ПОДВАГОННЫЙ ГЕНЕРАТОР ДЛЯ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПАССАЖИРСКИХ ВАГОНОВ Российский патент 1997 года по МПК B61D43/00 

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, а более конкретно, к автономным устройствам системы электроснабжения пассажирских вагонов подвижного состава, а именно, к подвагонным генераторам с приводом от торца шейки колесной пары пассажирского вагона.

Как известно, все подвагонные генераторы электрического тока (в дальнейшем: подвагонный генератор) приводятся в действие от усилий вращения колесной пары вагона и являются автономным устройством, обеспечивающим энергоснабжение пассажирских вагонов.

Известные подвагонные генераторы с приводом, в зависимости от назначения и расположения привода относительно вагонной оси, можно разделить:
на генераторы с приводом от средней части оси колесной пары вагона (36% парка пассажирских вагонов);
на генераторы с приводом от торца шейки оси колесной пары вагона (64% парка пассажирских вагонов);
В свою очередь все известные подвагонные генераторы с приводом от торца оси колесной пары вагона, делятся:
на подвагонные генераторы с приводом, имеющим параллельное расположение ротора генератора относительно оси колесной пары вагона и, соответственно, клиноременный привод (27% вагонов пассажирского парка);
на подвагонные генераторы с приводом, где расположение ротора генератора относительно оси колесной пары вагона перпендикулярно (т.е. под углом 90^o и, соответственно, с редукторно-корданным приводом (37% вагонов пассажирского парка).

Работая в исключительно тяжелых условиях, подвагонный генератор и его привод должны быть надежно защищены от повреждений и разрушений, особенно от усилий ударного характера (т. е. все массивные узлы и детали должны быть хорошо сбалансированы и подрессорены), а от внешних воздействий защищены корпусами и кожухами и должны надежно работать в любое время года, при непосредственном и постоянном воздействии окружающей среды.

В известных аналогах подвагонных генераторов с приводом собственно сам генератор, в общем случае, содержит следующие основные узлы и детали: корпус с устройством подвески на валу, устройство натяжения, передний и задний подшипниковые щиты с подшипниками и крышками, вал ротора с обмоткой, коллектор и щетки (для генераторов постоянного тока), статор с обмоткой, ведомый шкив на валу или муфту сцепления, вывода, предохранительные скобы, элементы крепления (к примеру: винты, болты, шпильки и пр.).

По своим электрическим данным подвагонные генераторы весьма разнообразны: по мощности, по числу оборотов ротора в минуту, по напряжению, по току, массе, габаритам и пр.

В применяемых на железной дороге системах электроснабжения используют, в основном, следующие генераторы:
постоянного тока с поперечным магнитным полем смешанного возбуждения (т. е. компаудные);
постоянного тока с продольным магнитным полем и параллельным возбуждением (т.е. шунтовые);
индукционные генератора переменного 3-фазного тока.

(см. Доценко В. Е. Электрическое оборудование и освещение вагонов. М. Транспорт, 1964, с.142, рис. 109; с. 147, рис. 114; с. 150, рис. 118).

Следует отметить, что известные, собственно сами, подвагонные генераторы хорошо защищены от механических и климатических воздействий окружающей среды, и, как показывает эксплуатационный опыт подвагонных генераторов с приводами, наиболее повреждаемым и слабым звеном этого устройства является непосредственно привод подвагонного генератора.

К известным аналогам подвагонных генераторов с приводом от торца шейки оси колесной пары вагона открытого типа относятся следующие:
1. Подвагонный генератор с клиноременным приводом (см. Терешкин Л.В. Приводы генераторов пассажирских вагонов. -М. изд. Транспорт, 1990, с.4 5, рис. 1) и ведущим шкивом, установленным на торце оси колесной пары, с комплектом (обычно 4 5 шт) приводных клиновых ремней к ведомому шкиву и дальше через соединительные фланцы и карданный вал (или промежуточный вал; см. там же, с.6, рис. 3) соединены кинематически с валом ротора подвагонного генератора.

