Лінійні вихрострумові гальма

Електромагнітні рейкові гальма

Конструкції

 

Більшість широко вживаних в теперішній час гальм рухомого складу діють на колеса, тому обмеження потужності таких гальмових засобів визначається коефіцієнтом зчеплення коліс із рейками. Цей коефіцієнт майже повністю реалізується сучасним рухомим складом, а, отже, практика потребує нових технічних вирішень. На основі вітчизняного та закордонного досвіду проектування й експлуатації гальмових систем передбачається ряд нових перспективних напрямків гальмобудування, розроблені рекомендації щодо диференційного застосування різних типів гальм залежно від швидкостей руху. Останнім часом все ширше використовуються рейкові гальмові засоби, дія яких не залежить від коефіцієнта зчеплення коліс із рейками. Застосування їх у доповнення до пневматичного або електропневматичного гальма дозволяє зменшити гальмову путь на 30...40 %.

У вітчизняній та закордонній практиці розповсюдження набули електромагнітні рейкові гальма (ЕМРГ) фрикційної дії, які використовуються на швидкісному пасажирському та промисловому вантажному рухомому складі. ЕМРГ розрізняються за родом струму, конструктивним виконанням полюсів та котушок башмаків, способами підвішування башмаків на візках рухомого складу, електричними схемами живлення та управління [58]. Слід нагадати, що ЕМРГ було вперше запропоновано ще у 1899 р. В першому варіанті конструкції магнітне поле башмака замикалося рейкою у поздовжньому напрямку. Трохи пізніше, у 1906 р., з'явилася конструкція ЕМРГ, в якій магнітне поле замикалося в поперечному відносно рейки напрямку. На теренах колишнього СРСР перші випробування ЕМРГ типу ТРМ-4 було здійснено у 1956 р. на поїздах Московського метрополітену, а продовжено - на ризьких трамваях.

Взагалі, в якості джерел живлення ЕМРГ використовуються вагонні акумуляторні батареї, контактна електромережа або тягові електродвигуни, які при гальмуванні працюють у генераторному режимі. Найбільш розповсюдженим є спосіб електроживлення від підвагонних акумуляторних батарей.

Відомі конструкції ЕМРГ з поперечним і поздовжнім магнітним потоком відносно головки рейки, що ілюструє рисунок 6.4. Практикою доведена перевага конструкції з поперечним магнітним потоком, якою реалізується більша сила притягання башмака при однакових магніторушійних силах соленоїдів названих різновидів ЕМРГ.

а) поперечний б) поздовжній

 

Рисунок 6.4 - Схеми магнітних потоків (штрихові лінії) ЕМРГ

(і - соленоїд; 2 - зтяжний болт; 3 - магнітний полюс однієї секції башмака;4 - діамагнітна вставка; 5 - рейка)

 

У серійному виробництві конструкції башмаків ЕМРГ швидкісних поїздів РТ200 і ЭР200, а також маневрових тепловозів ТГМ6А і ЧМЭ2 та тягових агрегатів ПЭ2, ПЭ2М, ОПЭ1А, ОПЭ2 виготовляються з магнітопроводом із сталі марок Ст2 або СтЗ. Залежно від умов експлуатації башмаки ЕМРГ можуть виконуватися з суцільними або секційними полюсами, зі знімними або виконаними за одне з полюсом фрикційними накладками.

Секційні башмаки за гальмовою ефективністю значно кращі, ніж суцільні. Звичайне значення загальної довжини башмака 800... 1420 мм, довжина однієї секції 95... 100 мм. У секційного башмака при однакових габаритних розмірах із суцільним башмаком площа дотику з рейкою більша, ніж у суцільного, оскільки магнітні секції можуть переміщуватися вільно і незалежно одна від одної та входити в контакт з рейкою, ніби "обтікати" рейку. Різниця в площах дотику буде особливо великою при гальмуванні в процесі руху по нерівномірно зношених рейках, на стиках та кривих ділянках колії. Крім того, при високих швидкостях руху башмаки значно нагріваються і при великій їх довжині деформуються, що призводить до порушення контакту з рейкою. Отже, при однакових електричних параметрах у секційного башмака більша площа контакту з рейкою і гальмова сила, ніж у суцільного. При однаковій гальмовій ефективності секційний башмак більш компактний і легше монтується на візках. Башмаки із суцільними полюсами мають силу притягання до рейок на 10-15% більше порівняно з башмаками, виконаними зі знімними накладками.

