Синтез стрелочных электроприводов с внутренним замыканием шибера тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.08, кандидат технических наук Минаков, Евгений Юрьевич

• Минаков, Евгений Юрьевич
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Минаков, Евгений Юрьевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

1. Состояние вопроса

1.1. Защищенность электропривода и его гарнитуры

от опасных отказов

1.2. Запирающий механизм и его влияние на безопасность движения поездов

1.3. Требования к запирающим механизмам

1.4. Методы и технические решения по запирающим механизмам

1.5. Постановка задачи исследований

1.6. Основные результаты и выводы по главе

2. Методы синтеза запирающего механизма

2.1. Синтез кинематической схемы

2.2. Методы расчета деталей запирающего механизма

2.3. Надежность функционирования запирающего механизма

2.4. Исследование динамики запирания

2.5. Выводы

3. Методы защиты от ложного контроля при взрезе стрелочного электропривода

3.1. Поведение стрелочного электропривода при взрезе стрелки

3.2. Синтез и расчет "слабого" элемента

3.3. Исследование совместимости стрелочных электроприводов

с существующими схемами управления

3.4. Выводы

4. Разработка стрелочных электроприводов с кулачковым запиранием рабочего шибера

4.1. Стрелочный электропривод ВСП-150

4. 2. Стрелочный электропривод взрезной ВСП-2х150

4.3. Стрелочный электропривод взрезной для работы с внешним замыкателем ВСП-220

4.4. Технико-экономическое обоснование стрелочных электроприводов с кулачковым запиранием шибера

4.5. Выводы

Заключение

Список литературы

Приложение 1 (4 листа)

Приложение 2 (2 листа)

Приложение 3 (2 листа)

Приложение 4 (3 листа)

Приложение 5 (3 листа)

Приложение 6 (3 листа)

Приложение 7 (4 листа)

Приложение 8 (3 листа)

Приложение 9 (3 листа)

Приложение 10 (3 листа)

Приложение И (2 листа)

Приложение 12 (3 листа)

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Синтез стрелочных электроприводов с внутренним замыканием шибера»

ВВЕДЕНИЕ

Организация перевозочного процесса, его четкое и бесперебойное выполнение напрямую зависит от технических средств железнодорожной автоматики и телемеханики, их надежности и соответствии требованиям безопасности движения поездов.

История становления железнодорожного транспорта России берет свое начало с 1837 года, когда была построена первая железная дорога общественного пользования, протяженностью всего 27 км, между Петербургом и Павловском. Сейчас железные дороги России имеют протяженность более 87 тысяч километров и насчитывают около 6000 станций. Ее настоящее и будущее немыслимо без наличия надежных, экономичных, отвечающих высоким требованиям безопасности движения поездов, современному уровню достижений науки, техники и технологии, включая изготовление и содержание, средств железнодорожной автоматики.

Эволюция средств железнодорожной автоматики насчитывает более ста лет, развиваясь поэтапно от решения простейших задач, связанных с управлением стрелок и семафоров (первые канатно-тро-совые устройства дистанционного управления стрелочными переводами и семафорами появились в Англии, в начале XIX столетия. Первый стрелочный привод появился в Италии в 1873 году и был гидравлическим), развитие происходило до, почти повсеместной, электрической централизации стрелочных переводов с единого диспетчерского пункта не только одной станции, а нескольких, с практически, неограниченным участком движения поездов, скорости движения, массы и длины состава.

В настоящее время на сети железных дорог России эксплуатируется более 147 тысяч стрелочных переводов [6], управляемых при помощи телемеханики. При таком массовом применении средств механизации перевода стрелок эксплуатация показала их недостаточную

надежность.

Анализ известных конструктивных решений отечественных и зарубежных электроприводов свидетельствует о необходимости выработки системы построения стрелочных электроприводов, их классификации, постановки решаемых задач и методов выполнения электроприводами функций по переводу стрелки и обеспечению безопасности движения поездов.

Большой вклад в развитие теории создания и управления стрелочными электроприводами внесли Абросимов В.И., Дмитриенко И.Е., Заславский Л.С., Кондратенко Л.Ф., Малышев А.Д., Резников Ю.М., Семьянских А.И., Степанов Ю.С. и другие.

На современном этапе развития железнодорожной автоматики и телемеханики, когда интенсивно разрабатываются и внедряются микроэлектронные, микропроцессорные и компьютерные системы, значительно возрастают требования к механическим устройствам СЦБ, и, прежде всего, это связано с выполнением закона "О федеральном железнодорожном транспорте", принятом Госдумой в июне 1995 года, где в статье N 13 записано, что технические средства и механизмы, поставляемые железнодорожному транспорту, подлежат обязательной сертификации на соответствие требованиям безопасности движения, охраны труда и экологической безопасности.

В процессе анализа известных конструкций стрелочных переводов, определяя показатели безопасности, автором сформулирована концепция синтеза стрелочных электроприводов с внутренним замыканием шибера. Отечественные, и в большинстве случаев зарубежные стрелочные электроприводы, принцип их построения, конструктивное исполнение не отвечают в полной мере требованиям безопасности движения поездов, а по отдельным показателям некоторые конструктивные решения являются опасными.

