Совершенствование элементов СПУ

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

Глава 2 – Анализ структуры и режимов работы стрелочных переводных устройств(СПУ)

Глава 3 – Синтез СПУ нового поколения

Глава 4 –Совершенствование элементов СПУ

Глава 5 – Схемы управления СПУ

Модернизация электроприводов серии СП

При создании нового СПУ учитывалась необходимость модерниза­ции применяемых в настоящее время на сети РЖД приводов серии СП.

Эта модернизация направлена прежде всего на замену контактного блока АП ножевого открытого типа, на долю которого приходится половина от всех отказов привода.

У электроприводов серии СП на главном валу редуктора находится шиберная шестерня, угол поворота которой определяет линейный ход шибе­ра.

Узел запирания использован кулачкового типа и выполнен в виде скошенных зубьев шиберной шестерни и шибера. Запирание происходит после поворота шестерни, когда ее скошенный зуб упрется в скошенный зуб шибера в кон­це его хода. При этом, обратному ходу шибера препятствует скошенный зуб шестерни, но по прямому ходу обеспечивается возможность свободного движения (в пределах 12мм) шибера. Этим достигается защита узла запира­ния привода от разрушения, т. к. при проходе поезда по стрелке остряк с рамным рельсом упруго смещаются относительно оси пути.

Узел контроля или автопереключатель (АП) привода СП исполнен как механический компаратор, т. е. как элемент сравнения, во-первых, нор­мированного хода шибера и его запирания и, во-вторых, фактического пере­мещения на заданное расстояние контрольных линеек вслед за остряками стрелки. В случае совпадения этих двух событий в АП под действием пру­жины переключается контрольный рычаг. Западание ролика рычага в вырез шайбы главного вала подтверждает, что шибер заперт после нормированно­го хода, а западание клювообразного конца рычага в вырезы контрольных линеек подтверждает, что остряки стрелки переместились на заданное рас­стояние. Контрольный рычаг управляет электрическими контактами АП.

Перемещение контрольного рычага из рабочего положения в контрольное под действием пружины обеспечивает быстрое (мгновенное) размыкание контактов, управляющих электродвигателем, что особенно важно для двига­телей постоянного тока.

Электрический элемент приводов СП – это контактная группа, со­стоящая из открытых подвижных и неподвижных контактов, так называемый АП ножевого типа. Причиной отказов АП является нарушение в процессе эксплуатации соосности подвижных и неподвижных контактов. Это приво­дит к изгибу неподвижных пружинных контактов, уменьшению контактного давления, искрению и нагреванию контактной поверхности и, затем к нару­шению (обрыву) контакта электрической цепи. Кроме этого поверхности от­крытых контактных пружин индевеют при низких температурах окружаю­щего воздуха, что также приводит к нарушению контакта.

В качестве электрических элементов АП в зарубежных электропри­водах чаще всего используются электрические кнопочные микропереключа­тели /15/. Благодаря малому ходу (2-3 мм) кнопки для мгновенного переклю­чения контактов, такие микропереключатели иногда используют непосредст­венно для контроля нормативного хода шибера.

Выключатели (датчики перемещения) могут быть контактные и бес­контактные, во – первых, по способу взаимодействия с контролируемым объектом, т.е. с физической механической связью или без нее, во – вторых, по используемой элементной базе – контакты с физическим разрывом элек­трической цепи (контактные) или полупроводники, трансформаторы, рези­сторы (бесконтактные). К бесконтактным, по способу управления, можно отнести датчики с магнитоуправляемым герметизированным контактом – герконом. Примером использования отечественных бесконтактных (по эле­ментной базе) датчиков является стрелочный горочный электропривод СПГБ-4. В нем используются бесконтактные датчики типа ДБП и ДБ Л трансформаторного типа с подвижным сердечником, которым управляет контрольный рычаг АП.

Из всего многообразия бесконтактных датчиков, давно и успешно применяемых в промышленности, для стрелочных электроприводов подхо­дят не многие. Применение ограничено требованиями безопасности, которые предъявляются к напольным устройствам и ответственным цепям железно­дорожной автоматики.

Главным при выборе датчиков является то, что отказ любого элемен­та (в том числе и датчика АП) контрольной цепи схемы управления электро­приводом не должен привести к получению на посту ЭЦ ложного контроля положения стрелки.

Отказ может произойти как от внешних воздействий на контрольный датчик, так и от его внутренних внезапных или постепенных изменений.

Отказами схемы управления и контроля электропривода (схемы) яв­ляются случайные однополюсные физические сообщения проводов, в том числе и с проводами смежных цепей. Отказами схемы являются также оши­бочные действия обслуживающего персонала: перепутывание линейных про­водов (жил) в кабельных муфтах и проводов контрольных датчиков, корот­ком замыкании или обрыве проводов. Кроме этого схема должна контролировать внезапную потерю управляемости датчика. Указанные отка­зы схемы не должны приводить к ложному контролю на посту ЭЦ.

