Устройства обеспечения безопасности движения поездов по железнодорожным стрелкам

Цикл статей:
Глава 1 – Устройства     обеспечения безопасности движения поездов по железнодорожным стрелкам

УСТРОЙСТВА ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ДВИЖЕНИЯ ПОЕЗДОВ ПО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫМ СТРЕЛКАМ

Функциональное назначение электроприводов

Железнодорожный стрелочный перевод это устройство, служащее для перевода подвижного состава с одного железнодорожного пути на другой (74).

Железнодорожный стрелочный перевод состоит из рамных рельсов, под­вижных остряков (в некоторых случаях, подвижного сердечника стрелочной крестовины) и стрелочного переводного механизма (стрелочного привода).

Собственно железнодорожный стрелочный привод является устройством, предназначенным для механического перемещения подвижных частей же­лезнодорожного стрелочного перевода.

Одиночные стрелочные переводы составляют 98% общего числа перево­дов сети ж.д. Стрелка состоит из пары рамных рельсов, пары подвижных остряков, корневых устройств остряков вкладышно – накладочнго или накла

дочного типа, опорных и крепежных деталей. Рамные рельсы укладываются- на переводные брусья и прикрепляются к ним через прокладки, башмаки и мостики пружинными клеммами.

Остряки укладываются на те же брусья и перемещаются электроприводом по стрелочным подушкам благодаря повороту относительно вкладышно – накладочного корневого крепления. Остряк с накладочным корневым креп­лением не поворачивается, а изгибается. Жесткость остряка снижается за счет вырезов вблизи корня в подошве с обеих сторон от полки. Этот остряк называется гибким и, чтобы оба остряка ходили параллельно при переводе, их соединяют между собой связными тягами. Стрелочные переводы с гибки­ми остряками и подвижным сердечником крестовины (ПСК) используют на скоростных участках дорог.

Стрелочный перевод характеризуется маркой крестовины и типом рель­сов. Марка крестовины означает отношение ширины сердечника к его длине. К крутым относятся стрелочные переводы с маркой крестовин 1/5, 1/6, 1/7, 1/9,1/11, а к пологим – 1/18,1/22,1/42, которая является тангенсом угла откло­нения при движении по стрелке на ответвление. Чем меньше значение марки крестовины, тем более пологая стрелка и тем больше разрешенная скорость движения поездов по ней. Для стрелочных переводов применяются различ­ные типы рельсов: Р50, Р65, Р75 (цифра означает массу одного погонного метра рельса).

Назначение стрелочного электропривода – перемещение остряков стрел­ки (и ПСК) из одного крайнего положения в другое, надежное удержание остряков (и ПСК) в этом положении при проходе поезда, передача информа­ции о крайнем положении на пост ЭЦ.

Крайним называется положение остряков, при котором один из них при­жат к рамному рельсу с допустимым зазором менее 4мм, а другой отведен от рамного рельса на расстояние не менее 125 мм.

Надежным удержанием остряков в крайнем положении называется уси­лие, при котором электропривод препятствует обратному ходу прижатого и отведенного остряков при походе по стрелке поезда. Эту функцию может выполнять сам привод внутренним механическим запирающим узлом. Такой привод называется – с внутренним запиранием. Удерживать прижатый остряк могут также внешние механические замыкатели, установленные на каждом рамном рельсе. Соответственно электропривод, работающий с такими замы­кателями, называется электропривод с внешним запиранием остряков.

Как уже ранее отмечалось электроприводы бывают взрезные – с механиз­мом, защищающем запирающие элементы привода от поломки во время взреза стрелки, т. е. когда колеса поезда принудительно перемещают остряки. Взрезные приводы применяется, в основном, на промышленном транспорте. Обязательным условием применения взрезных приводов является раздель­ный ход остряков стрелочного перевода, т. е. без использования связных тяг.

Большинство стрелочных переводов, применяемых сейчас на сети рос­сийских железных дорог, имеют жесткие связные тяги, что обусловило не­раздельный ход остряков. Поэтому повсеместно применяются невзрезные электроприводы, они просты по конструкции и кинематическая схема их достаточно надежна.