Такие известные подвагонные генераторы с клиноременным приводом могут работать при скоростях до 160 км/ч.

Основными недостатками, описанного подвагонного генератора с клиноременным приводом, являются следующие:
а) при увеличении скорости вагона увеличивается проскальзывание ремней на шкивах и подвагонный генератор не развивает необходимой мощности, и уменьшается его коэффициент полезного действия;
б) при неблагоприятных погодных условиях (во влажную погоду, при попадании снега и льда, пыли, грязи и пр.) нарушается надежность работы и возможно не только увеличение проскальзывания приводного ремня на шкивах, но и сброс его со шкивов или обрыв ремня, что по своей сути уже является аварией;
в) при резком торможении увеличивается проскальзывание приводного ремня на шкивах и, как следствие, потеря мощности;
г) при работе (особенно в неблагоприятных условиях) происходит преждевременный износ приводных ремней;
д) при увеличении проскальзывания происходит сильный разогрев ремней, что ведет к еще большим потерям и износу;
е) при выходе из строя в комплекте только одного ремня, необходимо менять весь комплект клиновых ремней привода полностью.

2. Подвагонный генератор с текстропно-карданным приводом от ведущего шкива на торце оси колесной пары, к примеру: ТК-1 и ТК-2 (см. там же, с.13, рис. 12), который отличается лишь наличием промежуточной опоры ведомого вала, который кинематически соединен с карданным валом, передающим вращающий момент на вал ротора подвагонного генератора.

Передача номинальной мощности осуществляется при скоростях движения подвижного состава до 160 км/ч.

Основными недостатками такого известного подвагонного генератора с текстропно-карданным приводом являются те же недостатки, описанные выше, по пунктам а), б), в), д), е), и дополнительный недостаток ж) нормальная работа возможна только при наличии низкооборотного подвагонного генератора (к примеру: 2ГВ 008).

3. Подвагонный генератор с текстропно-редукторно-карданным приводом от ведущего шкива на торце шейки оси колесной пары, к примеру: ТРКП (см. там же, с.7, рис.4, с. 11, рис. 8), который отличается от вышеприведенных клиноременных приводов только наличием в кинематической цепи промежуточного одноступенчатого редуктора и более мощного комплекта кордшнуровых клиновых ремней (типа: В 2360Т).

Изменение диаметров ведущего и ведомого шкивов, а также наличие редуктора и более мощного комплекта клиновых ремней, позволяет передавать номинальную мощность генератору при скоростях движения подвижного состава от 37 до 160 км/ч.

Основными недостатками такого известного подвагонного генератора с текстропно-редукторно-карданным приводом являются те же, перечисленные выше, по пунктам а), б), в), г), д), е) и дополнительно следующие недостатки:
з) наличие реактивного момента редуктора;
и) частые неисправности подшипниковых узлов и зубьев передачи редуктора;
к) ослабление и излом болтов подвески генератора;
л) более сложное обслуживание;
м) большая стоимость.

4. Наиболее совершенным устройством такого рода является подвагонный генератор с редукторно-карданным приводом закрытого типа (см. там же, с.23, рис.17), к примеру, типа РК (или др. модификации: РК-1, РК-1А, РК-6 и др.).

Приведенные модификации редукторно-карданных приводов отличаются только передаточными отношениями и некоторыми незначительными конструктивными элементами.

В подвагонных генераторах с приводами этого типа, вращение от торца шейки оси колесной пары к валу ротора генератора передается через конический редуктор (см. там же, с.24, рис.18) и карданный (приводной) вал. Редуктор передает вращательный момент под углом 90^o к оси колесной пары и крепится жестко (к примеру: болтами) через промежуточное кольцо к корпусу буксы, а карданный (приводной) вал снабжен для присоединения (к редуктору и генератору) упругими резинометаллическими шарнирами на своих концах.

Редуктор, карданный (приводной) вал и генератор устанавливаются под углом 4 6^o к горизонтальной продольной оси тележки вагона (в зависимости от варианта модификации привода).

