employee
Russian University of Transport (Associate Professor)
Moscow, Moscow, Russian Federation
employee
Moscow, Moscow, Russian Federation
employee
Russian University of Transport (MIIT) (Department of Technology of Transport Engineering and Repair of Rolling Stock, Professor)
employee
Moscow, Moscow, Russian Federation
employee
Moscow, Moscow, Russian Federation
UDK 629.423 Электроподвижной состав
BBK 392 Железнодорожный транспорт
The study objective: to determine the main factors affecting the capacity of railway rolling stock braking systems. The task to which the paper is devoted is to find the algorithm for controlling the rolling stock braking process and choosing the most effective principle of the braking system. Research methods: computational and analytical method of mathematical modeling and practical research. Novelty of the work: a promising concept of the rolling stock braking system is proposed. Study results: it is proved that eddy current braking is a sufficiently effective way of controlling the speed of movement, which is especially important in extreme conditions to ensure safety. Conclusions: the use of hybrid designs of braking systems can significantly increase the braking efficiency and thereby increase the maximum safe speed of high-speed trains.
induction, magnetic field, braking, velocity vector, wear, eddy current brakes, train, equipment
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 WD. Linear eddy current brake of ICE3 train. ZDMira. 2003;1:34-50.
2. Babaev AM, Smirnov AS. Eddy current brakes of rail transport. Railway Engineering Magazine. 2015;4:50-53.
3. Ozolin AYu. Braking of cars by systems with permanent magnets [dissertation]. [St. Petersburg (RF)]; 2009.
4. Obodovsky YuV. Dynamics of electromechanical devices with permanent magnets [dissertation]. [St. Petersburg (RF)]; 2004.
5. Efremov AYu. Experience of using a linear eddy current brake. Based on materials from Siemens, Knorr-Bremse and DB Systemtechnik. ZDMira. 2011;8:47-54.
6. Norms for the calculation and design of new and modernized railcars of MPC 1520 mm (non-self-propelled) gauge. VNIIV-VNIIZHT; 1996.
7. Kazarinov AV. Testing of the magnetorail brake on the electric train "Sokol". Russian Railway Science Journal. 2002;2:24-28.
8. Karminsky DE. Rail brakes on permanent magnets. Russian Railway Science Journal. 1972;8:42-45.
9. Hendrix V. The electric part of the eddy current brake. ZDMira.1986;8:10-14.
10. Bestsennaya OV. Development and testing of brakes on eddy currents. Russian Railway Science Journal. 1981;1:43-45.