На работу датчиков могут оказывать влияния: соседние по кабелю цепи – через емкость кабельных жил; наведенные электромагнитные токи от линий электротяги и высоковольтных линий электропередачи, электростати­ческие источники; выбросы токов при выключении индуктивных нагрузок (реле) и другие факторы.

В этой связи датчики, чувствительные к внешним электромагнитным влияниям (к ним относятся индуктивные, емкостные, оптические, датчики

Холла и др.) совместно со схемой их включения обязательно проверяются на ЭМС в испытательных центрах. Реально возникающие при эксплуатации внешние воздействия не должны приводить к отказу датчика.

Все датчики проверяются также на функциональную безопасность, при которой отказ в виде короткого замыкания или обрыва внутреннего эле­мента датчика не должен привести к получению ложного контроля.

В полупроводниковых датчиках кроме коротких замыканий и обры­вов при анализе безопасности учитывается возможная трансформация (пере­ход) транзистора или тиристора в диод и, если схема это не контролирует защитным отказом, применение такого датчика недопустимо.

Исследования автора и анализ структуры различных датчиков, их ха­рактеристик, конструкций, области применения в промышленности, обеспе­чения датчиками отраслевых требований безопасности, а также экономиче­ской целесообразности, привели к выводу, что наиболее пригодными для применения в АП привода являются датчики трех типов: трансформаторные с подвижным сердечником, резистивные и герконовые.

Принцип действия трансформаторного датчика основан на индуктив­ном взаимодействии двух электрических обмоток через общий сердечник (рис.4.1), который непосредственно физически связан с контрольным рыча­гом АП. На одну обмотку датчика подается напряжение, вторая обмотка под­ключена к нагрузке. Если контрольный рычаг привода подвел сердечник к обмоткам, то возникает трансформация полезного сигнала на выходе датчика и на нагрузке.

Принцип действия резистивного датчика основан на изменении элек­трического сопротивления в контрольной цепи при взаимодействии кон­трольного рычага АП и ползунка переменного резистора (рис.4.2).

Переменный резистор при этом работает в режиме «включено – вы­ключено». Выключению соответствует максимальное сопротивление на вы­ходе датчика, включению – минимальное. Коммутация при этом происходит без физического разрыва электрической цепи. Современные переменные ре­зисторы с металлопластиковой дорожкой обеспечивают высокую надежность датчиков при требуемых на РЖД условиях эксплуатации.

Принцип действия герконового датчика основан на взаимодействии и взаимоположении геркона и постоянного магнита. Магнит датчика конструк­тивно связан с контрольным рычагом АП и, в зависимости от его положения, включает или выключает геркон (рис.4.3). Закрытый стальной корпус датчи­ка защищает геркон от внешних магнитных полей.

Герконы и герконовые датчики широко применяются в устройствах связи, станкостроении, авиации, автомобилях и др., как дешевые и надежные устройства. Автором разработана конструкция герконового датчика для привода СП-6М, который в настоящее время проходит опытную эксплуата­цию на станции Краснодар-1.

Приведенные выше три типа датчиков имеют общие достоинства – необслуживаемость и надежность при работе в условиях эксплуатации стре­лочного электропривода.

Применение указанных датчиков позволяет исключить характерные отказы типового ножевого АП стрелочного электропривода серии СП, сде­лать его необслуживаемым на весь срок эксплуатации. Применение приводов с указанными датчиками невозможно без при­вязки их к действующим схемам управления приводами или без разработки новых схем с контрольными цепями, отвечающими существующим требова­ниям безопасности для движения поездов.

В разделе 3 определена функциональная схема нового СПУ, в составе которого обязательными являются следующие функциональные узлы:

• перевода стрелки вручную (курбельной рукояткой);

• перевода стрелки дистанционно, с поста ЭЦ по электрическому ка­белю с помощью схемы управления электродвигателем привода
• ограничения усилия перевода с помощью фрикционной муфты в редукторе электропривода;
• запирания остряков стрелки;
• контроля положения остряков;
• контроля запирания остряков;
• блок — контакты отключения электродвигателя от линейных про­водов на время ручного перевода стрелки;
• внутренний замок крышки привода;
• соединения привода с остряками (тяги);
• крепления привода на стрелочном переводе.

По принципу построения в составе СПУ могут применяться электро­приводы:

1. – с внутренним запиранием шибера и контролем соответствия за-пирания и положения контрольных линеек (типа СП-6, ВСП-150), в которых ход шибера нормирован;
2. – с внутренним запиранием шибера и контролем положения кон-трольных линеек и с внешним механическим замыкателем (типа СП-12У с ВЗ-7), где ход шибера так же нормирован;
3. – с внутренним запиранием шибера (с винтовым самоблокирую¬щимся редуктором – ВСР) и внешним контролем положения остряков стрелки (два авто-номных контроллера). При этом привод не имеет кон¬трольных линеек, а ход шибера не нормирован;
4. – с внутренним запиранием шибера (с ВСР и контролем положения контрольных линеек и с внешним замыкателем с электрическим контролем замы-кания (положения кляммеры), ход шибера не нормирован;
5. – без внутреннего запирания и контроля, с внешними замыкате¬лями – контроллерами (ВЗК), без контрольных линеек, где ход шибера не нормирован;
   6.- с внутренним запиранием без контроля запирания (с ВСР) и с внешним ВЗК, где ход шибера не нормирован.

