РЕЛЬСОВЫЙ ТОРМОЗ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ Российский патент 2002 года по МПК B61H7/08 

Изобретение относится к рельсовым тормозам, снабженным постоянными магнитами, и может найти широкое применение при эксплуатации железнодорожного, городского и промышленного транспорта.

Рельсовые тормоза различного типа нашли широкое применение в различных областях промышленности, где требуется замедление движения транспортного средства или полная его остановка.

Ранее наибольшее распространение имели фрикционные тормоза, непосредственно контактирующие с рельсом - типа тормозных башмаков, которые под действием гидравлики, пневматики, электромагнитов или электрических сил прижимаются к рельсу. Длина пути торможения будет зависеть от скорости движения вагона и коэффициента сцепления колесных пар с рельсом.

Кратчайшие тормозные пути при тормозах, реализующих тормозную силу через сцепление колес с рельсами, можно получить в том случае, если во всем диапазоне скоростей поддерживать тормозную силу равную силе сцепления. Тормозные пути ограничиваются коэффициентом сцепления, который в широких пределах зависит от состояния рельсов, и поэтому не всегда удовлетворяют требованиям эксплуатации даже при низких скоростях движения, например, на городском транспорте.

На первом этапе увеличения скоростей движения железнодорожных поездов для повышения реализуемого при торможении сцепления колес с рельсами совершенствовали известные конструкции тормозов. С этой целью использовались регуляторы силы сжатия колодок, применялись дисковые тормоза, электродинамические тормоза на электроподвижном составе и тепловозах с электрической передачей.

Одновременно с реализацией высоких коэффициентов сцепления при торможении начали применять противоюзовые устройства, предотвращающие заклинивание колесных пар подвижного состава в случаях превышения тормозной силы над силой сцепления.

Устройство для предотвращения пробуксовки и юза колесных пар рельсового транспортного средства представляет электронную схему, содержащую датчик частоты вращения электродвигателя, установленный на выходном валу редуктора, кинематически связанного с указанным электродвигателем. Датчики частоты вращения через устройства обнаружения пробуксовки и юза соединены с блоком управления электродвигателями, которые управляют электромагнитным тормозом и также снабжены соответствующими электронными средствами контроля. (Патент РФ 2017632, приоритет 15.03.91, публикация 15.08.94). В процессе работы устройство позволяет автоматически увеличивать сцепной вес транспортного средства при возникновении пробуксовки или юза, обеспечивая постоянство коэффициента сцепления.

Различные типы рельсовых тормозов приведены в книге Л.В. Балон "Электромагнитные рельсовые тормоза". М.: Транспорт, 1979 г. В соответствии с классификацией, приведенной автором этой книги, рельсовые тормоза подразделяются на: электромагнитные, токовихревые, магнитные - с постоянными магнитами и пневматические.

Известные электромагнитные рельсовые тормоза (ЭМРТ) могут обладать поперечным и продольным магнитным потоком относительно головки рельса. Преимущество первых - в реализации большей силы притяжения при одинаковых магнитодвижущих силах катушек. Управление ими осуществляется как переменным, так и постоянным током. Как правило, башмаки электромагнитных тормозов подвешиваются с помощью пружин, рессор, резиновых амортизаторов, пневматических цилиндров и т.д. Расстояние между башмаками и рельсом составляет 50-150 мм. Для обеспечения надежности их работы конструкцию необходимо усложнять за счет поперечных тяг между башмаками для обеспечения их устойчивого положения на рельсах. Сила притяжения башмака ЭМРТ к рельсу зависит от многих причин: типа рельса, состояния поверхности в зоне контакта, времени включения тормоза, износа фрикционной системы сцепления с рельсом, скорости движения подвижного состава и ряда других причин.

Полезная работа ЭМРТ состоит в создании силы притяжения между башмаками и рельсами и получении за счет их взаимодействия тормозной силы. Однако следует учесть, что фактическая тормозная сила является не менее чем на 40% меньше расчетной, поэтому необходимо значительно увеличивать источники питания таких тормозов.

