Как следует из теории, боксование возникает в результате превышения силой тяги двигателя сил сцепления колеса с рельсом. Поэтому возможны два способа борьбы с боксованием:

1-й способ — увеличивать силу сцепления колеса с рельсом, подавая песок в зону контакта;

2-й способ — быстро снижать силу тяги боксующей колесной пары.

Силу тяги лучше снижать не с помощью сложной системы автоматики, имеющей значительное запаздывание, а за счет изменения жесткости тяговой характеристики. Такой подход позволяет реализовать наиболее быструю реакцию тягового двигателя на срыв сцепления колеса с рельсом, оперативно предотвращать боксование и восстанавливать сцепление.

Так, если при срыве сцепления колеса с рельсом и быстром увеличении скорости вращения колеса тяговую характеристику двигателя сделать жесткой, подобно характеристике двигателя с независимым возбуждением, то развития боксования не произойдет и сцепление колеса с рельсом восстановится. Характеристика должна быть такой, чтобы при срыве сцепления тяговый двигатель сам резко снижал силу тяги и не допускал боксование.

Тяговые двигатели с жесткой тяговой характеристикой наименее склонны к боксованию и позволяют реализовывать коэффициенты сцепления на 10 — 20 % больше, чем тяговые двигатели с мягкими характеристиками. Это объясняется тем, что при жесткой характеристике увеличение скорости избыточного скольжения  резко снижает силу тяги, и новое равновесие сил быстро наступает в точке В, соответствующей малому значению скорости избыточного скольжения. Установившееся равновесие сил препятствует дальнейшему увеличению частоты вращения колесной пары. Сцепление колеса с рельсом быстро восстанавливается, и система «колесо — рельс» возвращается в исходную точку А, боксование прекращается.

Напомним, что жесткую характеристику имеют двигатели с независимым возбуждением. Для ее реализации требуются дополнительные источники питания (преобразователи), обеспечивающие регулирование тока обмоток возбуждения, что усложняет схему электровоза (локомотивы 2ЭС4К, 2ЭС6).

 

Было предложено сохранить достоинства мягких характеристик двигателей с последовательным возбуждением, придав им в переходных режимах свойства жестких характеристик, как у машин с независимым возбуждением. Необходимо, чтобы тяговые характеристики двигателя были мягкими для медленных процессов изменения скорости локомотива («в большом») и жесткими — для быстрых процессов изменения скорости («в малом»).

Когда режим движения изменяется медленно (например, чередуются участки с разным профилем), колебание скорости должно сопровождаться небольшим пропорциональным изменением электромагнитного момента двигателя — мягкая характеристика. При быстром изменении скорости, например, срыве сцепления после наезда на масляное пятно, неблагоприятных погодных условиях и других причинах, электромагнитный момент двигателя должен резко уменьшаться — жесткая характеристика.

Таким образом, когда скорость боксующей колесной пары резко возрастает, жесткая характеристика приводит к значительному снижению силы тяги боксующей колесной пары, что позволяет быстро восстановить сцепление колеса с рельсом. После этого боксование прекращается, частота вращения колесной пары возвращается к прежнему значению, и сила тяги двигателя восстанавливается. Получение такой «динамической» тяговой характеристики возможно при стабилизации магнитного потока тягового двигателя.

Для этого параллельно обмотке возбуждения устанавливают блок динамической стабилизации тока возбуждения. В таком случае при медленном изменении скорости движения локомотива тяговые двигатели работают как обычные электрические машины с последовательным возбуждением.

При срыве сцеплении двигатель переходит на жесткую тяговую характеристику, благодаря стабилизации тока возбуждения.

Специалисты ООО «Перспективные Системы Транспорта» разработали устройство защиты от боксования, выполняющее такую стабилизацию тока возбуждения. В ПКБ ЦТ ОАО «Российские железные дороги» выполнили проект размещения этого устройства на электровозах ВЛ10 и ВЛ10У.

 

Предложенный метод защиты от боксования (патент на изобретение №2337017, патент на полезную модель №122954) может быть применен на всем подвижном составе с тяговыми двигателями последовательного возбуждения.

Опытным устройством оборудовали локомотив ВЛ10У № 350 и провели испытания на участке Рыбное — Ожерелье Московской дороги. Все параметры регистрировали на картридж РПДА-Г. Впоследствии на этом участке провели тягово-энергетические испытания с участием вагона- лаборатории, в ходе которых фиксировали параметры программно-аппаратным комплексом. Опытные поездки проводили с включенным и отключенным устройством защиты от боксования.

Результаты испытаний показали следующее: коэффициент сцепления возрос на 6,25 %, удельный расход электроэнергии на тягу (кВт*ч/10000 т*км) на расчетном подъеме уменьшился на 4,7 %, расход песка снизился на 97,5 %. На рис. 1 представлена тяговая характеристика электровоза ВЛ10У № 350 с нанесенными на нее реализованными тяговыми усилиями с включенным и отключенным устройством защиты от боксования. При этом максимальная сила тяги с включенным прибором составила 68 тс, с отключенным — 64 тс.

 

В заключение следует отметить, что разработанное устройство защит от боксования имеет качественно более высокий уровень исполнения чем штатные системы. Оно сочетает большую эффективность с экомичностью, актуальной в современных условиях. Время срабатывания нового устройства опережает время включения существующих штатных защит на основе реле боксования, борющихся, по сути, с последствиями развывшегося боксования. Монтаж и работа устройства не затрагивают установленных штатных систем. При этом устройство снимает необходимость включения штатных защит, предотвращая боксование в самом начале процесса.

Применение устройства защиты от боксования на действующих электровозах позволит:

повысить массу поезда за счет увеличения реализуемой силы тяги локомотива без срыва в боксование;

уменьшить расход электроэнергии на тягу, устранив избыточное скольжение;

снизить износ бандажей колесных пар и рельсов;

радикально сократить расход песка, снизив необходимость включения пескоподачи;

обеспечить работу электровоза на оптимальных режимах тяги без опасности срыва в боксование;

защитить тяговый двигатель от кругового огня, возникающего при боксовании, что сократит число неплановых ремонтов;

сохранить балластную призму путей от «запесочивания» при срабатывании штатных защит от боксования, снижающего прочностные свойства призмы.

О.А. ТЕРЕГУЛОВ

первый заместитель начальника Дирекции по ремонту тягового ПС

 А.А. ТИМОЩУК

 генеральный директор ООО -Перспективные Системы Транспорта"