Все электроприводы преобразуют электроэнергию в линейное перемеще­ние шибера, при этом электромеханические – с помощью электродвигателя и механического редуктора; электрогидравлические – с помощью компрессора и клапанного цилиндра с жидкостью; электропневматические – компрессора и воздуха; электромагнитные – с помощью соленоида.

Однако наибольшее распространение в России и за рубежом получили электромеханические приводы.

Электроприводы российских железных дорог

В первых отечественных электрических централизациях применяли взрезной электропривод типа 3900 с внешним запиранием.

С 1935года стали применяться взрезные приводы с внутренним запи­ранием серии СПВ.

С 1957до 1960 года осуществлялся промышленный выпуск невзрез- ных электроприводов типа СП-1.

С 1960 по 1970 год изготавливались электроприводы типа СП-2. Электропривод типа СП-2 имеет один рабочий шибер и две контрольные ли­нейки. В приводе предусмотрен двусторонний выход рабочего шибера и кон­трольных линеек, что позволяет на стрелочной гарнитуре устанавливать при­вод с правой или левой стороны путем перестановки рабочего шибера и кон­трольных линеек. От ранее выпускаемого электропривода СП-1 электропри­вод СП-2 отличается измененной конструкцией редуктора, фрикционное сцепление с вала электродвигателя перенесено на вал редуктора.

С 1970 по 1973 год изготавливались электроприводы типа СП-2Р. В 1970 году было введено раздельное крепление рабочих и контрольных тяг с остряками стрелок. В связи с переходом на гарнитуры с раздельным крепле­нием рабочих и контрольных тяг диаметры присоединительных отверстий в контрольных линейках и рабочем шибере в электроприводе были увеличены: в контрольных линейках электропривода типа СП-2Р стали 15 мм вместо 12 мм в электроприводе СП-2; в рабочем шибере СП-2Р — 26 мм вместо 20 мм в СП-2. Электроприводы типов СП-2 и СП-2Р были рассчитаны на перевод­ное усилие 2,5 кН (максимальное 3,50 кН). Таким образом, электропривод СП-2Р отличается от выпускавшегося ранее СП-2 только увеличенным диа­метром отверстий на концах контрольных линеек и рабочего шибера.

С декабря 1973 года взамен электроприводов СП-2Р начали серийно выпускать стрелочные электроприводы типа СП-3. Стрелочный электропри­вод типа СП-3 имеет один рабочий шибер и две контрольные линейки; пред­назначен для перевода, запирания и контроля положения стрелок всех типов с нераздельным ходом остряков. В приводе предусмотрен двусторонний вы ход рабочего шибера и контрольных линеек, что позволяет на стрелочной гарнитуре устанавливать привод с правой и левой стороны стрелки (путем перестановки рабочего шибера и контрольных линеек).

Электропривод типа СП-3 имеет следующие преимущества перед ра­нее выпускаемыми СП-2 и СП-2Р:

• переводное усилие на рабочем шибере привода СП-3 увеличено на 2 кН и доведено в среднем до 4,5 кН. Привод может развивать максималь­ное переводное усилие до 6 кН за счет увеличения передаточного числа ре­дуктора до 70 вместо 55 и применения электродвигателя МСП-0,25 вместо МСП-0,1;
• облегчено эксплуатационное обслуживание в части быстроты за­мены пружин автопереключателя. В электроприводе СП-3 в автопереключа­телях применены пружины растяжения, которые устанавливаются над рыча­гами автопереключателя, взамен пружин кручения в СП-2Р;
• введен электрообогрев привода для уменьшения образования конденсата и устранения явления индевения контактов; установлены про­зрачные колпаки из пластмассы над контактными колодками для устранения попадания конденсата на контактные пластины, а также улучшена гермети­зация корпуса привода за счет увеличения захода бортов крышки на 18 мм вместо 13 мм в приводе СП-2Р.

С 1982 года начали серийно выпускать стрелочные электроприводы типа СП-6 для электрической централизации с улучшенными эксплуатаци­онными характеристиками по сравнению с электроприводами типа СП-3.