Кроме того, зависимость времени срабатывания и нарастания тормозной силы от вышеперечисленных факторов вызывает затруднения в определении длины тормозного пути, особенно на уклонах, в связи с приращением скорости или при работе ЭМРТ в сочетании с пневматическими колодочными тормозами. Вследствие вышеперечисленных недостатков ЭМРТ представляют довольно емкую и громоздкую конструкцию, поэтому основной областью их применения является аварийное торможение.

Токовихревые рельсовые тормоза обладают рядом преимуществ, т.к. не имеют трущихся частей, т. е. тормозная сила не зависит от коэффициента трения и состояния рельса.

Тормозные башмаки 1300-2000 мм размещаются между колесами тележек над рельсами с зазором 6-7,5 мм от головок рельс. Питание тормоза осуществляется от тяговых двигателей, работающих в генераторном режиме. Мощность возбуждения составляет 24-30 КВт, а эффективность зависит от тока возбуждения и величины зазора между башмаком и рельсом. К недостаткам токовихревых тормозов следует отнести значительный нагрев рельсов, необходимость точного регулирования воздушного зазора между рельсом и башмаком, а также применение источников питания значительной мощности.

Общим недостатком обоих вышеперечисленных типов рельсовых тормозов является то, что управление их работой осуществляется от централизованного источника питания. Это значительно снижает надежность работы устройства уже из-за того, что возникает необходимость в коммутации больших токов, требующихся для питания тормозов.

Принципиальным преимуществом тормозных устройств на постоянных магнитах по сравнению с электромагнитными тормозами является: отсутствие силового питания, т.к. для работы тормоза требуется только управляющее воздействие;
- сокращение массы и габаритов тормозного устройства;
- существенно уменьшается критичность эффективности их действия к зазорам.

В этой же книге содержатся сведения о рельсовом тормозе с постоянными магнитами, ранее подробно описанным в статье ^"Рельсовые тормоза на постоянных магнитах", авторами которой являются Д.Э. Карминский, М.Д. Фокин и др., опубликованной в журнале "Вестник ВНИИЖТ", 8, 1972 г., с. 42-45.

В соответствии с описанием, башмак магнитного рельсового тормоза (МРТ) состоит из нескольких блоков. Каждый блок собирается из прямоугольных порошковых магнитов, одна сторона которых в поперечном направлении примерно равна ширине головки железнодорожного рельса. Между одноименными полюсами постоянных магнитов ставятся полюсные наконечники, выполненные из железа. Блоки помешаются в коробку, выполненную из диамагнитного материала, таким образом, чтобы исключить возможность зазоров или взаимного перемещения блоков. Коробка вставляется в корпус с зазором по длине, равным толщине постоянного магнита. Снизу корпус закрывается крышкой, выполненной из чередующихся магнитопроводных вставок и диамагнитных вставок. Коробка с набором постоянных магнитов и полюсных наконечников с помощью рычажной системы соединяется с пневматическим цилиндром так, что в одном положении поршня постоянные магниты находятся над диамагнитными вставками (положение торможения), а в другом положении поршня магниты располагаются над магнитопроводными (ферромагнитными) вставками, т.е. в положении выключено. Башмак подвешивается на двух цилиндрах-подъемниках к раме тележки на высоте около 140 мм от головки рельса. Во время торможения он опускается на рельс под действием сжатого воздуха, подаваемого в цилиндры-подъемники, а поднимается в поездное положение под действием пружин после установления коробки в выключенное положение. Перемещение коробки осуществляется посредством электромагнитов двустороннего цилиндра.

К недостаткам описанной конструкции следует отнести следующие:
- для опускания тормоза на рельс требуется дополнительное устройство - в данном случае пневмоцилиндры;
- для включения тормоза используется дополнительная механическая система рычагов, приводимая в движение электромагнитами;
- включение и выключение тормоза требует перемещения значительных масс постоянных магнитов и полюсных наконечников, что существенно снижает надежность тормоза.