ЕМРГ на магістральному рухомому складі призначені для роботи в режимі екстреного гальмування. Однак в наш час з'явилася необхідність використання на промисловому транспорті ЕМРГ при будь-якій дії пневматичного гальма. Це призведе до різкого збільшення зносу башмаків і скороченню терміну їх служби. При граничному зносі суцільних полюсів необхідно повністю замінювати їх новими, що економічно недоцільно. В башмаках зі знімними накладками потребують заміни тільки ті накладки, які найбільш зношені, що можна виконати з меншими затратами праці, навіть при зупинках на маршруті руху. Таким чином, башмаки зі знімними накладками доцільно використовувати при проектуванні ЕМРГ для маневрових локомотивів і промислового рухомого складу.

Є конструкції ЕМРГ із живленням соленоїдів як постійним, так і змінним струмом. Найбільше розповсюдження отримали ЕМРГ постійного струму, оскільки вони простіші за конструкцією та надійніші в експлуатації.

Залежно від величини зазору між поверхнями взаємного тертя рейки та башмака у неробочому (відпущеному) стані башмака розрізняють три види підвіски башмаків ЕМРГ:

-низька (або трамвайна) має зазор 8...10 мм - застосовується на вагонах трамваїв та метрополітені, тобто при відносно малих швидкостях руху;

-середня (або промислова) з висотою підвіски башмака близько 50 мм -застосовується переважно на локомотивах та вагонах-думпкарах промислового транспорту при ухилах профілю колії до 80 %о і малих швидкостях руху;

-висока (або залізнична) з висотою башмака над рейкою до 150 мм - на швидкісному та високошвидкісному магістральному залізничному рухомому складі.

У вітчизняній та закордонній практиці на залізничному транспорті башмаки ЕМРГ встановлюються на висоті 50... 150 мм над рівнем головок рейок. Відомі різні схеми підвішування башмаків на візках: на гумових амортизаторах; на пневматичних циліндрах; за допомогою пружин (циліндричних або торсійних). Способи підвішування башмаків ЕМРГ показано на рисунках 6.5-6.7.

В конструкціях з пневматичним підвішуванням підйом башмаків, як правило, здійснюється зусиллям пружин, встановлених в циліндрах-підйомниках. У відповідності з розрахунками надійне утримання башмаків в піднятому положенні може бути гарантовано при зусиллі пружин, що в 1,3 раза більше ваги підвішених частин гальма. В деяких конструкціях підйом башмаків здійснюється за допомогою стисненого повітря.

 

а) на гумових амортизаторах б) на циліндричній пружині

 

Рисунок 6.5 - Схеми підвішування башмаків ЕМРГ

(7 - башмак, 2 - амортизатор, З - планка, 4 - напрямна, 5 - кронштейн, б – запобіжний болт, 7 - рейка, 8 - важіль, 9 - опора з упором, 10 - пневмоциліндр, 11 - пружина)

Найчастіше застосовується підвіска башмака ЕМРГ на двох циліндрах (рис. 6.6,а). На тягових агрегатах застосовується одноциліндрова підвіска (рис. 6.6,б) з регулюванням висоти підйому башмака ЕМРГ за допомогою муфт 7 і тяги 8. Тяги з'єднані важелями б зі штоком пневматичного циліндра 5, який живеться стисненим повітрям від напорної магістралі. Опускання башмака здійснюється при подачі в циліндр стисненого повітря, підйом - за рахунок зусилля пружин. Проведені в експлуатаційних умовах випробування показали надійну роботу одноциліндрової системи підвішування башмаків ЕМРГ.

 

а) на двох циліндрах б) на одному циліндрі

 

Рисунок 6.6 - Схеми підвішування башмаків ЕМРГ на пневмоциліндрах (7 - башмак, 2 - чехол, З - пневмоциліндр, 4 - кронштейн,

5 - рейка, б - важіль, 7 - регулююча муфта, 8 - тяга)

 

Слід зупинитися на оригінальності підвішування, показаного на рис. 6.7. Привод башмака складається з двох важелів 2 і 7, з'єднаних між собою тягою 1 і змонтованих на двох кронштейнах 6. До важелів за допомогою валиків 3 на підвісках 9 шарнірно підвішений гальмовий башмак 12, встановлений між двома направними 8. Для передачі зусиль, які виникають при гальмуванні, башмак з обох сторін має упори 11 з гумовими прокладками 10 для гасіння коливань. При подачі стисненого повітря в циліндр 5 його шток, висуваючись, повертає важелі 2 і 7, башмак знижується та притиснюється рейки 13. При випуску повітря в атмосферу пружина 4 відводить важелі в початкове положення і башмак підіймається, а кінці важелів з підвісками 9 навішуються на кронштейни 6.