Анализ причин отказов [4,5,6], происшествий и даже крушений на железнодорожном транспорте в последние годы свидетельствует о неблагополучном положении дел с электроприводами стрелочных пере-

водов: доля их отказов в работе хозяйств СЦБ составляет 9-5-11 %.

За период эксплуатации, начиная с 1957 года, когда был создан невзрезной стрелочный электропривод типа СП-1 с одним шибером и с внутренним замыкателем, электропривод неоднократно модернизировался. Однако, принципиальных изменений в его конструкцию практически не вносилось, что приводило к повторению причин отказов, переходящих от одной модели к другой. Сегодня эксплуатационники отмечают низкое качество узлов и деталей электроприводов, обусловленных прежде всего самой конструкцией. Имеет место случаи излома контрольных линеек в местах фигурных вырезов, отсоединение ушек контрольных линеек. Нередки случаи ослабления крепления редуктора, корпуса автопереключателя, неплотное контактирование ножей с контактными пружинами, перекос и излом колодок автопереключателя, неудовлетворительное уплотнение электропривода и т.д. Взрез электропривода приводит к его разрушению и возможности ложного контроля. Вырыв линеек не контролируется и приводит к ложному контролю и д.р.

За время эксплуатации стрелочных электроприводов серии СП созданы, испытывались и сейчас проходят испытания более десятка модификаций, однако кинематика, синтез силового и контрольного механизма остались неизменными. Поэтому решения ряда проблем не представляются возможным в принципе, как бы мы не боролись за качество, не ужесточали требования к их изготовлению, содержанию и ремонту.

С учетом особенностей, в настоящей работе автором проведен структурный синтез стрелочных электроприводов, определены задачи, назначение и методы построения отдельных узлов, их оптимизация, защита от ложного контроля, построение безопасных средств железнодорожной автоматики и телемеханики.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.

В первой главе проводится исследование защищенности стрелочного электропривода и его гарнитуры от отказов и их влияние на

безопасность движения поездов, дан анализ состояния безопасности движения поездов.

Вторая глава посвящена синтезу запирающего механизма, методам расчета его деталей, разработки алгоритма и надежности работы, проведены исследования динамики запирания шибера.

В третьей главе рассматриваются методы защиты стрелочного электропривода при взрезе стрелки, пути решения вопросов совместимости стрелочных электроприводов с существующими схемами управления.

Разработке стрелочных электроприводов с кулачковым запиранием шибера различного назначения и технико-экономического обоснования посвящена четвертая глава.

В заключение приводятся основные результаты и выводы по работе.

Практическим воплощением теоретических основ синтеза стрелочных электроприводов с внутренним замыканием шибера,разработанных автором данной диссертации явилось создание электроприводов с кулачковым запирающим механизмом рабочего шибера ВСП-150, ВСП-2х150 и ВСП-220, к серийному производству которых в настоящее время приступает отечественная промышленность. Более 200 электроприводов ВСП-150 и ВСП-220 проходят в настоящее время опытную эксплуатацию на железных дорогах России.

Разработанные на основе методики синтеза стрелочных электроприводов изделия, их практическая реализация, позволит повысить безопасность движения поездов на железнодорожном транспорте.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1. Защищенность стрелочного электропривода и его гарнитуры от опасных отказов

На современном этапе развития железных дорог России, системы и принципов организации движения поездов особенно актуальным является создание таких устройств, которые выполняют основную часть организационно-технических функций структуры управления перевозочным процессом и, в свою очередь, требуют минимум эксплуатационных затрат, времени на техническое обслуживание, обеспечивая надежность в работе.

Анализ состояния безопасности движения поездов и работы устройств СЦБ, АЛСН и механизированных горок в хозяйстве сигнализации, связи и вычислительной техники (см. прил.1) убеждают в необходимости проводить работы по снижению уровня брака и отказов в работе, по совершенствованию конструкции устройств автоматики, качества изготовления и технологии их обслуживания.

По состоянию на 1 января 1998 года в эксплуатации на сети железных дорог России находится 146066 стрелок, включенных в электрическую централизацию [6]. В связи с сокращением объема перевозок, как следствие,за последние три года количество стрелок, включенных в электрическую централизацию, уменьшилось на 1598 штук [6].

От технического состояния устройств автоматики и телемеханики, их исправности зависит выполнение перевозочного процесса.

Отказы в работе устройств СЦБ - состояние неизбежное, при этом следует стремиться к снижению случаев отказов, времени на их восстановление и сведению к минимуму последствий этих отказов. Отказы устройств СЦБ приводят зачастую к задержке поездов, срыву графика движения. Ежегодно по сети железных дорог России на про-

тяжении последних трех лет по причине отказов технических средств в хозяйстве сигнализации, связи и вычислительной техники задержки движения поездов составляют свыше 7 тысяч часов.

Из анализа причин отказов устройств СЦБ следует, что около 85% отказов являются эксплуатационными, остальные - заводскими, проектными ошибками, конструктивными недостатками и др.

Среднее время восстановления отказа устройства СЦБ по сети дорог составило в 1997 году 137 минут [6].