Для обеспечения безопасности движения подвижного состава на тележке имеются предохранительные устройства в виде скоб и хомутов, которые предохраняют от падения редуктора, карданного (приводного) вала или генератора на путь при аварии (в случае отрыва креплений этих элементов).

Основными недостатками описанного подвагонного генератора с редукторно-карданным приводом являются некоторые недостатки по пунктам: и), л), м), которые приведены выше, а также дополнительно:
н) большая конструктивная сложность;
о) большое количество сложных деталей;
п) более высокая точность изготовления и чистота обработки сопрягаемых деталей;
р) большое количество покупных изделий (к примеру: подшипников и др.);
с) необходимость установки устройства (термодатчика) для контроля температуры нагрева переднего подшипника в корпусе редуктора (см. стр.30, рис.21, поз.7);
т) громоздкость (значительные габариты) не позволяет располагать редуктор, карданный вал и генератор в габаритах ширины вагона, что и вынуждает устанавливать их вдоль тележки вагона, под углом 90^o к оси колесной пары;
у) одностороннее расположение генератора с приводом на тележке вагона создает дебаланс нагрузки на колеса;
ф) большое количество предохранительных устройств в виде различных скоб и хомутов;
х) как следствие, большое количество взаимодействующих деталей и узлов, снижает надежность всего устройства.

Тем не менее приведенный подвагонный генератор с редукторно-карданным приводом, при сравнительной оценке с другими аналогичными устройствами, является наиболее надежной и совершенной конструкцией, работающей в любых условиях эксплуатации и позволяющей передавать значительно большие мощности, чем, к примеру, с клиноременными приводами, при скоростях до 170 км/ч.

Таким образом почти все вышеприведенные аналоги подвагонных генераторов (см. пункты: 1, 2 и 3) имеют в своем составе клиноременную передачу, которая является наиболее слабым и несовершенным звеном кинематической цепочки этих устройств, что и определяет их основные недостатки или большую конструктивную сложность (см. пункт 4).

Наиболее близким по своей технической сути к предлагаемому техническому решению, является генератор по патенту EP 0518456 A1, кл. МПК⁵ B 61 D 43/00, который может служить и в качестве датчика скорости осей подвижного состава (см. описание к вышеуказанному патенту и фиг.3).

Такой генератор является синхронным трехфазным генератором переменного тока (напряжения) и расположен в корпусе (крышке), которая встраивается в буксовый узел колесной пары вагона, причем ротор его крепится с торца оси, установленной в подшипниках качения, при помощи промежуточного торцового диска (со сквозными отверстиями для крепления) и фланца с осью для установки ротора с помощью крепящих элементов (болтов).

Фланец имеет выполненные по наружному периметру, с целью защиты от попадания смазки в генератор, маслоудерживащие канавки, а ротор закреплен на нем крепящими элементами (шайбами с болтом).

Статор содержит индукционную обмотку, которая закреплена стяжным кольцом.

На роторе, по образующей наружного периметра, жестко установлены постоянные магниты.

Между полюсной поверхностью статора и полюсной поверхностью ротора образован рабочий воздушный зазор.

На верхней части корпуса (крышки) установлен выпрямитель тока и вывода.

Основными недостатками описанного известного генератора являются следующие:
ц) генератор весьма незначительной мощности и не может обеспечить эл. питание вагонных электропотребителей;
ч) отсутствует возможность контроля за величиной и неравномерностью воздушного зазора при установке генератора;
ш) постоянные магниты установленные жестко на оси колесной пары подвергаются значительным ударам и вибрациям, что может привести к размагничиванию ротора;
щ) фланец и корпус (крышка) не имеют лабиринтного уплотнения ("Labyrinthdichtung", как сказано в описании), а только мазеудерживающие канавки на фланце, что не обеспечивает необходимую защиту обмоток от попадания смазки из подшипников и продуктов износа;
ы) глухой корпус (крышка) не обеспечивает доступ к внутренним частям генератора при обслуживании;
э) ротор установлен недостаточно жестко на оси фланца и не защищен от проворачивания в условиях вибрации (нет шпонки);
ю) выпрямитель, установленный в верхней части корпуса (крышки), плохо защищен от ударов и вибрации.