 

 

Рисунок 6.7 - Варіант привода башмака ЕМРГ

 

На рисунку 6.8 представлені варіанти схем сумісної дії ЕМРГ та пневматичного гальма. При екстреному гальмуванні спрацьовує прискорювач пневматичного гальма. При цьому (рис. 6.8,а) з'єднується запасний резервуар (ЗР) з допоміжним повітророзподільником 7, через який повітря надходить до порожнини камери 5. Під тиском стисненого повітря поршні, які розміщені в камері, приходять у дію. Поршень 6 грає роль фіксатора башмака ЕМРГ у неробочому піднятому положенні. Рух поршня 4 забезпечує зниження башмака 1 на рейку. Одночасно за допомогою поршня З замикається контакт 2, створюючи ланцюг електричного живлення соленоїдів башмака.

 

Рисунок 6.8 - Схеми автоматизації дії ЕМРГ

 

Великі уповільнення при сумісній дії колодкового й електромагнітного рейкового гальм викликають розвантаження задніх за напрямом руху осей рухомого складу. Відомі пристрої, які регулюють за допомогою привода ЕМРГ силу натиснення гальмових колодок з урахуванням розвантаження колісної пари. В таких пристроях башмак 1 (рис. 6.8,б) встановлений із зазорами у напрямних кронштейнах 8 і 13. В процесі гальмування башмак діє через важіль 9, який має шарнір 12, на одне з двох реле 10 або 11. Залежно від дії важеля 9 відповідне реле забезпечує зменшення тиску в гальмовому циліндрі задньої колісної пари за ходом руху.

При проектуванні електромагнітних рейкових гальм треба приділяти особливу увагу вибору схеми передачі гальмової сили від башмака до візка. На рисунку 6.9 представлено декілька варіантів таких схем. Найчастіше використовуються схеми, вказані на рис. 6.9,а-б (передача сил через упори та кронштейни). Схема за рис. 6.9,в (передача сил за допомогою тросів) потребує точного регулювання зусилля натягу тросів. При варіанті за рис. 6.9,г (передача сил за допомогою тяг з кульковими головками) виникають утруднення у виготовленні та заміні зношуваних бронзових підшипників кулькових головок.

 

Рисунок 6.9 - Схеми передавання сил від башмака ЕМРГ на візок

(1 - башмак, 2 - боковий кронштейн візка, 3 - пружина підвішування, 4 – центральний кронштейн візка, 5 - упор, б - рейка, 7 - трос, 8 - тяга з кульковими головками)

Більшість конструкцій ЕМРГ припускає наявність поперечних тяг між башмаками одного візка для забезпечення їх стійкого положення на рейках і кращого розподілу гальмової сили на кривих ділянках колії.

 

Розрахункові формули

Дослідження механізму гальмування електромагнітним башмаком пов'язано, насамперед, з вивченням зміни сил у часі. Гальмова сила в результаті швидкої зміни взаємодіючих площин башмака і рейки являє собою змінну величину, яка є функцією швидкості руху та величини натиснення. Гальмову силу кожного башмака можна визначити відомими методами: перерахунком за отриманою довжиною гальмової путі (див. приклад 3 п. 5.5); за допомогою безпосереднього вимірювання тензодинамометром або розрахувати за формулою

 

,

де F- сила притягання башмака ЕМРГ до рейки;

- дійсний коефіцієнт тертя башмака з рейкою, який приймається залежно від швидкості руху, питомого тиску, матеріалу магніто проводу і між полюсної вставки.

Силу притягання башмака F (кГ) можна визначити або експериментально за допомогою динамометра методом відриву від рейки на стенді, або за виміряними магнітною індукцією чи магнітним потоком у робочому зазорі розрахувати за формулою

,

де Ф- магнітний потік, Вб;

 

S- площа контакту з рейкою одного полюса башмака, м²;

- магнітна проникність повітряного зазору, Гн/м;

В_м- магнітна індукція в робочому зазорі між башмаком і рейкою, Вб/м².