Для маневровых районов станций применяются также электроприводы типа СПГ-ЗМ на базе электропривода СП-6, бесконтактные электроприводы типа СПГБ-4 на базе электропривода СП-3, и СПГБ-4М на базе электропривода СП-6.

С января 1993 года начался выпуск электроприводов СП-6М вместо

СП-6.

Для скоростного движения выпускается электропривод СП-12У для работы с внешним замыкателем. Главным отличием электропривода СП-12У от СП-6М является увеличенный ход шибера (220мм) для того, чтобы запи­рание прижатого остряка осуществлял внешний замыкатель, ход контроль­ных линеек остался тот же 154 мм, а удержание отведенного остряка обеспе­чивается с помощью внутреннего замыкателя привода.

С июля 1995 года начали серийно выпускать бесконтактные горочные электроприводы СПГБ-4Б вместо СПГБ-4М.

Таким образом, в настоящее время для магистрального железнодо­рожного транспорта выпускаются, в основном, электроприводы СП-6М, СП-12У и горочные СПГБ-4Б.

На сортировочных механизированных горках для перевода, запира­ния и контроля положения стрелок с нераздельным ходом остряков приме­няются электроприводы типов СПГ-2, СПГ-3, СПГ-ЗМ, СПГБ-4, СПГБ-4М и СПГБ-4Б.

Электроприводы типов СПГ-2 и СПГ-3 имеют конструкцию, анало­гичную соответственно электроприводам СП-2 и СП-3, но передаточные числа редукторов у них меньше, благодаря чему достигается повышенная скорость перевода стрелки. Передаточное число редуктора привода СПГ-2 составляет 43 вместо 55 в СП-2, а привода СПГ-3 — 35 вместо 70 в СП-3.

Диаметры присоединительных отверстий в контрольных линейках горочных электроприводов типов СПГ-2 и СПГ-3 составляют 12 мм, в рабочем шибере — 20 мм, т. е. такие же, как в контрольных и рабочих ли­нейках приводов СП-2.

В горочных электроприводах СПГ-2 и СПГ-3 устанавливается элек­тродвигатель постоянного тока типа МСП-0,25 на номинальное напряжение 100 В. Для получения более высокой скорости перевода стрелки на клеммы электродвигателя подается напряжение 200 В.

Применяемые на сортировочных горках бесконтактные электропри­воды типа СПГБ-4 выпускались на базе электропривода СП-3.

Модификациями горочных электроприводов являются контактные электроприводы типа СПГ-ЗМ на базе электропривода СП-6, бесконтактные электроприводы типа СПГБ-4М на базе электропривода СП-6 и бесконтакт­ные электроприводы типа СПГБ-4Б на базе электропривода СП-6М.

В настоящее время выпускаются горочные электроприводы только типа СПГБ-4Б.

Ранее выпускавшиеся электроприводы серии СПВ предназначались для перевода, запирания и контроля положения стрелок с раздельным ходом остряков и имели два рабочих шибера и две контрольные линейки. В приво­дах СПВ предусматривался двусторонний выход рабочих шиберов и кон­трольных линеек, что позволяло на стрелочной гарнитуре устанавливать привод с правой или левой стороны стрелки (путем перестановки рабочих шиберов и контрольных линеек).

До 1974 года изготавливались электроприводы типа СПВ-5, которые имели максимальное переводное усилие 2500 Н. С 1974 по 1990 год изготав­ливались электроприводы типа СПВ-6, которые имели по сравнению с СПВ-5 следующие преимущества:

– переводное усилие на рабочих шиберах привода СПВ-6 увеличено до 3 кН, за счет применения типового редуктора от электропривода типа СП-2Р с передаточным числом 55 вместо 43 и электродвигателя постоянного тока типа МСП-0,25.

– улучшено эксплуатационное обслуживание в части быстроты замены пру­жин автопереключателя. В электроприводе СПВ-6 в автопереключателях применялись пружины растяжения, которые устанавливались над рычагами автопереключателя, взамен пружин кручения в приводе СПВ-5; был введен электрообогрев привода для уменьшения образования конденсата и устране­ния явления индевения контактов и установлены прозрачные колпаки из пла­стмассы над контактными колодками для устранения попадания конденсата на контактные пластины.

