Боксова́ние, явление проскальзывания колёсных пар (локомотива или моторвагонного подвижного состава) по отношению к поверхности рельса, при котором поверхность качения колёсной пары имеет линейную скорость выше, чем поверхность рельса, по которой катится колёсная пара. Это вызвано превышением приложенного тягового усилия над максимально возможным в точке контакта колеса и рельса. Боксование увеличивает частоту вращения колёсной пары без соответствующего линейного перемещения состава.

Боксование паровоза может привести к повреждению паровой машины. При боксовании тепловоза, электровоза или моторвагонного подвижного состава с электроприводом происходит резкое увеличение частоты вращения тяговых двигателей, что ухудшает коммутацию. Это может вызвать круговой огонь по коллектору.

Длительное боксование называется разносным. При разносном боксовании резко увеличивается частота вращения якоря тягового электродвигателя. Также происходит увеличение центробежной силы, которая действует на якорную обмотку, находящуюся в пазах якоря. Разносное боксование приводит к размотке бандажа якоря, выдавливанию клиньев и петель самой обмотки из пазов. В этом случае тяговый двигатель повреждается до такой степени, что может требовать капитального ремонта. Также боксование приводит к образованию пропилов на головке рельса, что ускоряет износ. От сильного трения металл разогревается, в результате чего течёт в стороны. Для ликвидации таких дефектов необходимо производить шлифовку.

Для предотвращения боксования используют подачу песка в область контакта колеса с рельсом. Также осуществляют автоматическую регулировку тягового момента.

Причины боксования

Боксованию способствует ряд факторов. Например, во время слабого дождя происходит увлажнение рельса. Загрязнение поверхности рельса или поверхности катания бандажа колёсной пары маслянистыми жидкостями также способствует боксованию. Боксование происходит при наличии на колёсной паре большого проката, так как это уменьшает пятно контакта колеса и рельса. Нахождение тягового подвижного состава в кривой малого радиуса тоже может привести к боксованию, так как при этом возникает проскальзывание.

Чаще всего боксованию подвержены паровозы. Это связано с неравномерностью крутящего момента, создаваемого поршневой паровой машиной, и спаренностью колёсных пар. Наименее склонны к боксованию электровозы и тепловозы с независимым управлением тягой каждой оси.

Развитию боксования способствует автоматический пуск при плавном фазовом или импульсном регулировании. Быстродействующее импульсное регулирование способно поддерживать пусковой ток неизменным и при начавшемся боксовании. Для предотвращения боксования требуется не менее быстродействующая электронная система защиты, прекращающая дальнейшее регулирование до восстановления сцепления колёсных пар. Это относится и к автоматическому регулированию при электрическом торможении электропоездов.

Прогнозирование боксования

Проблема борьбы с боксованием актуальна в мировом масштабе.

Для обнаружения начавшегося боксования были созданы противобоксовочные системы, которые обнаруживают начавшееся боксование в моменте превышения предела по сцеплению, а также когда скорость скольжения колёсной пары достигает определённой величины.

Для прогнозирования боксования используют математические модели, методики и алгоритмы динамических процессов в тяговых приводах локомотивов в режимах перехода от устойчивой тяги к боксованию. В качестве информативного признака для прогнозирования боксования приняты продольные ускорения буксы, так как она первой воспринимает и передаёт экипажу продольное усилие от оси колёсной пары, возникающее в контакте колеса с рельсом при создании тяги.

Известен способ обнаружения и предотвращения боксования колёсной пары рельсового транспортного средства, согласно которому сравнивают электрический сигнал, характеризующий режим работы колёсной пары, с заданным пороговым значением по частоте (Патент № 2072670).

Другой способ заключается в том, что при возникновении боксования одной или нескольких колёсных пар и изменении сигналов, пропорциональных ускорению (замедлению) колёсных пар до заданного уровня, вырабатывают управляющие сигналы, изменяющие режимы работы систем электропривода (Киреев А. В. Способ защиты от боксования и юза колесных пар электроподвижного состава с вентильно-индукторным электроприводом. Патент РФ (RU) 2382707. 2010).