Среди устройств отказы стрелочных электроприводов составляют более 10% от общего числа отказов (см. прил. 1, табл. П.1.2).

Следует отметить, что на сети железных дорог РФ в эксплуатации находится значительное количество устройств морально и физически устаревших, работающих 25 лет и более. Всего на дорогах по состоянию на 01.01.98 года находится более 36 тысяч или 24,7% от общего количества стрелок, ЭЦ, проработавших 25 лет, 6,9% устройств автоблокировки и 14,7% диспетчерской централизации (см. прил. 1, табл. П.1.3). Замена этих устройств новыми должна решить проблему безопасности движения поездов.

При конструирования новых стрелочных электроприводов, перед специалистами постоянно возникает вопрос надежного функционирования как каждого узла или элемента в отдельности, так и всего стрелочного перевода в целом, при обеспечении безопасности движения поездов.

Стрелочный электропривод и гарнитура выполняют в системе электрической централизации наиболее важную роль по обеспечению безопасности движения поездов и поэтому не должны допускать опасных отказов.

Многолетний опыт эксплуатации отечественных и зарубежных стрелочных электроприводов, анализ их работы позволил в настоящее время значительно расширить задачи, функции и требования, предъявляемые к стрелочным электроприводам с внутренним замыкателем шибера при их синтезе. Прежде всего этот опыт указывает на недос-

таточную защищенность стрелочных электроприводов от опасных отказов и ставит задачу: обеспечить безопасность системы железнодорожной автоматики.

Стрелочный электропривод в комплекте с гарнитурой призван решать следующие задачи:

- создание достаточного усилия для перевода остряков (стрелочных крестовин) стрелки из одного крайнего положения в другое, а также из среднего в крайнее;

- надежное замыкание шибера в крайних положениях в сторону, противоположную предшествующему движению и свободное перемещение шибера в противоположную сторону (при одношиберном электроприводе);

- обеспечение постоянства силовых факторов замкнутого шибера в статическом (пассивном) режиме эксплуатации, а также при проходе неограниченного числа подвижного состава по стрелке, с установленной скоростью до полной выработке своего ресурса;

- обеспечение постоянного и достоверного контроля положения остряков стрелки, механизма замыкания шибера, состояния взрезного устройства, исправности силовой, контрольно-механической связей и электрических цепей;

- обеспечение целостности узлов и деталей электропривода, гарнитуры и самих остряков при взрезе взрезных стрелочных электроприводов;

- обеспечение исправного, работоспособного или защитного состояний независимо от времени суток, погодных условий и других внешних дестабилизирующих факторов.

На рисунке 1.1 предлагаются структурные схемы стрелочных автоматизированных переводов железнодорожной автоматики. Исходя из необходимости выполнения стоящих задач ЭЦ, путей и методологии их решения в зависимости от назначения, места установки и способов управления, электроприводы железнодорожной автоматики разделены на три группы, отличающиеся принципом построения устройства замы-

кания остряков стрелки:

{ - невзрезной стрелочный электропривод электрической централизации (ЭЦ), одношиберный, с внутренним замыканием шибера (рис.1.1а);

2 - взрезной стрелочный электропривод ЭЦ двухшиберный с внутренним замыканием шиберов (рис.1.16);

3 - взрезной (невзрезной, как вариант исполнения) стрелочный электропривод ЭЦ одношиберный для работы с внешним замыкателем (рис.1.1в);

На схемах введены следующие обозначения:

ЭЦ - система управления электрической централизации;

СП - стрелочный электропривод;

СГ - стрелочная гарнитура;

К - контрольная система;

СМ - силовой механизм;

Д - двигатель;

Р - редуктор;

ЗМ - запирающий механизм рабочих шиберов (РШ); АП - автопереключатель;

МС - механизм сравнения положения контрольных линеек (КЛ) и запирающего механизма;

УК - узлы крепления рабочих (РТ), контрольных (КТ) и соединительных (СТ) тяг, несущего каркаса (НК); О - остряк стрелочного перевода; РР - рамный рельс стрелочного перевода; ВЗ - внешний замыкатель; ВП - ведущая планка.

На рисунке двойными линиями обозначены электрические, одинарными - механические связи элементов привода и гарнитуры.

Все вышеуказанные группы электроприводов могут выпускаться с двигателем постоянного или переменного тока, с контактным или бесконтактным автопереключателем и, соответственно, с прямым или

косвенным управлением. Их назначение определяет конструкцию и алгоритм работы механизма замыкания шибера (шиберов) и стрелочной гарнитуры.

Работа стрелочных электроприводов железнодорожной автоматики характеризуются четырьмя режимами:

1. Режим перевода стрелки (активный режим). Этот режим заключается в выполнении следующих операций:

а) включение в работу электродвигателя и начало движения силового механизма;

б) потеря контроля положения стрелки и размыкание шибера (шиберов) электропривода;

в) перевод шибера или шиберов, соответственно, остряков стрелки из одного крайнего положения в другое;

г) замыкание шибера (шиберов), отключение электродвигателя и получение контроля стрелки.

2. Статический (пассивный) режим работы. Характеризуется обеспечением постоянства усилий замыкания или удержания шибера (шиберов) при обеспечении непрерывного контроля положения стрелки.