Увеличение массы и скоростей движения поездов, применение новых конструкций стрелочных переводов из рельсов тяжелых типов с гибкими остряками, жестко связанными между собой тягами, исключили возможность применения электроприводов серии СПВ, требующих обязательно раздель­ного хода остряков. Учитывая это, а также целесообразность применения на сети железных дорог единой унифицированной конструкции, производство электроприводов серии СПВ для магистрального транспорта прекращено.

Электроприводы серий СП, СПГ и СПВ обеспечивают ход рабочих шиберов (154+2) мм и имеют контактную систему врубающегося типа.

Горочные электроприводы СПГБ-4, СПГБ-4М и СПГБ-4Б имеют бес­контактные автопереключатели. Применяемые в метрополитенах электро­приводы СП-6БМ имеют также бесконтактные автопереключатели.

Внутри электроприводов всех типов имеется блокировочные (кур- бельные) контакты, отключающие электродвигатель привода от питающих линейных проводов после открытия крышки привода в целях безопасности обслуживающего персонала от увечий при случайном пуске привода с поста ЭЦ во время ручного перевода. При отсутствии электропитания привод мо­жет быть переведен с помощью специальной курбельной рукоятки, поставляемой вместе с каждыми пятью электроприводами. При снятом элек­тродвигателе привод может быть также переведен на ручное управление, для чего к каждым пяти приводам, помимо специальной рукоятки, прикладыва­ется удлиненная ось ручного перевода.

Функциональные узлы первого невзрезного электропривода СП-1 и последнего СП-6М принципиально не отличаются, поэтому на рисунке 1.1 приведена кинематическая схема СП-6М. Здесь: 1- корпус привода, 2- шибер, 3- контрольные линейки, 4- главный вал с шиберной шестерней, 5- шайба главного вала, 6- редуктор с фрикционной муфтой, 7- соединительная муфта, 8- электродвигатель.

На рисунке 1.2 представлен привод типа СП-6БМ с бесконтактным ав­топереключателем: 1- корпус, 2- электродвигатель, 3- редуктор с фрикцио­ном, 4- бесконтактные датчики АП, 5- контрольные линейки, 6- шебер,7- главный вал, 8- розетка для включения лампы освещения, 9- муфта сцепления, 10- курбельная заслонка, 11- защитные блок-контакты.

Во всех приводах серии СП (кроме СПГБ и СП-6БМ) используется контактная группа открытого типа с врубным (ножевым) способом замыкания пружинных контактов, установленных в АП привода на месте поз.4 рисунка 1. 2.

В 1999 году начато серийное производство новых электроприводов — винтовых невзрезных с внутренним замыкателем типа ВСП-150. Электро­привод ВСП-150 разработан на новой элементной базе. Кинематическая схе­ма электропривода ВСП-150 приведена на рисунке 1.3 и состоит из следую­щих основных узлов: 1 — электродвигатель; 2 — кулачковая муфта; 3,5 — двухступенчатый редуктор; 4 — металлокерамическая муфта; 6, 7 — шари- ковинтовая пара (ШВП); 8, 9 — демпфирующие устройства; 10 — механизм запирания; 11 — шибер; 12,13 — контрольные линейки; 14 — автопереклю­чатель; 15 — клеммная колодка; 16 — контакты безопасности; 17, 18 — кур- бельные заслонки.

Все узлы смонтированы в чугунном корпусе, закрываемом стальной крышкой.

Основными отличиями привода В СП от приводов серии СП являют­ся: применение в редукторе шарико-винтовой пары для повышения КПД ме­ханической передачи, применение многокулачкового запирающего механиз­ма для более надежного запирания шибера, применение ролико-рычажного контрольного механизма с электрическими быстродействующими микропе­реключателями для коммутации рабочей и контрольной цепей привода.

Все электроприводы применяемые сейчас на сети РЖД имеют два существенных, особо важных для скоростных дорог, функциональных недос­татка – они не контролируют фактическое прижатие остряка (и ПСК) к рам­ному рельсу.