Известен магнитный тормоз рельсового транспортного средства (патент РФ 2061324, приоритет от 23.06.94, опубл. 27.05.96), содержащий тормозной блок, установленный на раме транспортного средства, включающий постоянные магниты, установленные между пластинами магнитопровода с продольными полюсными наконечниками, смонтированный дополнительный блок, набранный из чередующихся магнитопроводящих пластин, установленных в поперечном направлении, и постоянных магнитов, обращенных друг к другу одноименными полюсами. Дополнительный блок установлен между пластинами магнитопровода тормозного блока с возможностью продольного перемещения посредством штока цилиндра, связанного с дополнительным блоком. В пластинах магнитопровода выполнены пазы, отделяющие одноименные полюса дополнительного блока от полюсов основного при выключенном положении тормоза. Пазы заполнены диамагнитными вставками и (или) постоянными магнитами.

Как видно из описаний двух приведенных выше технических решений, они конструктивно похожи, т.е. второе как бы является улучшением первого решения.

Соответственно им присущи и общие недостатки, а именно:
- наличие движущихся частей в продольном направлении, устанавливаемых в строго определенную позицию;
- движение коробки с блоками (в первом МРТ) осуществляется перемещением штоков двухстороннего цилиндра, управляемого электромагнитами, во-втором - под действием возвратной пружины, т.е. под действием механических сил.

Известно устройство торможения транспортного средства с постоянными магнитами, которое раскрыто в патенте США 5804897, приоритет 26.11.96, опубл. 08.09.98.

Согласно патенту устройство торможения содержит:
- тормозной барабан, соединенный с валом;
- кольцевой элемент, выполненный из ферромагнитного материала;
- вставленный внутрь кольцевого элемента проводник;
- цилиндрическое тело, расположенное между кольцевым элементом и внутренней поверхностью тормозного барабана;
- множество постоянных магнитов, расположенных по кругу и концентрически, параллельно осям вала барабана;
- средство для приведения в движение по оси указанных концентрически установленных постоянных магнитов в активное и пассивное положения внутри тормозного барабана.

Средство привода может представлять собой цепную или шестеренчатую передачу аналогично описанному в патенте США 5219050 "Устройство токовихревого торможения", прототипом которого является патент Японии 3-032034 с приоритетом от 31.06.1991 г.

Недостатками указанного устройства являются:
- необходимые для работы тормоза сложные вращательно-поступательные механические перемещения больших масс постоянных магнитов и ферромагнитных деталей - магнитопроводов и полюсных наконечников;
- необходимость в дополнительных электрических, механических или иных приводах для обеспечения включения и выключения тормоза путем перемещения и вращения магнитных деталей тормоза;
- сложность сборки и настройки механизма тормоза, обусловленная необходимостью обеспечения согласованных перемещений и вращения большого числа элементов (если какие-либо из магнитных элементов в процессе перемещения не займут строго определенную для них позицию, то произойдет не только отключение этих элементов, но и экранировка всех остальных, что приведет к снижению эффективности работы тормоза).

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению по его технической сущности и достигаемому результату является рельсовый тормоз, переключаемый постоянными магнитами, защищенный патентом США 4482034, приоритет от 28 июля 1980 г., опубл. 13 ноября 1982 г. Практически в этом патенте описаны два варианта реализации тормоза, а именно: в качестве путевого (рельсового) и тормоза для любого другого транспортного средства.

Рельсовый тормоз с постоянными магнитами включает:
- множество пар удлиненных в пространстве стационарных магнитов с низкой проницаемостью (индукцией), граничащих с ферромагнитными полюсными наконечниками, причем магниты каждой пары намагничены поперечно осям ферромагнитного полюсного наконечника и имеют с ним одинаковую полярность;
- стационарные магниты имеют с обеих сторон полюсов прямоугольную цилиндрическую выемку, а с торцевых сторон граничат с боковыми постоянными магнитами трапецеидальной формы с чередующейся полярностью полюсов соседних постоянных магнитов;
- удлиненные постоянные магниты с низкой индукцией, имеющие пару присоединенных ферромагнитных полюсных наконечников, расположенные в пространстве между цилиндрическими выемками соседних стационарных магнитов с возможность поворота вдоль продольных осей;
- вращающуюся систему, включающую постоянные магниты с ферромагнитными полюсными наконечниками и ось вращения, в положении, когда полярности ферромагнитных полюсных наконечников и смежных с ними стационарных магнитов совпадают, формируют не торможение, а когда указанные поверхности после вращения системы устанавливаются перпендикулярно друг к другу - торможение;
- все указанное множество постоянных магнитов заключено в металлический корпус, состоящий из отдельных ферромагнитных пластин;
- между рельсом и нижним торцом стационарных постоянных магнитов размещены прямоугольные башмаки с чередующейся полярностью полюсов.