При возникновении боксования одной или нескольких колёсных пар используют способ, при котором измеряются текущие активные электрические мощности статорных обмоток асинхронных тяговых двигателей, текущая температура внешней среды и текущее горизонтальное положение тяговой секции. Измеренные значения подают на входы заранее обученной искусственной нейронной сети прямого распространения, а с выхода получают значение глубины процесса боксования. Текущие значения активных электрических мощностей статорных обмоток асинхронных тяговых двигателей и значение глубины процесса боксования используют для определения пороговой мощности. Далее вычисляется абсолютная разница измеренных значений активных электрических мощностей, которую сравнивают с пороговой мощностью, после чего выдают корректирующий сигнал о снижении угловой частоты вращения движущейся с избыточным скольжением колёсной пары или угловых частот вращения движущихся с избыточным скольжением колёсных пар (Харисов И. Р. Способ защиты от боксования электроподвижного состава с асинхронными тяговыми двигателями. Патент РФ (RU) 2741851. 2020).

Устройства автоматической защиты от боксования

При автоматическом управлении обычно сохраняется и ручное управление подачи песка.

На всех локомотивах предпочтительно прекращать боксование автоматическим снижением силы тяги только боксующего двигателя или двигателей данной параллельной цепи.

На электропоездах обычно не устанавливают песочниц и защита от боксования осуществляется средствами регулирования силы тяги и торможения. На моторных вагонах реле боксования фиксирует достигнутую ступень пуска, пока скорость поезда не повысится, а ток и сила тяги двигателей данного моторного вагона не понизятся настолько, что боксование прекратится. Тот же результат достигается понижением уставки реле ускорения. В этом случае также прекращается автоматический пуск на моторном вагоне, где началось боксование колёсной пары, до тех пор, пока ток двигателей не достигнет пониженной уставки реле ускорения. Аналогично действует и реле юза при электрическом торможении.

В качестве датчиков боксования используются тахогенераторы постоянного или переменного тока и индукционные генераторы частоты, устанавливаемые в буксах всех осей локомотива. Применяются также индукционные датчики зубцовой частоты редукторов тяговых двигателей.

Прекращение боксования на электровозах постоянного тока можно осуществлять, вводя в цепь боксующего двигателя секции пусковых реостатов. Также боксование можно остановить путём усиления возбуждения двигателей этой цепи. Последнее возможно только при движении электровоза на ступенях ослабленного возбуждения, так как возможно усиление его размыканием шунтирующих цепей.

При последовательном соединении нескольких двигателей (4, 6, 8) силу тяги двигателя боксующей колёсной пары можно понизить ослаблением его возбуждения. Если в цепи из 4 и более двигателей шунтировать обмотку возбуждения одного, то общая электродвижущая сила уменьшится незначительно, соответственно недостаточно возрастёт ток. При значительном уменьшении динамической стабилизации и магнитного потока двигателя его сила тяги резко уменьшится. Этот способ непригоден, когда последовательно соединены только два двигателя, так как ослабление возбуждения одного из них вызывает большой прирост тока и силы тяги второго двигателя.

Эффективен способ защиты от боксования замыканием уравнительного соединения между якорями и обмотками возбуждения двигателей, применённый на электровозах ВЛ10. При боксовании двигателя в одной из параллельных цепей происходит рост тока возбуждения двигателей этой цепи и падение тока в цепи их якорей. Этот способ можно использовать и для защиты от юза при электрическом торможении.

Защита с помощью уравнительных соединений может быть выполнена со встречно включёнными диодами. Число последовательно включённых диодов в уравнительном соединении выбирают так, чтобы их суммарное пороговое напряжение было несколько выше возможной разности потенциалов точек их подключения, возникающей вследствие отклонений сопротивлений параллельных цепей обмоток возбуждения и неравномерности токов в нормальном режиме работы.

В настоящее время применяют бесконтактные системы, выполняющие функции реле боксования, которые реагируют на разность электродвижущей силы якорей и на скорость изменения этой разности, что обеспечивает их срабатывание в самом начале развития боксования.