Контрольное устройство электропривода контрольными линейками контролирует нормативное перемещение остряков относительно привода, а не фактическое прижатие их к рамному рельсу, так как точкой отсчета явля­ется место крепления привода на стрелочном переводе, в нашем случае, не рамный рельс, а фундаментные угольники.

Силовая механическая цепь удержания остряков: «шибер – рабочая тяга – межостряковая тяга – остряки» рассчитана лишь на надежность ее эле­ментов. Отказ любого элемента этой цепи приводит к потере запирающей способности всей силовой цепи, что может привести к сходу поезда.

В зарубежных приводах на скоростных участках железных дорог в настоящее время используются автономные устройства контроля положения остряков, которые крепятся к рамным рельсам и контролируют фактическое положение каждого остряка относительно своего рамного рельса, а функция запирания дублируется, т. е. кроме шибера, остряки запираются и контрольными линейками (привод 8700 Германия).

Анализ нарушений работы электроприводов

При анализе отказов устройств ЖАТ по всем 17 дорогам РЖД доля отказов хозяйства автоматики и телемеханики (служба Ш) по статистическим данным департамента автоматики и телемеханики занимает первое место ( 53%), второе место – служба пути П (30%), третье -Э (11%).

Общее количество ежегодных отказов устройств СЦБ распределяется следующим образом: электрическая централизация (ЭЦ) – 56%, автоблоки­ровка АБ – 40%, полуавтоматическая блокировка ПАБ – 0,7%, переездная сигнализация ПС – 0,2%, диспетчерская централизация ДЦ – 1,5%, устройст­ва ключевой зависимости МКУ – 1,3%, остальные – 0,4%.

В свою очередь системы ЭЦ по отказам своих устройств распределя­ются так: блочная маршрутно-релейная – 48%, блочная без маршрутного на­бора – 21%, маршрутно-релейная – 16%, релейная без набора – 10%, микро­процессорная – 4%, релейно-процессорная – 1%.

Нарушение нормальной работы ЭЦ по причине отказов своих эле­ментов распределены следующим образом:

• монтаж стативов, релейных шкафов и др. – 23%;
• элементы рельсовых цепей – 15%;
• аппаратура релейная, бесконтактная – 15%;
• стрелочные электроприводы и гарнитура – 15%;
• кабельные и воздушные линии – 11%;
• светофоры – 9%;
• элементы защиты от перенапряжений – 8%;
• пульты табло, аппараты управления – 3%.

Всего на сети дорог РФ по состоянию на 01.01.2011г. в эксплуатации находится около 130 тыс. стрелочных электроприводов. В основном используются приводы типа СП-6 (26%) и СП-6М (61%). В эксплуатации на­ходятся также приводы СП-2 (3), СП-12, СП-6К, ВСП и СПГ.

Количественные показатели работоспособности приводов по типам приведены на диаграмме рисунке 1.4. Этот показатель представляет собой отношение количества отказавших к общему количеству эксплуатируемых приводов данного типа.

Отказы по узлам привода распределяются в следующих процентные соотношениях от общего количества отказов привода:

• отказ автопереключателя – 45%;
• отказ курбельных контактов – 11%;
• отказ фрикционной муфты – 8%;
• отказ при неисправности монтажа – 9%;
• отказ электродвигателя постоянного тока – 20%;
• отказ электродвигателя переменного тока – 4%;
• отказ шибера и контрольных линеек – 6%.

Неисправности автопереключателя привода происходят по следую­щим причинам:

• разрегулировка контактов – 57%;
• индевение контактов – 14%;
• излом пружин – 12%;
• обрыв монтажа – 4%;
• излом контактных колодок -3%;
• излом контрольного рычага – 1%.

Некачественная регулировка контактной системы является следстви­ем невыполнения работ, предусмотренных технологической картой №14 в том числе по использованию шаблонов и специального приспособления для проверки и регулировки расстояния между пружинами контактной колодки.

