Российский университет транспорта (доцент)
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
Российский Университет Транспорта (РУТ (МИИТ)) (кафедра "Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава", профессор)
сотрудник
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
УДК 629.423 Электроподвижной состав
ББК 392 Железнодорожный транспорт
Цель исследования: определение основных факторов, влияющих на эффективность действия тормозных систем подвижного состава железных дорог. Задача, решению которой посвящена статья: определение алгоритма управления процессом торможения подвижного состава и выбор наиболее эффективной концепции принципа тормозной системы. Методы исследования: расчётно-аналитический метод математического моделирования и практические испытания. Новизна работы: предлагается перспективная концепция тормозной системы подвижного состава. Результаты исследования: доказано, что вихретоковое торможение является достаточно эффективным способом контроля скорости торможения, что особенно важно в экстремальных условиях для обеспечения безопасности. Выводы: использование гибридных конструкций тормозных систем может значительно повысить эффективность торможения и тем самым увеличить максимальную безопасную скорость высокоскоростных поездов.
индукция, магнитное поле, торможение, вектор скорости, износ, вихретоковые тормоза, поезд, оборудование
Введение
Исследование проблематики обеспечения безопасности движения поездов и эффективности торможения является одной из ключевых задач на железнодорожном транспорте. Рост скоростей движения поездов вынуждает полагать необходимым решение вопроса обеспечения безопасности движения. Главным критерием в этом вопросе является эффективность тормозной системы подвижного состава.
Классическая тормозная система - это фрикционный тормоз, который работает на основе тормозной силы, вызванной трением. В основном используются тормозные системы: колодочные, дисковые, барабанные и магнитные рельсовые тормоза. Примечательно, что первые три типа тормозов используются повсеместно в зависимости от конструктивных особенностей и типов подвижного состава железных дорог, в то время как магнитный рельсовый тормоз используется только в высокоскоростных подвижных составах в качестве средства повышения эффективности экстренного снижения скорости или остановки. В дополнение к фрикционным тормозам в электроподвижном составе используются динамические тормоза, в том числе электрические (рекуперативные, реостатные и рекуперативно-реостатные) и гидродинамические тормоза.
Основной тенденцией в развитии тормозных систем является совершенствование тормозных устройств, что подразумевает сокращение времени распространения тормозной волны, повышение эффективности торможения и снижение износа тормозных колодок и накладок за счет использования инновационных композитных материалов. Однако в последнее время все чаще используются вихретоковые тормоза, важнейшим преимуществом которых является отсутствие механического контакта между частями машин. Первоначально электродинамический (вихретоковый) тормоз использовался в горочных замедлителях, но постепенно этот тип тормоза перекочевал и на подвижной состав. Одним из первых серийных поездов, оснащенных линейными вихретоковыми тормозами [1], является поезд ICE 3 (DBAG), эксплуатирующийся на железных дорогах в Германии.
Материалы, модели, эксперименты и методы
Принцип действия основан на возникновении магнитной силы F в магнитном поле между постоянным магнитом или электромагнитом и рельсом (стальным диском), которая разлагается на две составляющие: силу притяжения FA и тормозную силу FB, противоположную вектору скорости. Принцип действия линейного и вращательного вихретокового тормоза более подробно описан в исследовании [2]. В качестве прототипа вихретокового тормоза используется схема, показанная на рисунке 1 и описанная в исследовании [3].
Рисунок 1. Схема дискового вихретокового тормоза.
(1 – ось; 2 – колесо; 3 – диск; 4 – статор; 5 – магниты)
Дисковый тормоз установлен на оси 1 и состоит из диска 3, вращающегося вместе с колесами 2, и статоров 4, установленных с обеих сторон диска, а также магнитов 5. Магниты расположены по окружности статора, причем их полярность меняется в направлении окружности. Изменение полярности магнитов вызвано более высокой эффективностью торможения. В исследовании [3] подробно описано уравнение движения поезда без индуктивности и с индуктивностью. Следует учитывать индуктивность при высоких скоростях железнодорожного подвижного состава. Это связано с тем, что с увеличением скорости время прохождения одной цепи вдоль одного полюса уменьшается, и вихревой ток не успевает достичь максимально возможного значения. При низких скоростях подвижного состава индуктивность в принципе может вообще не приниматься во внимание, поскольку график изменения скорости, а также длины тормозного пути в этом случае очень похожи. В ходе исследования также было доказано, что вихретоковый замедлитель можно рассматривать как элемент линейного вязкого трения. В результате численного интегрирования уравнений Лагранжа-Максвелла и сравнения с элементом линейного вязкого трения предложен алгоритм управления процессом торможения подвижного состава.
Уравнение движения поезда с индуктивностью выглядит следующим образом:
(1)
где 
- обобщенный коэффициент вязкого трения, 1/с; 
– механическая постоянная времени, с; 
– электрическая постоянная времени, с;
В случае, если вихретоковый тормоз установлен по одному на каждой оси колесной пары, тогда обобщенный коэффициент вязкого трения β должен быть найден по следующей формуле:
, (2)
где 
– индукция магнитного поля, Тл; 
- размер контура (постоянного магнита) в вертикальном направлении, м; 
– толщина диска, м; 
– радиус тормозного диска, м; 
– удельное электрическое сопротивление диска, Ом*м; 
- масса вагона, кг; 
– радиус колесной пары, м.