3. Динамический режим работы. Выполняет те же функции, что и статический режим работы, но в условиях прохождения подвижного состава по стрелке. Он характеризуется дополнительным восприятием динамических воздействий вибраций, усилий, ударов, упругих деформаций и пр.

4. Режим взреза стрелки. Такой режим работы появляется при прохождении подвижного состава в пошерстном направлении по стрелке, необеспечивающей данный маршрут движения. Взрез происходит крайне редко и, как правило, является результатом нарушения организации движения поездов.

Для невзрезных стрелочных электроприводов, спроектированных в соответствии с условиями, разработанного в данной диссертации "Ряда нормированных усилий", действующих в стрелочном переводе,

при взрезе стрелки повреждается рабочая и соединительная тяги, а в случае прямого роста усилий на шибере - "слабый" элемент электропривода, т.е. такой элемент конструкции, несущая способность которого ниже прочности других элементов силовой цепи.

Для взрезных стрелочных электроприводов срабатывает взрезное устройство, не допуская повреждения механизма электропривода, стрелочной гарнитуры и остряков стрелки.

В состав рабочих органов гарнитуры входят рабочие, соединительные тяги, имеющие связь с рабочим шибером (рабочими шиберами) узлами крепления.

Контрольные органы гарнитуры состоят из контрольных тяг, связанных с контрольными линейками узлами крепления.

Рабочие органы электропривода представляют собой запирающий и силовой механизмы,состоящий из электродвигателя, механического редуктора с предохранительной муфтой, который преобразует вращательное движение ротора электродвигателя п0 (об/мин) в поступательное движение ведущего органа запирающего механизма со скоростью V (м/сек).

Контрольное устройство электропривода является наиболее ответственным, участвующим в организации движения поездов, узлом и представляет собой электромеханическое устройство, состоящее из механизма сравнения и автопереключателя контактного или бесконтактного типа.

Несущий каркас представляет собой жесткую конструкцию, связывающую между собой рамные рельсы посредством фундаментных угольников или специальных полос, на которые крепится стрелочный электропривод. Несущая способность каркаса во много раз выше предела прочности любого элемента рабочего органа гарнитуры и электропривода, в тоже время элементы самого несущего каркаса являются не контролируемыми и поэтому опасными. Однако надежность и прочность узлов крепления несущего каркаса делает его разрушение маловероятным, что при условии правильного содержания является га-

- 15 -

рантией обеспечения безопасности движения поездов.

В целях исключения влияния состояния рабочих органов гарнитуры, несущего каркаса, электропривода и колеи пути на надежность запирания остряков и удержания их в этом положении применяются внешние замыкатели остряков, каждого к своему рамному рельсу.

Изменение функций электропривода в зависимости от его назначения не изменяет конструкцию элементов силового механизма,контрольной системы, гарнитуры, каркаса и др. Изменения, в основном, касаются запирающего механизма шибера (шиберов). Именно конструкция запирающего механизма определяет одно или двухшиберный привод, взрезной или невзрезной, усилие запирания шибера (шиберов), усилие взреза.

Анализируя режимы работы электропривода с позиции безопасности движения поездов (далее безопасности), каждый из них связан напрямую с ее обеспечением. Но если рабочий и статический режимы в большей степени участвуют в подготовке и организации движения поездов, то динамический и режим взреза стрелки непосредственно связаны с обеспечением безопасного прохождения по стрелке подвижного состава - пассажиров, грузов и технических средств.

В этом случае в обеспечении безопасности участвуют, согласно структурной схемы стрелочных переводов, остряк, рамный рельс, рабочие органы гарнитуры, несущий каркас, узлы крепления и запирающий механизм стрелочного электропривода вместе с рабочим шибером (шиберами). Контрольное устройство, контрольные органы гарнитуры, силовой механизм не влияют на безопасность при прохождении подвижного состава, они участвуют только в подготовке, контроле исправного состояния и выполнении операций. Поэтому для различных элементов структурной схемы стрелочного перевода, выполняющие более узкую, локальную задачу в структуре комплекса стрелочного перевода, должны быть определены положения безопасности.

На основе решения этой задачи вырабатывается общая концепция безопасности стрелочного электропривода. Концепция строится на

оценке влияния отдельной детали, узла, всего механизма на безопасность системы в целом в случае ее отказа. Если отказ может привести к аварии, то такое состояние системы является опасным и недопустимым. Если же отказ отдельной детали, узла приводит к потере работоспособности системы, при сохранении ее защищенности, то такое состояние является защитным, а система является безопасной [58].