Поворот вращающихся постоянных магнитов с ферромагнитными полюсными наконечниками осуществляется за счет зубчатой передачи переводом рычага в то или иное положение.

В пассивном положении образующиеся магнитные потоки не выходят за пределы тормозного барабана и не попадают в рельс, поэтому торможения не происходит. В активном положении магнитные потоки замыкаются через постоянные магниты, ферромагнитный башмак и наводят вихревые токи в рельсе - происходит торможение рельсового транспортного средства, причем, чем выше скорость транспортного средства, тем больше силы торможения.

К недостаткам прототипа следует отнести уже ранее отмеченные - наличие механических подвижных узлов, которые усложняют конструкцию и снижают надежность устройства в эксплуатации.

Кроме того, так как в выключенном состоянии тормоз не касается рельса, а находится на некотором удалении от него, то сила притяжения тормоза к рельсу должна быть достаточной для того, чтобы после поворота вращающихся магнитных элементов - включения тормоза, обеспечить притяжение тормоза к рельсу. Это приводит к тому, что магнитная система оказывается излишне громоздкой и содержит избыточное количество постоянных магнитов. После притяжения такого тормоза к рельсу потоки магнитной индукции замыкаются через рельс и магнитопроводы оказываются в насыщенном состоянии, что является следствием избыточности количества постоянных магнитов. Насыщение магнитопровода приводит к тому, что различные ферромагнитные элементы начинают "налипать" на поверхность тормоза, а это приводит к снижению надежности тормоза как из-за уменьшения тормозного эффекта, так и из-за возможной поломки.

Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является упрощение конструкции рельсового тормоза с одновременным повышением надежности его работы.

Технический результат достигается за счет того, что в известную конструкцию рельсового тормоза, включающего элементы подвески его и общий корпус с размещенным в нем множеством пар удлиненных в пространство стационарных постоянных магнитов, причем постоянные магниты каждой пары намагничены по направлению вдоль оси рельса и так, что имеют одинаковую магнитную полярность с граничащими ферромагнитными полюсными наконечниками и чередующуюся полярность по отношению к рельсу, внесены конструктивные изменения, а именно:
- каждая пара постоянных магнитов дополнительно снабжена электрической катушкой, размещенной на П-образном якоре, причем направление магнитного поля, создаваемого катушкой, согласовано с направлением магнитного поля постоянного магнита;
- между якорем и ферромагнитными полюсными наконечниками вставлена немагнитная пластинка толщиной 0,5-0,8 мм;
- каждая катушка имеет индивидуальный источник питания;
- каждый постоянный магнит выполнен из материала, обладающего высокой индукцией и высокой коэрцитивной силой.

Использование электрической катушки позволяет исключить механические подвижные элементы управления положением постоянных магнитов. Нет подвижных деталей, которые требуют дополнительного обслуживания и имеют повышенный износ в условиях работы рельсового тормоза.

Электрическая катушка имеет малое энергопотребление, т.к. она является не силовым органом, а органом управления и служит только для того, чтобы обеспечить совместно с постоянными магнитами притяжение тормоза к рельсу при включении последнего, т. е. перевод тормоза из состояния нерабочего удаленного от поверхности рельса в состояние рабочее - притянутое к поверхности рельса.

Сочетание магнитных полей образованных электромагнитом и постоянным магнитом позволяет упростить конструкцию рельсового тормоза и уменьшить его габариты без снижения тормозящих усилий и надежности работы устройства.

Немагнитная вставка вводится для того, чтобы нужным образом перераспределить магнитные потоки при работе тормоза.

