Результат интеллектуальной деятельности: ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ РЕЛЬСОВЫЙ ТОРМОЗ

Изобретение относится к области рельсовых транспортных средств и может быть использовано на всех видах железнодорожного транспорта.

Известен электромагнитный рельсовый тормоз (см. книгу Баллон Л.В. Транспорт, 1979 г., стр.12, рис.76), содержащий пружинную подвеску, башмак, направляющий кронштейн.

Этот тормоз имеет следующие недостатки. Он реализует моментально максимальную по величине тормозную силу, что может негативно сказаться на конструктивных элементах устройства, потребляет в работе много электроэнергии. Поэтому имеет ограниченное применение.

Известен электромагнитный рельсовый тормоз (патент №2216469 С1, МПК В61С 14/04, В61Н 7/08), содержащий башмак с катушками намагничивания, пружинную подвеску, направляющий кронштейн, механизм опускания башмака.

Это устройство имеет механизм опускания башмака, позволяющий плавно увеличивать силу тормозного усилия при опускании башмака в момент соприкосновения с рельсом до ее максимального значения. Механизм опускания имеет сложное устройство. При этом сохраняются остальные недостатки присущие аналогу, описанному выше.

Известен магнитный рельсовый тормоз (патент 2185984 МПК В61Н 7/08), содержащий корпус с размещенным в нем множеством пар, удлиненных в пространстве, стационарных магнитов, причем каждая пара постоянных магнитов снабжена электрической катушкой, имеющей индивидуальный источник электропитания.

Это устройство позволяет упростить конструкцию тормоза и его энергопотребление.

Но оно обеспечивает только стояночное и аварийное торможение. К тому же для приведения его в действие путем подачи на его катушки напряжения требуется достаточно мощный источник электроэнергии с соответственно мощными электропроводами и большая масса его со множеством магнитов и катушек.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению относится (прототип) электростатический рельсовый тормоз (патент 2469893 С1 МПК В61Н 7/08), содержащий тормозной башмак, выполненный из двух частей, подвижных по отношению друг к другу, соединенных пружинами, контактирующих через металлические пластины, соединенные с источником высокого напряжения, при этом верхняя часть башмака снабжена стопором, блоком управления.

Это изобретение позволяет уменьшить энергопотребление не менее чем в 100 раз, использовать на всех видах железнодорожного транспорта, на всех скоростях, регулировать тормозное усилие в зависимости от изменяющихся условий, снизить себестоимость и металлоемкость устройства.

Недостатком его является то, что его тормозное усилие ограничено весом вагона и для опускания (подъема) тормоза требуется специальный сложный привод.

Целью предлагаемого изобретения является упрощение привода башмака и увеличение тормозной силы. Поставленная цель достигается тем, что верхняя часть башмака выполнена с Г-образными выступами на длинных концах в сторону рельса, причем выступы снабжены постоянными магнитами, а нижняя часть башмака размещена между Г-образными выступами верхней части башмака, снабжена стопором.

На фиг.1 - общий вид электростатического рельсового тормоза, на фиг.2 и 3 - разрез стопорных устройств, на фиг.4 - блок-схема тормоза.

Электростатический рельсовый тормоз состоит (фиг.1) из башмака, выполненного из двух частей, верхней 1 и нижней 2, соединенных между собой пружинами 3 и контактирующих друг с другом через металлические пластины 4, 5. Верхняя часть 1 башмака связана с рамой тележки 6 кронштейнами 7 и соединена с ней через шток 8, диск 9 пружиной 10. В нижней части 2 башмака размещено стопорное устройство 11 (фиг.2), в корпусе 12 по поперечному периметру размещены выступы 13 и две подвижные части 14 и 15, контактирующие между собой через металлические пластины 16, 17, соединенные с источником высокого напряжения. Стопорное устройство 11 снабжено пружинами 18 и 19, размещенными между частями 14, 15 и выступами 13 корпуса 12. Наружная сторона подвижных частей 14 и 15 снабжена углублениями 20 и выступами 21. Аналогичные углубления и выступы выполнены на соответствующих сторонах кронштейнов 7. Стопорные устройства 22 верхней части (фиг.3) башмака выполнены с наружной части кронштейнов 7 и состоят из неподвижной части 23 и подвижной 24, соединенных пружиной 25, снабженных металлическими пластинами 26, 27, соединенными с источником высокого напряжения.

В верхней части 1 башмака размещен блок управления 28, содержащий коммутационное устройство, приемник сигналов, аккумулятор, блок высокого напряжения (не показаны). Верхняя часть 1 башмака в ее Г-образных выступах снабжена постоянными магнитами 29.

На фиг.1 под номером 30 обозначен рельс. Нижняя часть 2 башмака размещена между Г-образными выступами верхней части 1.

На фиг.4 под номером 31 пульт управления в кабине машиниста, 32 - датчик скорости, 33 - датчик веса, 34 - сумматор, 35 - передатчик командных сигналов по воздуху.