На рис.1.2 приведена структурная схема состояний системы: Все множество состояний по условиям безопасности системы можно разбить на четыре группы состояний: Си - исправное Ср - работоспособное С3 - защитное С0 - опасное

Тогда безопасность есть совокупность: Сб = Си и Ср и С3 На рис.1.3 приведены известные варианты установки электропривода на стрелку, цифрами обозначены узлы крепления. В отечественной и зарубежной практике широкое распространение получили варианты установки 1.3а и 1.3в. Отечественные стрелочные электроприводы серии СП устанавливаются по схеме приведенной на рис.1.3а на фундаментных угольниках, закрепленных по варианту, представленному на рис.1.4, к рамным рельсам. Стрелочные электроприводы серии ВСП устанавливаются на стрелочный перевод по варианту рис.1.3в на специальные полосы, закрепленные по варианту, представленному на рис.1.5, к удлиненной подкладке ближнего рамного рельса. Оба этих варианта установки представляют собой единую, жестко связанную конструкцию, позволяющую решать следующие задачи:

- стрелочным электроприводом осуществлять перемещение остряков стрелки на одно и тоже заданное расстояние, вне зависимости от угона в процессе эксплуатации стрелочного перевода относительно оси пути, обеспечение замыкание остряков, их удержание и конт-

Испрабное Неисправное

(Си) (Сн)

Рабопгос пособное Пер¡{¡оттткое Предельное

(Ср) (Снр) (Сп)

т

Защитное Опасное

(Сз) (Со)

о)

5)

2)

Ö)

5 6 5

1. Рамный рельс.

2. Фундаментный угольник.

3. Металлическая закладка.

4. Металлическая подкладка.

5. Изолирующая прокладка.

6. Изолирующие втулки. 7,8. Болты крепления. 9. Скоба прижимная.

2 // {0 4 6 8 9 5 7

АЗ О

1. Рамный рельс.

2. Удлиненная полоса.

3. Удлиненная путейская подкладка.

4. 5. Закладной болт. 6. Камень.

7. Сухарь. 8,9. Закладка. 10. Шпальный брус. И. Шурупы.

рис.1.5

роль крайних положений;

- обеспечивать взрезаемость взрезных электроприводов;

- перемещать остряки под действием боковых усилий колесных пар при проходе подвижного состава по стрелке неправильного маршрута;

- обеспечивать жесткую связь между рамными рельсами для стабилизации зазора "остряк - рамный рельс";

- обеспечивать механическую связь остряков и рамных рельсов с гарнитурой и стрелочного электропривода для контроля главных элементов силовой передачи системой электрической централизации;

- исключать деформацию элементов стрелочной гарнитуры и электропривода во время прохождения подвижного состава при прогибах стрелочного перевода относительно земляного полотна.

Установочную схему и компоновку всех узлов стрелочного перевода и стрелочной гарнитуры, по существу, подчинены идеи дистанционного контроля положения стрелки, которая заключается в фиксации перемещения остряков на заданное расстояние относительно жестко связанной конструкции стрелочный перевод - стрелочная гарнитура - рельсы - шпалы.

Анализ принципиальных схем (рис.1.3а и рис.1.3в) установки электропривода и стрелочных гарнитур показывает, что значительная часть отказов стрелочного перевода и стрелочной гарнитуры не контролируется системой ЭЦ, в связи с чем существует вероятность возникновения следующих отказов:

- наличие контроля положения стрелки при наличии зазора между прижатым остряком и рамным рельсом, превышающим допустимое значение (4 мм и более). Исключение составляет стрелочный электропривод, гарнитура в комплекте с внешним замыкателем (рис.1.1в). Их исправное состояние последнего такой отказ исключает полностью;

- наличие контроля положения стрелки при деформациях и изломах остряка и рамного рельса;

- потеря работоспособного состояния узлов крепления гарнитуры, целостность и наличие болтовых соединений и т.п.

Внезапное повреждение, вызывающее опасный отказ системы (излом, изгиб, обрыв одного из элементов рабочих органов как электропривода, так и гарнитуры,который может быть следствием динамических воздействий подвижного состава или случайного события, например удара свешивающегося с поезда предмета).

Повреждение несущего каркаса стрелочной гарнитуры, происшедшее между точками 1-3, 2-4, 7-9, 8-10, 5-6, не контролируется контрольной системой ЭЦ, но, с определенной степенью вероятности, и не создает в течение установленного периода профилактического обслуживания непосредственной угрозы безопасности движения, поскольку из-за дублирования узлов крепления (узлы 1-10) не происходит смещения привода относительно рамных рельсов. Причем,для схемы на рис.1.3в узлы крепления 1, 2 вообще отсутствуют, а дублирование других узлов выполненно значительно надежнее (см. рис. 1. 4 и рис. 1. 5).

Аналогичный отказ стрелочной гарнитуры, происшедший в любой точке фундаментных угольников, является опасным, т.к. сопровождается снижением усилия запирания остряков и изменением относительного расположения стрелочного перевода и рамных рельсов.

Особую опасность представляет излом, изгиб подвижных частей гарнитуры - рабочей или связной тяги, или разъединения узлов их крепления. Если такое событие происходит, например, при проходе подвижного состава, то в этом случае снимается запирание остряков при сохранении дистанционного контроля положения стрелки, что является опасным отказом, не контролируемым системой ЭЦ. Излом, изгиб рабочей тяги или обрыв узлов ее крепления во время перевода стрелки являются отказами контролируемыми, защитными, т.к. контрольные тяги останутся на месте и контроля положения стрелки не будет. В тоже время, обрыв узлов крепления связной тяги к остряку в процессе перевода стрелки является опасным отказом, потому что

при реверсировании привода тяга вновь вернет остряк в первоначальное положение, что приведет к восстановлению контроля незапертой стрелки.