Сила притягання башмака ЕМРГ до рейки залежить від типу рейки, величини повітряного зазору між башмаком і рейкою, стану поверхонь в зоні їх контакту, часу ввімкнення гальма та інших факторів. Як показали досліди в натурних умовах, дійсна величина сили притягання башмака ЕМРГ до рейки на 30-40 % нижче розрахункової.

На основі обробки експериментальних даних, отриманих в натурних та лабораторних умовах при дії всіх типів ЕМРГ рухомого складу залізниць колії 1520 мм, були виведені емпіричні формули для визначення дійсного значення коефіцієнта тертя електромагнітного рейкового гальма залежно від швидкості руху, питомого тиску, матеріалу магнітопроводу та міжполюсної вставки в зоні контакту з рейкою.

Для сталевих башмаків рекомендується така формула

,

де q- тиск на рейку від башмака ЕМРГ;

V- швидкість руху, км/год.

Формула (6.3) отримана в діапазоні швидкостей руху від 10 до 160 км/год і при питомих тисках від 9 до 14 кГ/см² (звичайне значення знаходиться в межах 12…12,5 кГ/см²). При швидкостях руху менше 10 км/год шуканий коефіцієнт тертя рекомендується розраховувати шляхом лінійної інтерполяції між його значенням, отриманим за формулою (6.3) для швидкості руху 10 км/год та його значенням 0,37, яке відповідає нульовій швидкості. Для швидкостей від 160 до 200 км/год слід виконувати лінійну інтерполяцію між розрахованим за формулою (6.3) значенням для швидкості 160 км/год та значенням 0,04, яке відповідає швидкості 200 км/год.

В якості експериментального варіанту були випробувані башмаки ЕМРГ із чавуну з кулькоподібним графітом, для яких залежність дійсного значення коефіцієнта тертя від швидкості руху виражена формулою (для швидкостей руху від 0 до 180 км/год)

.

В результаті натурних випробувань рухомого складу, обладнаного ЕМРГ, були отримані дійсні значення гальмової сили Вт (кГ) для різних типів башмаків на залізничному рухомому складі.

Для башмаків ЕМРГ швидкісних поїздів РТ200 та ЭР200:

1- при швидкостях руху 0…20 км/год;

2- при швидкостях руху 21…200 км/год.

Питома гальмова сила (кГ/тс) від дії ЕМРГ визначається за формулою (подібною до відповідної формули з п. 5.1.2)

,

де -дійсний гальмовий коефіцієнт поїзда при ввімкненні тільки ЕМРГ.

Питома гальмова сила від дії різнотипних колодок в поїзді визначається відомим методом перерахунку, виходячи з рівності довжин гальмових путей при кожному з типів колодок (див. приклад 3 з п. 5.5).

Дійсний гальмовий коефіцієнт поїзда з ЕМРГ

,

де n- кількість башмаків ЕМРГ в поїзді;

F - дійсна (приймається на 30-40 % менше розрахункової) сила притягання одного башмака ЕМРГ до рейки, тс;

Р - вага локомотива, т;

Q - вага вагонів складу поїзда, т.

Часто на практиці замість дійсних використовують розрахункові значення натиснення та коефіцієнта тертя, які пов'язано формулою (5.1). Основний питомий опір руху поїзда визначається за даними з табл. 5.7 та формулою (5.21).

Довжина гальмової путі при одночасній дії ЕМРГ та традиційного (колодкового або дискового) фрикційного гальма розраховується за методикою з п. 5.3.3. При цьому необхідно усереднити час підготовки гальм до дії. Для ЕМРГ час підготовки до дії приймається на рівні 2...З с. У розрахунковій формулі для дійсної гальмової путі в якості питомої гальмової сили використовують доданок гальмових сил фрикційного гальма та ЕМРГ.