Работает устройство следующим образом. Для осуществления торможения (башмак в верхнем положении) вручную или в автоматическом режиме, например, по заданной программе или при превышении скорости коммутационное устройство контакты 1-2 Р3 размыкает, а 1-2 Р4 включает (фиг.4). Происходит разряд пластин 16, 17 стопора 11 на землю (фиг.2). Кулоновские силы отталкивания исчезают и пружины 18, 19 выводят из зацепления с кронштейнами 7 подвижные части 14, 15 стопора 11. Пластины 16, 17 соединяются между собой. Башмак под действием собственного веса и пружины 10 опускается на рельсы. Движению башмака, его опусканию на рельсы в нижней части этого движения, способствуют магниты 29. При контакте с рельсом башмака коммутационное устройство контактами 1-2 Р6 разрывает соединение пластин 26, 27 стопора 22 с землей, а контактами 1-2 Р5 подает на пластины 26, 27 высокий потенциал. Пластины 26 и 27 отталкиваются друг от друга и выводят подвижные части 24 из стопора 22 под основание кронштейнов 7, фиксируя башмак в этом положении. После этого коммутационное устройство контактами 1-2 Р2 подает с блока управления 28 высокий потенциал на пластины 4, 5. Контакты 1-2 Р1 при этом разомкнуты. Сопротивление R в цепи 1-2 Р1 служит для предотвращения мгновенного разряда пластин 4, 5 до 0, что используется при регулировке потенциала пластин 4, 5 и тормозного усилия с целью экономии потребляемой электроэнергии.

В ходе ручного или автоматического регулирования тормозного усилия потенциал на пластинах 4, 5 регулируется в зависимости от скорости, веса вагона и заданного сигнала от машиниста или с компьютера по заданной программе. Пластины 4, 5 под действием огромных кулоновских сил отталкивания отталкиваются друг от друга вместе с частями 1, 2 башмака. Движению башмака вверх препятствуют стопоры 22 и кронштейны 7. Башмак своей нижней частью 2 прижимается к рельсам, создавая тормозное усилие. Усилие прижатия к рельсам и тормозное усилие ограничены весом вагона, так как сила отталкивания при превышении веса вагона может приподнять вагон над рельсами. Для увеличения веса вагона и тормозного усилия служат магниты 29, которые притягивают верхнюю часть 1 башмака к рельсу, увеличивая давление на рельсы, и, следовательно, увеличивают возможное тормозное усилие.

Для прекращения торможения коммутационное устройство контактами 1-2 Р2 отключает пластины 4, 5 от источника высокого напряжения, а 1-2 Р1 подключают эти пластины на землю, производя их разряд. Силы отталкивания между ними исчезают. Затем описанным выше порядком снимают потенциал с пластин 26, 27. Подвижные части 24 пружинами 25 выводятся из зацепления с кронштейнами 7. Затем на пластины 4, 5 вновь подается высокий потенциал. При этом верхняя часть 1 башмака отталкивается от нижней части 2 (которая остается на рельсе) и переходит в верхнее положение, производя отрыв магнитов 29 от рельса, растягивая пружину 3 и сжимая пружину 10. После этого подается потенциал на пластины 26, 27 описанным выше порядком. Подвижные пластины отталкиваются от неподвижных, и подвижные части 24 выдвигаются из стопора 22 и прижимаются к кронштейну 7. При этом выступы 21 частей 24 входят в выемки 20 кронштейнов и наоборот. Верхняя часть башмака стопорится. Затем снимается потенциал с пластин 4, 5. Силы отталкивания исчезают. Пружинами 3 нижняя часть 2 башмака подтягивается к верхней части 1. Высота подъема башмака зависит от величины поданного потенциала на пластины 4, 5. Предварительное снятие потенциала с пластин 4, 5 необходимо для более легкого вывода подвижных частей 24 из-под кронштейнов 7.

Силы отталкивания частей 1 и 2 башмака больше сил притяжения магнитов 29, сил растяжения пружин 3, сил сжатия пружины 10.

При необходимости поднять башмак на большую высоту подается высокий потенциал на пластины 16, 17 стопора 11 нижней части 2 башмака, которая описанным выше порядком стопорится на кронштейны 7. Далее поочередно снимается потенциал с пластин 26 и 27 стопора 22 и подается потенциал на пластины 4, 5. При этом верхняя часть 1 башмака расстопаривается, а отталкивание пластин 4, 5 производит подъем верхней части 1 башмака. Число таких операций определяется необходимой высотой подъема башмака и величиной потенциала, подаваемого на пластины 4, 5.

В стояночном положении башмак опущен. Стояночное торможение осуществляется магнитами 29. При необходимости более сильного стояночного торможения, например, на спусках или подъемах, подается потенциал на пластины 26, 27 стопора 22 (башмак стопорится), а затем на пластины 4, 5.

Для оценки электростатических сил отталкивания в некотором приближении воспользуемся формулой Кулона. В системе СИ

,

где ;

Е₀ - электрическая проницаемость в вакууме (к²/м²·Н);

r - расстояние между зарядами (пластинами) м.

При g₁=g₂=1 кулону и r=1 м

(см. книгу Зильберман. Электричество и магнетизм, 1970 г., стр.66-67).

Для создания заряда в 1 кулон требуется ничтожное количество электричества. Известно, что 1_кул=1_А×1_сек. Мощность источника электроэнергии для работы тормоза не превысит 40 Вт, что не менее чем в 100 раз меньше мощности известных электромагнитных тормозов.

Учитывая значительные размеры тормозного башмака, нетрудно обезопасить устройство от попадания потенциала частей с высоким потенциалом на другие части башмака. Безопасность использования от высокого напряжения обеспечивается отсутствием токопроводящих частей с высоким напряжением вне башмака. Защиту от пробоя высокого напряжения дополнительно можно обеспечить одним из известных способов.

Возможный кратковременный отрыв колес от рельсов невозможен при существующих степенях защиты от него и соответствующих расчетах. Но даже и в этом случае, при кратковременном подъеме вагона на доли мм, силы отталкивания сразу уменьшатся в десятки раз, что не позволит дальнейший подъем вагона и не вызовет неустойчивости и неуправляемости.

Предложенное устройство позволяет при минимальных затратах электроэнергии увеличить тормозное усилие и осуществлять подъем (опускание) башмака без сложных систем для этого, уменьшить металлоемкость устройства.