Сцепление колеса с рельсом тем сильнее, чем больше сила веса (Fв) с которой колесная пара давит на рельс. Сцепление необходимое для реализации силы тяги, может быть получено лишь при условии, что некоторая доля веса, приходящая на колесную пару, больше развиваемой силы тяги (Fт). Эта зависимость выражается неравенством Fт< Fв J, где J-коэффициент сцепления. Если величина силы тяги превысит произведение Fв J, то сцепление нарушится, колесо начинает проскальзывать по отношению рельса. При этом сила сцепления резко уменьшается. Колесо как бы лишается упора в рельс и начинает вращаться все быстрее. Это явление называется боксованием. Коэффициент сцепления зависит от многих факторов:
- состояния поверхности рельсов;
- радиуса закругления и возвышения рельсов в кривых участках пути;
- проката бандажей, разницы в диаметре бандажей одной колесной пары, разбега колесных пар и т.д.;
Боксование - явление довольно опасное. Оно приводит к уменьшению силы тяги, торможения и, как правило, к увеличению длины тормозных путей. Сильное боксование может вызвать механическое или электрическое повреждение деталей вагона. Увеличивающая скорость вращения якоря двигателя может превысить допустимую величину, предусмотренную при создании электрической машины, что чревато серьезными повреждениями. Проскальзывание колес приводит к быстрому износу колес и рельсов. Не менее серьезные последствия вызывает электрические повреждения, возникающие в следствии повышения напряжения на коллекторе двигателя (вагоны серии 81-714,717; Еж-3) связанного с боксующей колесной парой, что при некоторой величине этого напряжения приведет к появлению небольших искр на поверхности коллектора, которые могут перейти в сплошную электрическую дугу (круговой огонь), которая при определенных условиях (загрязненные изоляторы кронштейнов щеткодержателей, влажность воздуха) быстро перебрасывается на корпус двигателя, что приводит к серьезным повреждениям. Следует отметить, что не всегда искрение, возникшее на поверхности коллектора, переходит в круговой огонь. При незначительном превышении нормального числа оборотов боксование может продолжаться довольно долго, не вызывая серьезных последствий. Для прекращения возникшего боксования следует уменьшить величину тока двигателей.
На вагонах «Русич» для этой цели работает устройство защиты от боксования и юза, которая разбита на три этапа:
- Своевременное выявление процесса буксования или юза
- Быстрое вмешательство в процесс регулирования с целью снижения задания силы тяги и частоты вращения колесной пары путем уменьшения токов двигателей без изменения режима работы привода
- Восстановление тяги (торможения) после прекращения боксования (юза) с более медленным темпом нарастания тока тягового двигателя до заданного значения
Для быстрого выявления склонности колесной пары к буксованию нужно знать частоту вращения колесной пары и линейную скорость вагона.
Тогда на основании сравнения частот вращения каждой колесной пары с линейной скоростью вагона можно определить моменты начала и окончания процессов буксования или юза. В БУТП линейная скорость вагона определяется с помощью математического моделирования.
Исходной информацией для вычисления линейной скорости вагона являются сигналы частоты вращения роторов 4-х тяговых двигателей вагона.
При выходе скорости колесной пары за допустимые линейной скоростью пределы формируется сигнал защиты, который является командой на автоматическое снижение уставки задания тока привода.
После прекращения боксования или юза система защиты с более медленным темпом восстанавливает заданное значение тяговой или тормозной уставки тока.