На магістральному залізничному транспорті колишнього СРСР з 1972 р. використовувався швидкісний поїзд РТ-200, який мав склад постійного формування з восьми пасажирських вагонів міжобласного типу. Конструкційна швидкість цього поїзда становить 200 км/год, на ньому в якості допоміжного гальма використовувався ЕМРГ типу ТРМ-10. На кожному двовісному візку типу ТСК-1 у просторі між колісними парами над кожною з рейок було встановлено по одному гальмовому башмаку ЕМРГ. Ці башмаки з'єднувалися між собою двома поперечними зтяжками для кращого розподілу гальмової сили на кривих ділянках колії. Основні параметри башмака: а) висота підвіски над рівнем головки рейки - 140 мм; б) габаритна довжина - 1400 мм; в) вага - 290 кг; г) розрахункова сила притягання до рейки - 10тс; д) споживана електрична потужність - 1,5 кВт. Розрахункове осьове натиснення для вагонів поїзда РТ-200 від дії ЕМРГ - 8,5 тс (у перерахунку на чавунні колодки). Параметри башмака поїзда ЭР-200 наведено у п. 2.2.

 

 

Особливості експлуатації

Обладнання сучасного швидкісного рухомого складу ЕМРГ в якості допоміжного гальма дозволить зберегти на залізницях існуючу розстановку колійних сигналів, розраховану в попередні роки при менших швидкостях руху. Цей фактор є головним і вирішальним для впровадження даного гальма з точки зору забезпечення безпеки руху. Дія ЕМРГ не залежить від осьового навантаження вагона і до того ж не викликає термічного пошкодження та абразивного зносу поверхонь катання коліс. На башмаках ЕМРГ за рахунок магнітного притягання концентруються продукти зносу сталевих поверхонь рухомого складу (металевий пил), що покращує ізоляційні властивості рейкових електроланцюгів. ЕМРГ ковзання значно покращує умови зчеплення коліс рухомого складу з рейками під час гальмування, оскільки механічно очищує рейки.

Однак, поряд із вказаними вище перевагами, ЕМРГ має такі недоліки. Конструкції візків з ЕМРГ відрізняються значною вагою та підвищеною вартістю як при виробництві, так і в експлуатації. Для ЕМРГ характерною є значна витрата електроенергії при гальмуванні. В разі значного часу гальмування ймовірним є утворення термічних тріщин на головках рейок. Час увімкненого стану ЕМРГ (час гальмування) обмежується теплостійкістю ізоляції соленоїдів і в середньому складає близько 1 хв.

Гальмова сила ЕМРГ залежить не тільки від факторів конструкційного характеру, але також і від експлуатаційних умов. На вологих рейках гальмова сила ЕМРГ зменшується приблизно на 10 %, а на забруднених мастилом - на 25 %. Із збільшенням швидкості руху вагона зменшується питома сила притягання башмака до рейки.

В умовах ПТО перевірка спрацьовування ЕМРГ виконується шляхом екстреного ЕПГ. Величина гальмової сили ЕМРГ регулюється зміною опору в електроланцюгу цього гальма. В експлуатації потрібно слідкувати за станом поверхонь тертя башмака, оскільки наявність „наварів" на робочих поверхнях зменшує ефективність ЕМРГ.

При одночасній дії традиційного фрикційного гальма з ЕМРГ можливе виникнення значного уповільнення рухомого складу, що не тільки створює неприємні психофізіологічні відчуття у пасажирів, але і призводить до зневантаження осей рухомого складу. Тому для забезпечення плавної зупинки доцільно вимикати ЕМРГ при зменшенні швидкості руху поїзда нижче певної величини. При дії ЕМРГ разом із колодковим гальмом вимкнення допоміжного гальма доцільно виконувати на швидкостях 50 км/год і менших. На таких швидкостях, як відомо, вже достатньо збільшується коефіцієнт тертя гальмових колодок. У разі сумісної дії ЕМРГ та дискового гальма рекомендована відповідна гранична швидкість руху приблизно удвічі менша. Хоча в останньому випадку звичайно не спостерігається перевищення припустимого уповільнення рухомого складу, однак вимкнення ЕМРГ запобігає зайвим як розрядженню акумуляторної батареї, так і нагріванню соленоїдів башмаків.

Дія ЕМРГ призводить до збільшення навантаження коліс рухомого складу на рейки. Ця обставина може використовуватися на локомотивах для збільшення зчеплення коліс із рейками, що поліпшує тягові якості. Але дія ЕМРГ збільшує також і механічне навантаження шийок осей колісних пар рухомого складу, що потребує відповідного врахування при проектуванні.