Немагнитная вставка позволяет снизить энергозатраты на приведение рельсового тормоза в действие как по сравнению с электромагнитными рельсовыми тормозами (рельсовые тормоза, снабженные только электромагнитами и не имеющие постоянных магнитов), так и по сравнению с механически управляемыми рельсовыми тормозами с постоянными магнитами (рельсовые тормоза с постоянными магнитами, управляемыми различными механическими способами). Немагнитная вставка также повышает надежность рельсового тормоза, так как после приведения тормоза в рабочее состояние электропитание катушек может быть отключено и тормоз будет тормозить только благодаря полям постоянных магнитов, т.е. снижается вероятность появления аварийных ситуаций, связанных с обрывом кабелей питания или выходом из строя источников питания.

Толщина немагнитной вставки в пределах 0,5-0,8 мм выбрана на основании следующего, если немагнитная вставка имеет толщину меньше, чем 0,5 мм, то, как показывают измерения, магнитное поле от постоянных магнитов в значительной степени замыкается внутри тормоза по магнитному блоку, т. е. после притяжения тормоза к рельсу и выключения питания поток магнитной индукции, проходящий через рельс, оказывается недостаточным для осуществления требуемого темпа торможения, что особенно наглядно проявляется при реально наблюдающемся неплотном прилегании тормоза к рельсу.

Если немагнитная вставка имеет толщину большую, чем 0,8 мм, то поток магнитной индукции, создаваемый электрическими катушками, оказывается недостаточным как для приведения тормоза в рабочее положение, так и для выключения тормоза, если рельсовый тормоз каким-либо образом был опущен на рельс и удерживается силами магнитостатического притяжения, создаваемыми постоянными магнитами.

Наличие индивидуального источника питания каждой катушки повышает надежность работы рельсового тормоза, т.к. даже при наличии неисправности в нескольких элементах надежность работы тормоза практически не снизится. Обычно в состав рельсового тормоза с постоянными магнитами входит до 20 и более отдельных магнитных блоков, поэтому даже при неисправности 5% элементов, тормозящее усилие снизится всего на 2,5%, что не должно повлиять на остановку рельсового транспортного средства, а лишь незначительно увеличит длину тормозного пути.

Выполнение постоянных магнитов из материала с высокой индукцией и высокой коэрцитивной силой позволяет уменьшить габариты устройства без снижения тормозящего эффекта. Современное состояние индустрии постоянных магнитов, разработка и промышленное освоение новых редкоземельных магнитотвердых материалов системы Nd-Fe-В позволяет использовать эти материалы для изготовления постоянных магнитов и, следовательно, сделать следующий шаг по усовершенствованию рельсовых тормозов индукционного типа.

Сущность изобретения иллюстрируется следующими тремя чертежами.

На фиг. 1 приведен общий вид рельсового тормоза, а на фиг.2 и 3 его положение по отношению к рельсу соответственно: в пассивном (не торможение) и рабочем (торможение) положениях.

Рельсовый тормоз с постоянными магнитами (фиг.1) содержит следующие основные элементы: корпус 1; узел крепления 2 (пружины) рельсового тормоза к транспортному средству; электрическую катушку 3; П-образный якорь 4; постоянный магнит 5; полюсные наконечники 6, немагнитную вставку 7.

Кроме того, на фиг.1 приводится полярность полюсных наконечников и направление намагничивания постоянного магнита.

На фиг. 2 и 3 показаны направления магнитных потоков в соответствующих положениях рельсового тормоза.

Работа рельсового тормоза с постоянными магнитами осуществляется следующим образом.

Рельсовый тормоз подвешивается к рельсовому транспортному средству на пружинах 2 таким образом, чтобы в нерабочем состоянии (нет торможения) обеспечивался зазор между тормозом и рельсом 8 порядка 10-12 мм. В этом состоянии магнитное поле постоянных магнитов замыкается через магнитопровод, образованный полюсными наконечниками 6 и П-образным якорем 4 и торможение отсутствует (см. фиг.2).

При включении питания (источники питания не показаны) на электрические катушки 3 таким образом, чтобы магнитные поля катушек были направлены навстречу магнитным полям постоянных магнитов 5, происходит притяжение тормоза к рельсу, т.е. полюсные наконечники 6 касаются рельса и возникает эффект торможения как фрикционными силами, возникающими из-за магнитостатического притяжения, так и силами, возникающими из-за взаимодействия вихревых токов, наводимых в рельсе знакопеременным магнитным полем движущегося тормоза с магнитным полем тормоза.