Защитное состояние в системе ЭЦ наступает при повреждении контрольных тяг (изгиб, излом контрольных тяг или обрыв узлов крепления к острякам или приводу), т.к. при прохождении подвижного состава их влияние исключено на состояние рабочих органов стрелочного перевода и стрелочной гарнитуры, а наличие повреждений должно контролироваться контрольной системой ЭП непосредственно в данный момент, либо при следующем за данным событием переводом стрелки.

Контрольное устройство привода является наиболее ответственным узлом и представляет собой электромеханический компаратор, состоящий из механизма сравнения и автопереключателя с электрическими контактами. Механизм сравнения (стрелочных электроприводов серии СП) срабатывает в конце перевода стрелки, переключая ножевой рычаг автопереключателя. Ножевой контакт занимает контрольное положение только в случае одновременного совпадения двух событий: западания, во-первых, ролика, переключающего рычага в вырез шайбы главного вала, что свидетельствует об окончании перевода стрелки двигателем привода и ее запирании и, во-вторых, зуба ножевого рычага в совмещенные вырезы контрольных линеек, что фиксирует фактическое перемещение остряков на заданное расстояние.

Контрольное устройство, работающее как электромеханический прибор с запоминанием каждого состояния контролируемого объекта (стрелки), не обеспечивает размыкание электрической контрольной цепи при изломе любого элемента стрелочного перевода и стрелочной гарнитуры, происшедшем в их статическом режиме работы. Это противоречит главному принципу конструирования ответственных приборов и устройств ЭЦ, в частности, реле, заключающемуся в обеспечении заграждающегося положения устройства при внезапно возникшей неисправности.

Однако многолетний опыт эксплуатации не указывает на недостаточную защищенность стрелочного перевода от опасных отказов. Это объясняется тем, что силовое воздействие на элементы контрольного устройства со стороны пути направлено при переводах стрелки на преодоление, в основном, лишь упругих сил пружины АП. Поэтому запас прочности оказался достаточным, чтобы сделать маловероятными такие события, как излом зуба ножевого рычага, срез оси рычага и аналогичные им.

1.2. Запирающий механизм и его влияние на безопасность движения поездов

Анализ структурных схем стрелочных переводов (рис.1.1) на их защищенность от опасных отказов показывает, что, несмотря на принципиальные отличия стрелочных электроприводов, их назначение, условия работы и выполняемые функции, в основной массе звеньев этих схем имеется общее. Это является следствием их унификации.

Отличительным, что вносит изменение в функциональном плане для каждого электропривода, является принцип запирания шибера (шиберов).Эти функции выполняет запирающий механизм электропривода (ЗМ) и, в структурной схеме рис.1.1в, внешний замыкатель (ВЗ).

Запирающий механизм, являясь рабочим органом электропривода, в зависимости от назначения последнего, призван выполнять следующие функции:

- рис.1.1а: в рабочем режиме электропривода осуществляет отпирание, перевод из одного крайнего положения в другое, а также из среднего - в любое крайнее, замыкание и надежное удержание шибера в статическом и динамическом режимах работы электропривода;

- рис.1.16: в рабочем режиме электропривода осуществляет отпирание замкнутого шибера, перевод из одного крайнего положения в другое обоих шиберов, а также из среднего - в любое крайнее, замыкание шибера прижатого к рамному рельсу остряка с усилием 50 кН

и удержание шибера отведенного остряка с усилием взреза, их надежное удержание в статическом и динамическом режимах работы электропривода. В режиме взреза электропривода осуществляется отпирание шибера прижатого остряка при движении шибера отведенного остряка в сторону своего рамного рельса и перевод обоих шиберов в другое крайнее положение под действием внешних силовых факторов. В этом режиме силовой механизм электропривода участие не принимает;

- рис.1.1в: в рабочем режиме электропривода осуществляет отпирание, перевод из одного крайнего положения в другое, а также из среднего - в любое крайнее, запирание с усилием взреза шибера, его надежное удержание с этим усилием в статическом и динамическом режиме работы электропривода. В режиме взреза электропривода осуществляет отпирание шибера и дальнейший его свободный перевод в другое крайнее положение под действием внешних силовых факторов. В этом режиме силовой механизм электропривода участие не принимает.

Механизм запирания выполняет конкретные операции и является сложным кинематическим узлом, в который входят множество М элементов, представленной в единой оптимизированной конструкции, работающей с конкретным алгоритмом, где участие каждого элемента М]_ подчинено строгому закону движения с высокой степенью надежности. Состояние и четкая работа каждого элемента конструкции запирающего механизма напрямую связаны с обеспечением безопасности движения поездов.

Отказ любого элемента из числа М запирающего механизма, типа "разрыв", является неконтролируемым, поэтому такое состояние является опасным, кроме некоторых - определяемых во время движения. Можно сделать вывод, что наиболее опасными являются неконтролируемые отказы, возникающие при работе электропривода в статическом и динамическом режиме, вызванные внешними силовыми факторами, усталостью материала или его деформации. Такие отказы могут быть

вызваны вибрацией, следствием которой может быть не только возрастание горизонтальных и вертикальных динамических нагрузок, приводящих к деформациям и изломам, но и к самопроизвольным отпираниям шибера, самовзрезам (взрезных ЭП), нарушениям жесткости системы.