 

Магніторейкові гальма

На відміну від ЕМРГ гальмо, що діє на постійних магнітах, прийнято стисло називати - магніторейковим або скорочено МРГ. У СРСР МРГ було винайдено у 1970 р. (а.с. №334108). Основні переваги МРГ над ЕМРГ такі:

- немає потреби в електроживленні під час гальмування;

- час знаходження у ввімкненому стані необмежений (що дозволяє використовувати гальмо не тільки як екстрене, але і як стоянкове);

- значно менші експлуатаційні витрати на утримання.

Однак до останнього часу постійні магніти поступалися електромагнітам у зусиллі притягання. Зараз певних успіхів досягнуто в технологіях виготовлення так званих надпотужних магнітів, наприклад зі сплаву Nd-Fe-B (неодім-залізо-бор), тому МРГ дедалі стають все більш актуальними.

Як і ЕМРГ, так і фрикційне гальмо на постійних магнітах мають однаковий принцип дії та класифікацію щодо висоти підвішування башмака у неробочому стані (див, п. 6.2). При опусканні на рейку башмака, який має магнітні властивості, між ними виникає зусилля притягання, внаслідок чого (за рахунок тертя) з'являється гальмова сила. Силові блоки МРГ, подібно до ЕМРГ, можуть бути виготовлені таким чином, що будуть створювати відносно рейок або поздовжні, або поперечні магнітні потоки (див. рис. 6.4). Конструкційну схему башмака МРГ із поздовжнім магнітним потоком зображено на рисунку 6.10.

 

а) увімкненний стан б) вимкнений стан

Рисунок 6.10 - Башмак МРГ із поздовжнім магнітним потоком (7 - рейка; 2 - корпус; 3 - діамагнітні прокладки; 4 - магніти; 5 - вставки; 6 - важіль)

 

Під дією зусилля спеціального пневмоциліндра через важіль 6 силовий блок (тобто склеєні між собою магніти 4 та вставки 5) переміщується в поздовжньому напрямку на певну відстань відносно розташованої знизу фрикційної діамагнітної накладки, що має вкладиші з магніто-м'якої електротехнічної сталі (АРМКО-залізо). При цьому постійні магніти або вмикаються, або вимикаються. В увімкненому стані магніти силового блока суміщуються з вкладишами, і магнітний потік, який замикається через рейку, створює зусилля притягання башмака до рейки.

Гальмовий блок МРГ, яке розроблено фірмою Оerlikon-Кnorr Еisenbahntechnik (Німеччина), схематично показано на рисунку 6.11 [59]. Це МРГ має сердечник 3 постійного магніту, що встановлений у спеціальній опорі 2. Взимку для розтоплення льоду ці МРГ підігріваються. Термоелемент 4 системи електропідігріву знаходиться в опорі магніту. Для вмикання або вимикання сердечник 3 повертається за допомогою гідравлічного привода на 90 градусів відносно власної осі магніту, яка орієнтована уздовж рейки. В увімкненому стані (див. рис. 6.11,в) цього МРГ магнітний потік замикається поперек головки рейки.

 

 

а) елементи конструкції б) вимкнено в) увімкнено

 

Рисунок 6.11 - Перетин гальмового блока МРГ фірми Оerlikon-Кnorr (7 - башмак; 2 - опора сердечника; 3 - сердечник; 4 - термоелемент)

 

Розглянемо МРГ, яким обладнано вагони поїзда DD-IRМ, що експлуатується на залізницях Нідерландів (NS) на швидкостях до 160 км/год [60]. Тут використовується висока підвіска башмаків - при нових колісах зазор між башмаком та рейкою становить 100 мм. Гальмо на постійних магнітах фірми SАВ WАВСО Теbеl Тесhnologies (Швеція) складається із двох гальмових блоків, напрямної рами з приводними пневмоциліндрами та блока управління. В кожному гальмовому блоці містяться 14 магнітів Nd-Fe-B. Поперечний перетин гальмового блока показано на рисунку 6.12. У відпущеному стані циліндри привода утримують магніти у верхній частині корпусу гальмового блока, тому магнітний потік замикається власне через цей блок (рис. 6.12,а). Для гальмування (енергією стисненого повітря) постійні магніти переміщуються із верхнього положення у нижнє, внаслідок чого магнітний потік замикається через рейку, чим утворюється гальмова сила (рис. 6.12,б). Найбільший тиск повітря, що потрібен для переведення гальмового блока як у робоче, так і у неробоче положення, становить 5 кГ/см². МРГ фірми SАВ WАВСО підвищує гальмову ефективність тривагонного поїзда типу DD-IRМ на 32 %. При сумісному використанні цього МРГ та дискового гальма відсоток гальмової ваги (пояснення останнього терміну див. у п. 5.5) для гальмової путі 1000 м (UIС Соdе 544-1) збільшується з 130 до 172 %.