Для реализации нового СПУ, который автоматически выбирает зазо­ры своей гарнитуры, варианты 1 и 2 приводов с нормированным ходом ши­бера не подходят.

Вариант 3 подходит для всех стрелок, где не требуется особые усло­вия запирания остряков (как для высокоскоростного движения поездов). Тре­буемая надежность запирания в этом варианте обеспечивается прочностью гарнитуры. Изолирующих втулок в гарнитуре нет, кроме прокладки в соеди­нении двух частей межостряковой тяги, поэтому зазоры могут возникать только в шарнирах гарнитуры по мере их износа.

Если внешний замыкатель обеспечивает надежное удержание прижа­того и отведенного остряка при проходе поезда, то внутреннее запирание шибера в приводе можно не предусматривать. Но это возможно только с внешним замыкателем, который запирает остряк как в прижатом к рамному рельсу положении, так и в отведенном положении, т.е. обеспечивается двой­ное запирание через межостряковую тягу.

Если внешний замыкатель удерживает только прижатый остряк, а отведенный удерживается только межостряковой тягой, то при отказе, т.е. при ее отсоединении, отведенный остряк может уйти под составом в зону менее 125 мм, что опасно для движения поездов.

Наличие в приводе внутреннего контроля по вырезам двух контроль­ных линеек, как известно, защищает типовой СПУ от получения ложного контроля при обрыве межостряковой тяги. Но, при использовании автоном­ных контрольных устройств, в таком контроле внутри привода, нет необхо­димости. При использовании ВЗК двух положений, с межостряковой тяги функция удержания отведенного остряка снимается.

В варианте 4 внешний замыкатель работает только при механической связи с приводом. Это усложняет регулировку СПУ, а наличие длинных тяг в шпальном ящике усложняет его эксплуатацию.

В варианте 5 осуществлено двойное запирание, а в варианте 6 – трой­ное:

прижатый остряк удерживает ВЗК-1;отведенный остряк удерживает ВЗК-2;

через межостряковую тягу каждый остряк дополнительно удерживается противоположным ВЗК и приводом с внутренним запирающим механиз­мом.

Поэтому в варианте 6 обеспечивается повышенная надежность СПУ. Исходя из выше сказанного, автор предлагает две новые модели СПУ.

В состав первой модели СПУ повышенной надежности, входят (рис.4.4):

1. электропривод (СЭП) с винтовым редуктором ВСР и ненормированным ходом шибера (200-250мм), установленный на отдельном бетонном основа­нии;
   1. два внешних замыкателя – контроллера (ВЗК-1 и ВЗК-2) с тягами;
      1. одна рабочая тяга и две межостряковых тяги.

В состав второй модели СПУ входят (рис.4.5):

1. СЭП с ВСР, установленный на шпалах;
   1. два контроллера (КУ1 и КУ2), установленных на рамных рельсах;
      1. одна рабочая тяга привода и одна межостряковая тяга.

Принципиальная схема электропривода нового СПУ изображена на рис.4.6 и состоит из: электродвигателя (Д) с двухсторонним выходом вала для возможности ручного перевода, винтового редуктора с самоблокировкой (ВСР), фрикционной муфты (Ф), шибера (Ш), защитных блок – контактов (БК) и ограничителей (ВК1 и ВК2) максимального хода винта редуктора.

Д, Ф, ВСР, Ш, ВК1 и ВК2 объединены в единое устройство, которое называется линейным приводом (ЛП) или актуатором и изготавливается оте­чественной промышленностью.

Особенностью линейного привода является то, что он компактный (вес 5-7 кг), не требует обслуживания, имеет высокий КПД и герметичный редуктор. Резьба винта трапецеидальная, которая обеспечивает статическую самоблокировку, т.е. после отключения питания на электродвигателе винт останавливается и удерживает шибер, препятствуя его обратному ходу (ана­лог – винтовой домкрат).

Применение винтового самотормозящего редуктора в стрелочном электроприводе в качестве механизма перемещения рабочего шибера позво- ляет^во-первых, осуществлять надежное без заклинивания запирание остря­ков стрелки в любой точке их перемещения, чем обеспечивается автоматиче­ская выборка всех зазоров в гарнитуре, возникающих в процессе эксплуата­ции, во-вторых, облегчить обслуживание редуктора и привода в целом, в- третьих, уменьшить массу СЭП, что наилучшим образом влияет на способ крепления привода.

Использование винтового привода требует разработки и применения надежных контрольных устройств КУ (контроллеров), которые устанавлива­ются на рамных рельсах, связаны с остряками короткими контрольными тя­гами и контролируют фактическое положение остряков относительно рам­ных рельсов.