При выключении питания электрических катушек не происходит исчезновения тормозного эффекта, так как рельсовый тормоз остается притянутым к рельсу магнитными силами постоянного магнита. Таким образом, рельсовый тормоз может затормаживать транспортное средство и при выключенном питании, т.е. может служить и стояночным тормозом и аварийным при разряде, например, аккумуляторной батареи в результате длительного использования или повреждения в схеме питания.

Для выключения рельсового тормоза необходимо подать в цепь питания импульс тока обратного направления и под действием пружин 2 рельсовый тормоз вернется в первоначальное положение.

Преимущества предлагаемого рельсового тормоза с постоянными магнитами перед известными заключаются в следующем.

1. Отсутствие подвижных магнитных элементов повышает надежность тормоза, так как, во-первых, исключается возможность поломки, связанная с износом вращающихся и перемещающихся со значительными усилиями деталей, и, во-вторых, исключается возможность неточного позиционирования магнитных элементов, также связанная с износом вращающихся и перемещающихся со значительными усилиями деталей и разрегулировкой механизма тормоза в процессе эксплуатации.

2. Использование катушки как элемента управляющего включением и выключением тормоза позволяет снизить вес и габариты тормоза, а также исключить насыщение магнитопроводов тормоза во включенном состоянии, что повышает его надежность.

3. Универсальность его использования, не только в качестве путевого тормоза, но стояночного и аварийного.

4. Повышение надежности, т. к. он продолжает функционировать даже при выключенном электропитании.

Рельсовый тормоз является эффективным при любых скоростях движущегося транспорта. В настоящее время изготовлены два опытных образца рельсовых тормозов с постоянными магнитами, которые проходят успешные испытания на Забайкальской железной дороге и на трамвайном вагоне в Санкт-Петербурге.

Изобретение относится к рельсовым тормозам железнодорожного, городского и промышленного транспорта. Рельсовый тормоз содержит элементы подвески и общий корпус с размещенным в нем множеством пар удлиненных в пространство стационарных постоянных магнитов, причем постоянные магниты каждой пары намагничены по направлению вдоль оси рельса так, что имеют одинаковую магнитную полярность с граничащими ферромагнитными полюсными наконечниками и чередующуюся полярность по отношению к рельсу. Каждая пара постоянных магнитов дополнительно снабжена электрической катушкой, размещенной на П-образном якоре, причем направление магнитного поля, создаваемого катушкой, согласовано с направлением магнитного поля постоянного магнита. Между якорем и ферромагнитными полюсными наконечниками вставлена немагнитная пластинка толщиной 0,5-0,8 мм. Каждая катушка имеет индивидуальный источник питания. Каждый постоянный магнит выполнен из материала, обладающего высокой индукцией и высокой коэрцитивной силой. Технической задачей, решаемой изобретением, является упрощение конструкции рельсового тормоза с одновременным повышением надежности его работы. 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Рельсовый тормоз с постоянными магнитами, включающий элементы подвески его к транспортному средству, общий корпус с размещенными в нем множеством пар удлиненных в пространство стационарных постоянных магнитов, причем постоянные магниты каждой пары намагничены вдоль оси рельса так, что имеют одинаковую магнитную полярность с граничащими ферромагнитными полюсными наконечниками и чередующуюся полярность по отношению к рельсу, отличающийся тем, что каждая пара постоянных магнитов дополнительно снабжена электрической катушкой, размещенной на якоре, причем направление магнитного поля, создаваемого катушкой, согласовано с направлением магнитного поля постоянного магнита, а между якорем и ферромагнитными полюсными наконечниками вставлена немагнитная пластинка. 2. Рельсовый тормоз по п. 1, отличающийся тем, что толщина диамагнитной вставки составляет 0,5-0,8 мм. 3. Рельсовый тормоз по п. 1, отличающийся тем, что каждая катушка имеет индивидуальный электрический источник питания. 4. Рельсовый тормоз по п. 1 или 2, отличающийся тем, что каждый постоянный магнит выполнен из материала, обладающего высокой индукцией и высокой коэрцитивной силой.