При анализе конструкции запирающего механизма на безопасность и обеспечение ее работоспособности следует рассматривать вероятность следующих отказов:

1. Откат толкателя запирающего механизма, вызванный действием упругих сил при гашении кинетической энергии вращающихся и движущихся масс силового механизма в конце перевода, что может привести к несанкционированному отпиранию шибера. Этот случай является контролируемым, если не произошло одновременно другого отказа. Например: потеря работоспособности контрольной системы и пр.

2. Самопроизвольное отпирание шибера (шиберов) под действием вибрации или других знакопеременных динамических сил, что является опасным отказом.

3. Излом или деформация кулачков, зубьев, осей, штифтов и др. элементов, создающих целостную конструкцию запирающего механизма, что приводит, в основном, к опасным отказам.

4. Заклинивание запирающего механизма является защитным и контролируемым событием при первом и любом следующем переводе. Если это произойдет с взрезным электроприводом, то такой электропривод может стать невзрезным, но событие останется защитным.

5. Увеличение в 3*5 и более раз усилия нормального перевода остряков за 20*30 мм до конца хода шибера. Такое возможно в кулачковых парах при условии неправильного выбора геометрии или изготовлении кулачковых пар, и может привести к деформации остряка при попадании посторонних предметов между остряком и рамным рельсом, запиранием шибера и получение контроля. Тогда в месте нахождения постороннего предмета возможно сужение колеи и пр., что яв-

ляется опасным.

Если предположить, что при прохождении поезда по стрелке на боковой путь на прижатый к рамному рельсу остряк действует максимальная нагрузка со стороны оси колесной пары С = 25 тонн, возрастающая с учетом динамического коэффициента Кд в 1,5-5-4 раза [14],то такая нагрузка, воспринимаемая элементами запирающего механизма, требовала бы огромный запас прочности запирающего устройства. Однако это не так. Механизм запирания шибера электропривода в положении замкнутого остряка не препятствует перемещению его и рабочего шибера в сторону рамного рельса в результате воспринимаемых остряком динамических нагрузок под действием гребней колесных пар, их воспринимает рамный рельс. Шибер и, соответственно, запирающий механизм удерживают усилия, направленные на отжим остряка от рамного рельса. Эти усилия на порядок меньше и не носят ударный характер, они, в основном, вызваны вилянием экипажа и вписыванием колесной пары в кривую при заходе подвижного состава на боковой путь. Как показывает опыт эксплуатации в электроприводе с запирающим устройством кулачкового типа, все его элементы, шибер, рабочая и соединительные тяги, узлы крепления обладают достаточным запасом прочности и напряжений, способных деформировать или разрушить какой-либо из элементов при прохождении поезда.

Максимальные силы действуют на элементы электропривода и гарнитуры при взрезе стрелки. Для взрезных стрелочных электроприводов взрез не является опасным состоянием даже для всего стрелочного перевода. Главное требование к электроприводу в этом случае состоит в том, что событие взреза стрелки должно быть контролируемым и сопровождаться невозможностью последующего дистанционного (с поста ЭЦ) управлением стрелочным электроприводом. К сожалению, современные электроприводы данному требованию не отвечают.

В большинстве взрезные стрелочные электроприводы имеют два шибера, работающие каждый со своим остряком и две контрольные ли-

нейки(кроме Б700К работающих с внешним замыкателем). При этом надежно запирается шибер прижатого к рамному рельсу остряка, а отведенный - удерживается с усилием взреза.

Кинематика взреза, как отмечалось выше, во всех случаях одинакова: подвижной состав, идущий в направлении (рис.1.6) по неправильному пути, гребнями колес, пытаясь проделать себе колею, начинает перемещение отведенного остряка. Последний, преодолевая усилие удержания шибером электропривода (усилие взреза), перемещается в сторону своего рамного рельса, тянет за собой свой шибер, который отпирает шибер прижатого остряка и, далее остряки, преодолевая лишь силы трения, двигаются под действием усилия колесной пары. Обычно взрез стрелки наступает при прохождении колесной пары на 30*60% длинны остряка от корня. В противном случае, дальнейшее движение колесной пары ведет к деформации остряков, рабочих и соединительных тяг и отжиму рамного рельса, а легкую подвижную единицу может и выдавить из колеи.

Основным требованием оценки работоспособности взрезного механизма при взрезе является устойчивость подвижного состава против схода из-за вкатывания гребня колеса на рельс. Отношение 1.1 физически представляет коэффициент устойчивости выкатывания колеса на рельсы (рис.1.7) и является критерием безопасности подвижного состава при взрезе,

С

Ку = ,

2 • г (1.1)

который всегда должен быть Ку > 1, ас учетом внешних факторов должен составлять Ку = (2,5*5). Математически этот коэффициент показывает во сколько раз нагрузка колеса больше силы г, стремящейся выдавить колесо на поверхность катания рельса в кривой или предел устойчивости колеса [Руст], равный максимальному допустимому усилию Ъ (при Ку=1).