Индевение и обледенение контактов наблюдается в приводах СП-2, где нет обогрева, и в СП-3, где обогрев не эффективен из-за отдаленного рас­положения резисторов обогрева от контактной системы. Кроме этого, есть случаи несвоевременного включения устройства обогрева.

Электродвигатели постоянного тока отказывают по следующим при­чинам:

• обрыв обмотки якоря -31%;
• отказ щеточного узла – 27%;
• неисправность коллектора – 20%;
• неисправность обмотки статора – 10%;
• неисправность монтажа – 5%;
• неисправность ротора – 4%;
• неисправность изоляции – 3%.

Электродвигатель переменного тока отказывает при обрыве обмотки статора и при неисправности изоляции чаще всего по причине заводского брака.

Таким образом, основным направлением снижения процента отказов является замена устаревшего контактного блока АП привода на необслужи­ваемый бесконтактный, замена блок контактов (курбельных) на современные выключатели и замена щеточных электродвигателей постоянного тока на бесколлекторные.

В некоторых зарубежных электроприводах используются бесконтакт­ные датчики для контроля положения шибера, например, в шведском EBI Switch 2000, а электродвигатели применяются, в основном, трехфазные и однофазные переменного тока, что значительно повышает надежность при­вода в целом.

Одним из важнейших отказов, нарушающих безопасность движения поездов является аварийная ситуация взреза стрелки, при которой поезд, дви­гаясь не санкционировано по стрелке, принудительно перемещает остряки из нормального запертого одного крайнего положения в противоположное. При этом происходят непрогнозируемые события: деформация гарнитуры, эле­ментов привода, остряков и, вполне вероятно, получение ложного контроля положения стрелки, что в итоге приводит к сходу подвижной единицы. Уст­ройства, которое гарантированно контролирует событие взреза, в настоящее время на сети РЖД нет.

Выводы

1. За 76 лет эксплуатации стрелочных электроприводов серии СП выявились очевидные, подтверждаемые ежегодной статистикой, недостатки, требующие незамедлительной модернизации слабых узлов, к числу которых следует прежде всего отнести автопереключатель и блок – контакты.
2. Увеличение скоростей и тоннажа поездов требует пересмотра су-ществующего традиционного принципа построения устройства перевода стрелок с целью повышения надежности запирания и контроля фактического положения остряков и подвижных сердечников крестовин.
3. Неблагополучная статистика ежегодных отказов обязывает провес¬ти научный анализ опасных ситуаций, которые могут привести к нарушению безопасности движения и неоправданным задержкам поездов, и определить пути решения этих проблем.
4. Задачами настоящих исследований являются также разработка ма-тематической модели, описывающей динамику механического воздействия колес поезда при проходе по стрелке, в том числе при ее взрезе. Полученные теоретические данные сопоставятся с проведенными экспериментальными исследованиями и будут обоснованы Нормы безопасности, при соответствии которым стрелочные электроприводы обеспечивают безопасное движение поездов по стрелочным переводам.
5. Целью данной работы является на основании анализа, научных ис-следований, экспериментальных данных, опыта отечественной и зарубежной эксплуатации стрелочных переводных устройств определить реальные пути создания нового стрелочного переводного устройства, обеспечивающего безопасное движение поездов по стрелке, в том числе и высокоскоростное движение.

Список литературы

1. Апатцев В.И. Оптимизация работы железнодорожных узлов. // Желез-нодорожный транспорт. – 1998. – № 11. – С. 2.
2. Щелоков А.И., Шапкин И.Н. Новое в технологии и управлении пере¬возками. // Железнодорожный транспорт. – 1995. -№8. – С. 8.
3. Шафиркин В.Б. Совершенствование управления перевозками. // Желез-нодорожный транспорт. – 2000. – №3. – С. 40.
4. Гришин С.А. Стратегия управления перевозками на современном этапе. // Железнодорожный транспорт – 2001. – №1. – С. 10-17.
5. Аветикян М.А. Высокие технологии перевозочного процесса. // Желез-нодорожный транспорт – 2001. – №11.- С. 73.
6. Правила технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации, – М.: Транспорт, – 2000. – 191 с.