 

а) у неробочому стані б) у робочому стані

 

Рисунок 6.12 - Перетин гальмового блока МРГ фірми ЗАВ \¥АВСО

 

У теперішній час МРГ облаштовуються електровози декількох типів на залізницях Швейцарії (SВВ). Зазначений МРГ має башмаки довжиною 1400 мм, які створюють зусилля притягання до рейок 140 кН кожен. Окрім Нідерландів та Швейцарії, МРГ також застосовується на рухомому складі, що експлуатується на гірських ділянках залізниць Франції (SCNF).

 

 

Лінійні вихрострумові гальма

 

Останніми із гальм, дія яких не залежить від зчеплення коліс рухомого складу з рейками, розглянемо лінійні вихрострумові гальма (ЛВГ). Принцип дії такого гальма було розроблено французьким фізиком Фуко (Foucault) ще в середині XIX ст. Вихрострумове гальмо вперше було запатентоване у США в 1892 р. Через п'ять років у Німеччині було видано другий подібний патент, але протягом наступних сімдесяти років ЛВГ не викликали практичного інтересу. Лише на початку 60-х років XX ст. у Японії при створенні поїзда для швидкісної лінії Токай-до почалися дослідження ЛВТ. У Франції в 1969 р. при розробці швидкісного поїзда ТGV (фр. Тrains Grande Vitesse -Високошвидкісний поїзд) ЛВГ досліджувалося за участі компанії Кnоrr-Вremse АG (Німеччина).

ЛВГ складається з ярма та значної кількості полюсних сердечників. Принцип дії такого гальма показано на рисунку 6.13 [61].

 

а) на стоянці (V=0) б) під час руху (V 0) в) башмак ЛВГ

Рисунок 6.13 – Принцип дії ЛВГ (1 – полюсний сердечник; 2 - соленоїд)

 

Більш детально конструкцію башмака ЛВГ зображено на рисунку 6.14 [62].

 

Рисунок 6.14 - Башмак ЛВГ

(1 - кінцевий полюс; 2 - полюс; 3 - прокладка; 4 - соленоїд; 5 - ярмо;

б - упори; 7 - діамагнітна кришка; 8 - діамагнітна прокладка)

За допомогою соленоїдів створюється магнітне збудження, в результаті якого утворюються протилежні магнітні полюси N та S (див. рис. 6.13). На стоянці (V=0) магнітне поле має симетричну конфігурацію та створює вертикальне зусилля F_(V=0) притягання. Під час руху (V 0) магнітне поле стає нестаціонарним. Згідно із законом електромагнітної індукції виникає електрорушійна сила індукції (е.р.с.) Е= . Під дією е.р.с. утворюється вихровий струм, магнітне поле якого має протилежний напрямок по відношенню до основного магнітного поля гальмової системи. Це призводить до послаблення поля у тій половині полюсних сердечників, які розташовані за напрямком руху, та до відповідного посилення поля у сердечниках, що знаходяться з протилежної сторони (проти напрямку руху). В результаті зусилля притягання F_(V) відхиляється від вертикалі, тому виникає горизонтальна його складова, яка направлена назустріч руху одиниці рухомого складу. Ця горизонтальна складова F_В і є гальмовою силою ЛВГ.

Формули для розрахунку параметрів ЛВГ достатньо складні. Тому нижче наведено спрощені відповідні залежності [63], які, однак, дозволяють з'ясувати зв'язок між швидкістю руху одиниці рухомого складу, параметрами магнітного поля та гальмовою силою ЛВГ.

Частота (Гц) струму Фуко, що протікає по рейках під час гальмування засобами ЛВГ, розраховується за формулою

,

де V – швидкість руху, м/с;

- полюсний крок обмотки, м.

