увеличения частоты вращения электродвигателя 99 путем изменения подачи масла насосом 98. В начальный момент, когда скорость электровоза небольшая, при включенном электродвигателе 81 масляной насос 80 прокачивает масло через правую полость приводного цилиндра 78, корпус 82 регулировочного клапана и масляный бак 89. Давление в системе минимально, и пружина 79 удерживает поршень 74 в левом крайнем положении, обеспечивая максимальное открытие щелей 71 и 72 и тем самым максимальный (наибольший) ход силового подвижного цилиндра 52 по направляющим 65 и 66, который передвигается в них на шариках 64. По мере увеличения скорости движения электровоза увеличивается скорость движения воздуха внутри аэродинамической трубы 86. В результате чего внутри последней уменьшается давление и мембрана 85 перемещается вверх, сжимая пружину 88, и через шток 84 перемещает вверх конусный клапан 83, уменьшая проходное сечение корпуса 82 регулировочного клапана, тем самым увеличивая давление в левой полости приводного цилиндра 78. В результате этого пружина 79 сжимается и поршень 74 передвигается вправо, уменьшая длину щелей 71 и 72. Это приводит к тому, что перекрытие щелей поршнем 70 будет происходить быстрее. Вследствие этого быстрее будет происходить переключение золотника 92 и уменьшение хода силового подвижного цилиндра 52. Чем больше скорость движения электровоза, тем больше разрежение в аэродинамической трубе, тем больше давление в полости приводного цилиндра, тем меньше длина щелей 71 и 72 и тем меньше ход силового подвижного цилиндра, давление масла внутри которого тоже будет изменяться: максимальное при трогании состава с места и минимальное при максимальной скорости движения потому, что для поддержания состава в движении требуется меньшая сила, чем сила, необходимая для движения состава с места. Изменяя частоту вращения электродвигателя и тем самым количество масла, подаваемого в силовой подвижный цилиндр, и изменяя величину его хода, можно подобрать наиболее выгодный режим работы гидроусилителя тяги. Наличие скоса 60 и конуса 58 делит внутренние участки силового подвижного цилиндра на равные части: l= l₁; l₂= l₃; l₄=l₅. Силы, действующие на эти участки равны и уравновешивают друг друга: F=F₁; F₂=F₃; F₄=F₅. Неуравновешенными остаются только силы, действующие на неподвижный поршень 53, которые направлены против движения электровоза и на скосы 60 конусного кольца 58, которые больше по величине первых и направлены в сторону движения электровоза (фиг.13). Действие сил на конусное кольцо можно представить в виде двух сил F, действующих под углом a друг к другу и равнодействующей силой их будет сила F_p. Равнодействующая сила F_р и сила F_п, действующая на неподвижный поршень 53, расположены на одной линии и действуют в разных направлениях. Их равнодействующей силой будет разность сил F_р-F_п, которая и является дополнительной силой тяги, возникающей при работе гидроусилителя тяги и направленной в сторону движения электровоза (фиг.21). Второй гидроусилитель тяги работает также. Гидроусилители тяги могут работать и создать дополнительную тягу только в том случае, если электровоз при движении находится впереди состава и тянет его за собой. Когда электровоз движется, имея состав впереди себя, никакого усилия тяги быть не может.

Обе системы повышения тяги могут работать совместно или отдельно друг от друга.

Использование: изобретение относится к железнодорожному транспорту и может найти применение в устройствах локомотивов. Сущность: электровоз постоянного тока содержит раму с тележками, на которой установлен кузов, внутри которого размещены мотор-вентилятор, мотор-компрессор, мотор-генератор, контроллеры, оборудование тормозной, рекуперационной и электрической систем. Новым в электровозе является то, что кузов 18 установлен на четырех гидравлических опорах 24, 25, 26, 27, соединенных с гидросистемой привода последних, а каждая колесная пара имеет дополнительные более жесткие рессоры, взаимодействующие с разгрузочными цилиндрами, установленными на тележках, кроме того, между автосцепками и рамой с обоих концов установлены гидравлические усилители, тяги, соединенные трубопроводами с гидросистемами привода и регулирования хода последних, причем обе системы могут работать раздельно или совместно. 3 з.п. ф-лы, 23 ил.

1. Электровоз постоянного тока, содержащий раму, кинематически связанную с тележками и установленными на них тяговыми электродвигателями, на которой размещен кузов, внутри которого установлены мотор-вентиляторы охлаждения тяговых электродвигателей, мотор-компрессор с пневмосистемой и главными воздушными резервуарами, мотор-генератор, электрически соединенный с потребителями, тормозные реостаты, контроллеры, отличающийся тем, что кузов электровоза шарнирно установлен на четырех, по две спереди и сзади, гидравлических опорах, закрепленных на раме, на концах которой установлены гидравлические усилители тяги, кинематически связанные со сцепными приборами. 2. Электровоз по п. 1, отличающийся тем, что все гидравлические опоры имеют одинаковое устройство и каждая из них выполнена в виде емкости со штуцерами, подключенными к гидросистеме, содержащий масляный бак, масляный насос, приводимый в движение от электродвигателя, распределительную колонку и кран переключения. 3. Электровоз по пп.1 и 2, отличающийся тем, что к буксам колесных пар прикреплены дополнительные рессоры, кинематически связанные с разгрузочными цилиндрами, штоки которых закреплены на тележках, а внутренние полости гидравлически подключены к распределительной колонке гидросистемы привода гидравлических опор кузова. 4. Электровоз по пп.1 3, отличающийся тем, что оба усилителя тяги имеют одинаковое устройство и каждый из них выполнен в виде двух сосудов, вставленных один в другой с возможностью продольного перемещения одного из них по направляющим и кинематически соединенного со сцепным прибором, которые гидравлически соединены с гидросистемами привода и изменения величины хода, имеющими масляные баки, масляные насосы, приводимые в движение электродвигателями, распределительные и регулирующие устройства.