Задачей изобретения является создание малогабаритного, простого по конструкции и надежного подвагонного генератора для электроснабжения пассажирских вагонов (в дальнейшем: подвагонного генератора) с приводом непосредственно от торца оси колесной пары вагона, свободного от вышеперечисленных недостатков (см. пункты: ц), ч), ш), щ), ы), э), ю)).

Таким образом предлагаемое изобретение должно обладать следующими преимуществами:
быть малогабаритным т.е. вписываться в габариты вагона подвижного состава, но при этом обладать достаточной мощностью для полного обеспечения эл. питания вагонных электропотребителей;
максимально использовать унифицированные детали применяемые на железнодорожном транспорте;
быть доступным при осмотре и проверке внутренних частей генератора и торца шейки оси;
иметь симметричное сбалансированное расположение генераторов на оси колесной пары вагона;
иметь надежное лабиринтное уплотнение от попадания смазки в зону обмоток генератора;
иметь надежное крепление ротора на оси вагона от проворачивания при вибрации;
полупроводниковый преобразователь должен быть установлен на подрессоренной части вагона, а не на колесной паре;
иметь большую мощность при меньшей массе ротора.

Поставленная задача решается тем, что предлагаемое устройство представляет собой асинхронный (или синхронный) 3-фазный подвагонный генератор переменного тока, который состоит лишь из стального корпуса со статором и обмотками с выводами и из пустотелого вала (в виде короткой трубы), ротора с сердечником и короткозамкнутой обмоткой типа "беличья клетка" (или постоянные магниты), причем корпус со статором крепится жестко и консольно (к примеру: болтами), посредством промежуточного фланца крепительного, соосно к корпусу буксы, а вал ротора плотно садится (с натягом) на коническую часть переходной гайки крепления подшипникового узла, которая навинчена на конце оси колесной пары и относится к унифицированным деталям крепления подшипникового узла колесной пары вагона на железнодорожном транспорте.

Таким образом статор и ротор жестко установлены (с зазором друг к другу) и строго соосно сориентированы (сцентрированы) относительно продольной оси колесной пары, при этом ротор генератора, как бы является продолжением шейки оси колесной пары.

Снаружи подвагонный генератор закрыт защитной наружной съемной глухой крышкой, а сверху, на корпусе, имеет герметичную коробку выводов с зажимами и сальником.

Для увеличения эл. мощности и сбалансированного распределения масс, указанные подвагонные генераторы, устанавливаются попарно на каждом торце оси колесной пары, т.е. симметрично друг к другу и работают параллельно.

Новизна предлагаемого изобретения состоит в том, что вал ротора подвагонного генератора является 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.

Существенность отличий заключается в том, что благодаря тому, что вал ротора является пустотелым и имеет коническую расточку на конце, это позволяет увеличить момент генератора при уменьшении массы ротора и осуществить точную соосную посадку на переходную унифицированную гайку подшипникового узла.

Кроме этого между ступицей вала и переходной унифицированной гайкой установлена призматическая шпонка, а с внутреннего торца вала ротора (на его ступице) выполнено надежное лабиринтное уплотнение от попадания смазки подшипников в зону обмоток подвагонного генератора.

При всем этом пустотелый вал ротора обеспечивает свободный доступ к унифицированным элементам крепления на торце шейки оси.

Таким образом появляются новые свойства, такие, к примеру, как: увеличение мощности подвагонного генератора, свободный доступ к унифицированным элементам крепления, а также доступ к внутренним частям подвагонного генератора при осмотре и проверке.

Указанные свойства обеспечивают необходимую электрическую мощность для вагонных электропотребителей, удобство при эксплуатации и позволяют эффективно и надежно функционировать системе электроснабжения подвижного состава в любое время года, при непосредственном и постоянном воздействии на них окружающей среды.