 

Значення частоти струму Фуко ЛВГ повинно значно відрізнятися від частот, які використовуються у системах рейкової сигналізації аби унеможливити помилкову інтерпретацію сигналів.

 

Гальмова сила ЛВГ обчислюється за формулою

 

,

де В_е – індукція магнітного поля у повітряному зазорі;

А – загальний перетин полюсів башмака (активна поверхня башмака);

у – ширина головки рейки;

- співвідношення поточної швидкості руху до критичної (тут критична швидкість, це швидкість, до якої досягається найбільша гальмова сила ЛВГ).

 

Для створення магнітного поля та підтримування його напруженості на належному рівні потрібна доволі значна намагнічуюча сила та відповідна енергія. В ЕМРГ ця енергія перетворюється у теплову, яка нагріває соленоїди. Механічна енергія, яка утворюється при гальмуванні засобами ЛВГ, дорівнює тепловим втратам струмів Фуко, що нагрівають рейки:

,

де S_r – довжина ділянки колії, на якій виконується робота гальмування;

t – час гальмування;

R – активна складова електричного опору рейки;

I_ф – струм Фуко.

 

Робота гальмування W, що виконується гальмовою силою F_В ЛВГ на довжині S_r (відповідно до закону збереження енергії), дорівнює тепловій енергії, що утвориться у рейках на зазначеній їх довжині [64]. Підвищення температури рейки визначається за величиною гальмової сили ЛВГ залежно від погінної маси рейки m_к та питомої теплоємності її матеріалу с_к. Відповідні чисельні значення, наприклад, для рейок марки UIC 60такі: m_к=60кг/м, с_к=462 Дж/(кг·К).

Звідси випливають вирази для розрахунків роботи ЛВГ

,

та підвищення температури рейок при ЛВГ

.

 

Одна з вимог залізниць Німеччини (DB) є такою. Пасажирські вагони, що призначено для експлуатаційних швидкостей руху понад 160 км/год, для забезпечення збереження існуючої відстані 1000 м між попереждувальними та основними колійними сигналами - повинні обладнуватися рейковими гальмами. Для прикладу, порівняльну характеристику ЕМРГ та ЛВГ фірми Кnorr-Bremse, наведено у таблиці 6.1 [61].

 

Таблиця 6.1- Основні технічні харатеристики ЛВГ та ЕМРГ фірми Кnorr-Bremse

 

Параметр, розмірність	ЛВГ	ЕМРГ
1. Габарити башмака (LxBxH), мм 2. Робочий зазор між башмаком та рейкою, мм 3. Вага башмака, кг 4. Гальмова сила (кН) при швидкості руху 150 км/год та збудженні від: -вагонної акумуляторної батареї -централізованої мережі поїзда 5. Показник зносу	1190х135х210   7±1       4,5   9,2   знос відсутній	1118х140х213         6,3   -   після 1600 км пробігу – заміна накладок на башмаку

 

На рисунку 6.15 наведено відносні (до погонного метра) гальмові сили ЛВГ поїздів ІСЕ (англ. Іntег Сіtу Ехрress - Міжміський експрес) та ІСЕ-3 (Німеччина) при: величині робочого повітряного зазору між башмаком і рейкою 7 мм та температурі навколишнього повітря +20°С [65]. Названі поїзди мають різні величини віднесеної до погонного метра потужності збудження: ІСЕ - 8 кВт/м; ІСЕ-3 - 25 кВт/м.

 

Рисунок 6.15 - Відносні гальмові сили ЛВГ поїздів ІСЕ

 

Переваги ЛВГ:

-значна гальмова сила на високих швидкостях руху (див. рис. 6.15);

-відсутність зношуваних елементів (гальмо відноситься до безконтактних);

-просте і довільне (в заданих межах) регулювання гальмової сили;

-незалежність гальмової сили від стану поверхонь рейок (забруднення, крига).

Однак, застосування ЛВГ пов'язане із суттєвим нагріванням рейок під час гальмування. Для виключення шкідливого впливу ЛВГ на рейки встановлюють спеціальні безконтактні термометри (наприклад, що реєструють інфрачервоні промені). Якщо під час службового гальмування засобами ЛВГ поточна температура рейки досягає наперед заданої критичної межі, то додатковий пристрій автоматично вимикає ЛВГ. У разі екстреного гальмування вказаний пристрій не вимикає ЛВГ.