Механическая постоянная времени определяется по следующей формуле:
, (3)
где n – количество пар магнитов.
Электрическая постоянная времени 
находится следующим образом:
, (4)
где 
- магнитная постоянная, Гн/м; 
– воздушный зазор между диском и постоянными магнитами, м.
Уравнение (1) будет иметь следующее аналитическое решение:
, (5)
где 
- обобщенный коэффициент вязкого трения с учетом индуктивности, 1/с:
, (6)
Перемещение подвижного состава определяется по указанной формуле:
, (7)
Для нахождения решения уравнения (1) используются следующие параметры модели: 
n=60; 
;
Результаты расчетов представлены на графиках, изображенных на рисунках 2 и 3.
Рисунок 2. Эффективность вихретокового торможения вагона с 8 тормозными дисками.
Рисунок 3. Эффективность вихретокового торможения вагона с 4 тормозными дисками.
Исходя из полученного решения, следует, что эффективность роторного вихретокового тормоза (RECB) напрямую зависит от количества магнитных систем, установленных на подвижном составе. Кроме того, RECB наиболее эффективен на высоких скоростях; при скоростях менее 40 км/ч эффективность RECB снижается в 2 раза; этот факт также доказан в исследованиях [4]. Однако стоит отметить, что использование вихретокового тормоза при установке на вагон с 8 тормозными дисками по классической конструкции – по два на каждую колесную пару – более эффективно, чем фрикционный тормоз. (Результат сравнения характеристик фрикционного тормоза и вихретокового тормоза показан на рисунке 4.)
Стоит отметить, что использование только вихретокового тормоза запрещено стандартами [5], поскольку классический фрикционный тормоз является аварийным тормозом. В связи с этим наиболее рациональным подходом является разработка гибридных схем торможения, включающих две или более тормозных систем с различными принципами действия.
Рисунок 4. Сравнительные характеристики различных тормозных систем, применяемых на подвижном составе.
Ниже, на рисунках 5 и 6, показаны две принципиальные схемы гибридного тормоза, использование которых может значительно повысить эффективность рабочего и экстренного торможения.
Рисунок 5. Схема гибридной тормозной системы № 1.
1 – колесная пара; 2 – тормозной диск; 3 – тормозные фрикционные накладки; 4 - статор; 5 – постоянные магниты.
Рисунок 6. Схема гибридной тормозной системы № 2.
1 – вагон поезда; 2 – фрикционный колодочный тормоз; 3 – линейный вихретоковый тормоз.
Конструктивные решения вышеупомянутых схем могут существенно отличаться, и каждая версия тормозной системы будет отличаться своей эффективностью и спецификой применения. Применение аналитических методов для расчета совместной работы двух или более тормозных систем является весьма непростым, поэтому для получения конкретных значений требуются специальные испытания поездов. Использование таких гибридных конструкций может значительно повысить эффективность торможения и тем самым увеличить максимальную безопасную скорость высокоскоростных поездов.
Заключение
Проведёнными исследованиями отмечено, что вихретоковое торможение является достаточно эффективным способом контроля скорости торможения, что особенно важно в экстремальных условиях для обеспечения безопасности, например, для предотвращения столкновений с препятствием. Учитывая, что полностью отказываться от фрикционного тормоза запрещено, наиболее эффективным решением является комбинированное использование фрикционного и вихретокового торможения, что значительно повышает безопасность движения поездов.
1. Meier-Credner W.-D. Линейный вихретоковый тормоз поезда ICE3. Железные дороги мира. 2003;1:34-50.
2. Бабаев А.М., Смирнов А.С. Вихретоковые тормоза рельсового транспорта. Техника железных дорог. 2015;4:50-53.
3. Озолин А.Ю. Торможение машин системами с постоянными магнитами: дис. … канд. тех. наук: 01.02.06/ Озолин Алексей Юрьевич. - СПБ, 2009. 134 с.
4. Ободовский, Ю.В. Динамика электромеханических устройств с постоянными магнитами: дис. ... канд. техн. наук: 01.02.06 / Ободовский Юрий Васильевич. - СПб., 2004. 110 с.
5. Опыт применения линейного вихретокового тормоза. По материалам компаний Siemens, Knorr-Bremse и DB Systemtechnik. Под редакцией Ефремова А.Ю. Железные дороги мира. 2011;8:47-54.
6. Нормы для расчета и проектирования новых и модернизированных вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). ВНИИВ-ВНИИЖТ. 1996. 260 с.
7. Казаринов А.В. Испытания магниторельсового тормоза на электропоезде «Сокол». Вестник ВНИИЖТ. - 2002. № 2.С. 24-28.
8. Карминский Д.Э. Рельсовые тормоза на постоянных магнитах. Вестник ВНИИЖТ. - 1972. № 8. С. 42-45.
9. Хендрикс В. Электрическая часть вихретокового тормоза. Железные дороги мира. - 1986. № 8. С. 10-14.
10. Бесценная, О.В. Разработка и испытания тормозов на вихревых токах. Вестник ВНИИЖТ. - 1981. № 1. С. 43-45.