К технико-экономическим преимуществам, предлагаемого технического решения, относятся следующие:
компактность всего устройства (т.е. малые габариты) при мощности, достаточной для полного энергообеспечения вагонных электропотребителей;
максимальное использование различных унифицированных деталей, широко применяемых на железнодорожном транспорте;
доступность при осмотре и проверке внутренних частей генератора и торца шейки оси;
возможность сбалансированного распределения генераторов симметрично на торцах оси колесной пары;
наличие надежного лабиринтного уплотнения от попадания смазки в обмотки;
надежное крепление ротора от проворачивания на валу;
Снижение массы вала ротора;
размещение полупроводникового преобразователя вне корпуса генератора.

На фиг.1 показан предлагаемый подвагонный генератор для электроснабжения пассажирских вагонов, с боковой стороны, в разрезе вдоль продольной оси; на фиг.2 вид по стрелке А на фиг.1.

На фиг.1 и 2 буквами обозначены:
D наружный диаметр подвагонного генератора с приводом;
L длина подвагонного генератора с приводом;
H высота подвагонного генератора с коробкой выводов;
l длина (глубина) внутренней полости вала ротора;
d диаметр внутренней полости вала ротора;
Все позиции, отмеченные звездочкой (^*), принадлежат к унифицированному креплению подшипников 19^* колесной пары с торца шейки 28^*, применяемые на железнодорожном транспорте.

Предлагаемый подвагонный генератор для пассажирских вагонов выполнен закрытого типа (см. фиг.1 и 2) и является асинхронным (или синхронным) генератором 3-фазного переменного тока, работающим совместно с полупроводниковым преобразователем, который устанавливается отдельно (не показан).

Подвагонный генератор предназначен для встраивания в буксовый узел колесной пары вагона и поэтому должен поставляться узлами, не соединенными сборочными операциями.

Подвагонный генератор состоит из следующих основных элементов: стального корпуса 1 с фланцем 2 и ребрами жесткости 3 снаружи, в который встроен и закреплен статор 4 с 3-фазной обмоткой 5, соединенной в "звезду", с зажимами 6 на изоляционной панели 7, в коробке выводов 8. Коробка выводов 8 содержит крышку 9 с прокладкой 10 и сальник 11 с уплотнением для ввода соединительных проводов (кабеля).

Упрощенно, внешне, корпус 1 генератора с крышкой 41 представляет собой плоский цилиндр с наружным диаметром D и длиной L, которые относятся, примерно, как 2 1.

Корпус 1 жестко и соосно соединен своим фланцем 2, с помощью крепящих элементов 12 (к примеру: болтов), с промежуточным фланцем крепительным 13, который, в свою очередь, установлен жестко и соосно на наружном торце корпуса буксы 14^* также с помощью элементов 12.

При этом заходная часть 15, промежуточного фланца крепительного 13, заходит плотно в корпус буксы 14^*, а между ними (с торца буксы 14^*) установлена прокладка 16.

Промежуточный фланец крепительный 13 (со стороны статора 4) имеет кольцевую проточку 17 (лабиринтную) и заходной частью 15 ограничивает осевое смещение верхней обоймы 18^*, роликового подшипника 19^*.

Сердечник 20 ротора 21 содержит короткозамкнутую обмотку 22 типа "беличья клетка" (или постоянные магниты), представляющую собой голые медные стержни в пазах сердечника 20, замкнутые с торцов контактными кольцами 23.

Сердечник 20 (как и статор 4) набраны из листов элекротехнической стали, которые склеены между собой, а вал 24 ротора 21 выточен из круглой конструкционной стали в виде полого цилиндра с внутренним диаметров d, примерно, равным глубине l внутренней полости вала 24 (т.е. d l).

Вал 24 со стороны промежуточного фланца крепительного 13 с внутренней стороны имеет коническую расточку 25 под посадку с переходной унифицированной гайкой 26^*, которая имеет такой же наружный посадочный конус 27^* и навинчена до упора на шейку 28^* оси 29^* колесной пары.

Вал 24 со стороны расточки 25 с торца имеет ступицу 30 с кольцевой лабиринтной проточкой 31, а между переходной гайкой 26^* и ступицей 30 дополнительно установлена призматическая шпонка 32^*.

Со стороны резьбы переходная гайка 26^* своим торцом фиксирует внутреннюю обойму 33^* подшипника 19^*, а с противоположной стороны с торца шейки 28^* установлены штатные крепящие элементы, используемые на железнодорожном транспорте: клинья 34^*, крестовина 35^*, зубчатые сегменты 36^*, планка стопорная 37^*, тарельчатые пружины 38^* и крепящие элементы 39^* (к примеру: специальные болты) и все это с торца шейки 28^*, изнутри вала 24 ротора 21 закрыто малой внутренней крышкой 40^*, а снаружи подвагонный генератор закрыт большой глухой крышкой 41 с прокладкой 42, которые зафиксированы крепящими элементами 12.

Описанный вариант крепления ротора 21 подвагонного генератора выполняется, к примеру, аналогично узлу крепления ведущего шкива существующего привода типа ТК-2 (см. "Приводы генераторов пассажирских вагонов", с. 8, рис.5; с. 19 20, рис. 15, 16).

При необходимости увеличения потребляемой эл. мощности пассажирским вагоном описанный подвагонный генератор с приводом от шейки 28^* оси 29^* колесной пары возможно устанавливать дополнительно попарно на любую из колесных пар пассажирского вагона.

При работе (т.е. при вращении оси 29^* колесной пары пассажирского вагона подвижного состава в момент движения) подвагонный генератор (см. фиг.1) самовозбуждается от потока остаточного намагничивания 4 на зажимах 6.

Таким образом подвагонный генератор работает в номинальном режиме, преобразуя механическую энергию вращения от шейки 28^* оси 29^* колесной пары в электрическую энергию переменного тока, которую и отдает в сеть через полупроводниковый преобразователь на нагрузку вагона.

Охлаждение производится за счет поверхностного обдува воздухом при движении подвижного состава.

При создании устройства автономного энергоснабжения вагона весьма актуальной задачей является создание простой, надежной и экономичной системы энергоснабжения, чему отвечает предлагаемое техническое решение.

Отсюда очевидно, что наиболее рационально использовать предлагаемый генератор с приводом на железнодорожном транспорте для автономного энергоснабжения пассажирских вагонов подвижного состава, в том числе скоростного.

Учитывая все перечисленные преимущества предлагаемого подвагонного генератора, целесообразно модернизировать старые известные системы энергоснабжения, особенно с клиноременными приводами, и наладить выпуск новых, поскольку эти производственные затраты быстро окупятся при эксплуатации, и применение предложенного подвагонного генератора даст значительный экономический эффект.

Использование: железнодорожный транспорт, системы энергоснабжения пассажирских вагонов подвижного состава. Сущность изобретения: подвагонный генератор с приводом содержит статор с трехфазной обмоткой и зажимами в коробке выводов, ротор с короткозамкнутой обмоткой или постоянными магнитами. Статор посредством промежуточного фланца прикреплен к торцу буксы колесной пары. Фланец имеет кольцевую лабиринтную проточку и своей заходной частью ограничивает осевое перемещение верхней обоймы роликового подшипника. Ротор жестко связан с приводной осью колесной пары. Сердечник ротора и статор набраны и склеены из листов электротехнической стали. Вал ротора выполнен пустотелым с внутренней конической расточкой на конце для соосной посадки на переходную унифицированную гайку крепления подшипникового узла. Последняя имеет такую же посадочную наружную поверхность, как и вал ротора, и навинчена на шейку оси колесной пары. Между ступицей вала и переходной гайкой установлена призматическая шпонка. При движении вагона генератор самовозбуждается от потока остаточного намагничивания ротора и индуцирует электрический ток в обмотке статора. Охлаждение производится за счет поверхностного обдува воздухом при движении подвижного состава. 2 ил.

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 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, отличающийся тем, что 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.