Вкатывание колеса на рельс с последующим сходом происходит в

тех случаях, когда сила бокового прижатия гребня к рельсу У, а значит и сила трения гребня о рельс г становится настолько большой, что колесо начинает подниматься над поверхностью головки рельса, опираясь на выкружку острожки, а вертикальное давление колеса &/2 не может преодолеть силу трения и прижать колесо обратно к поверхности катания головки рельса (рис.1.7).

Очевидно, чем Ку ближе к 1, тем вероятность схода больше. Поэтому сходы происходят там, где, например, в следствии плохого содержания стрелки значительно увеличивается сила боковых толчков, особенно если толчки совпадают с частичной разгрузкой колеса из-за неровностей пути в профиле; такая разгрузка будет тем сильнее, чем жестче рессоры и чем больше неровность пути.

В связи с этим, в практических расчетах устойчивости подвижного состава вводится коэффициент вертикальной динамики Кд, уменьшающий фактическую нагрузку колеса по сравнению с ее статическим значением.

С С

= • Кд.

2 2 (1.2)

Значения коэффициента вертикальной динамики Кд для различных типов тележек вагонов, полученные при проведении испытаний вагонов [14] приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Тип тележки План пути Кд при скоростях движения, км/ч

60 70 80 90 100 110 120

МТ-50 Прямые .......... 0,33 0,46 0, 81 0, 92 1, 00 — —

МТ-50 Кривые .......... 0, 25 0,40 0,76 0,92 0,95 — —

цнии-хз Прямые .......... 0,28 0,35 0,43 0,52 0,57 0,61 0,67

цнии-хз Кривые .......... 0,28 0, 35 0,43 0, 55 0, 60 0, 61 0. 63

Взрез стрелки с взрезным стрелочным электроприводом является защитным событием, при этом электропривод, гарнитура и стрелочный

перевод остаются в целом работоспособными. Обязательным требованием должно быть восстановление электропривода электромехаником.

Существует вероятность возникновения опасного состояния при взрезе невзрезного стрелочного электропривода. Оно связано с резким возрастанием при взрезе динамического воздействия на запирающий механизм привода по сравнению с нормальным переводом.

При взрезе стрелки гребни колес подвижного состава принудительно перемещают остряки и связанные с ними рабочую, соединительную тяги, рабочий шибер, удерживаемый в данном случае механизмом запирания (ЗМ) привода с усилием запирания (до 10 тонн).

В этом случае может произойти деформация рабочей тяги (РТ), соединительной тяги (СТ), деформация и даже излом остряка, излом "слабых" элементов в электроприводе. В любом случае стрелочный перевод теряет свою работоспособность и переходит в состояние опасного отказа.

1.3. Требования к запирающим механизмам

Основные требованиями к стрелочным электроприводам определены Правилами технической эксплуатации Российской Федерации (ПТЭ). Стрелочные электроприводы всех видов должны обеспечивать при крайних положениях стрелки плотное прилегание прижатого остряка к рамному рельсу, не допуская замыкание стрелки при зазоре между остряком и рамным рельсом 4 мм и более, отводить другой остряк от рамного рельса на расстояние не менее 125 мм.

Эти положения являются исходными для определения требований к синтезу запирающих механизмов.

Как было показано выше, стрелочный электропривод наряду с решением поставленных перед ним функциональных задач, должен обладать высокой степенью защищенности от опасных отказов.

Анализ конструкции и опыт создания стрелочных электроприводов позволяет отметить, что существует огромное множество коне-

трукций, позволяющих решать задачи по переводу остряков стрелки, однако далеко не все они в полной мере отвечают высоким требованиям обеспечения безопасности движения поездов.

Требования к запирающим механизмам с учетом мер безопасности движения поездов должны формулироваться исходя из трех основных критериев:

1. Обеспечение выполнения силовых факторов, действующих в стрелочном переводе и воспринимаемых электроприводом.

2. Надежное выполнение алгоритма режимов работы электропривода.

3. Контролируемость состояний механизма и предупреждение опасных отказов.

Электропривод, как отмечалось выше, является многофункциональным механизмом, работающим в комплекте с гарнитурой в различных режимах: перевод остряков, их запирание и удержание, взрез стрелки, контроль положения остряков, механизма запирания и взрезного устройства и т.д. Причем, все эти режимы выполняются посредством рабочих тяг и воспроизводятся электроприводом, подвижным составом и прочими внешними силовыми факторами, воспринимаются через шибер. Для каждого режима работы и конкретного элемента конструкции необходимо выдерживать свои усилия, для чего неоспоримо важным является правильное нормирование этих величин. В своей основе эти усилия должны обеспечивать условия безопасности движения подвижного состава, при прохождении последним стрелочного перевода с минимальной и максимальной нагрузками на ось = 5, 25 т; Стах = 25 т) и соответствующими скоростями движения. Поскольку электропривод, гарнитура и сама стрелка являются составной частью стрелочного перевода,ряд нормированных усилий должен отвечать требованиям селективности. На рис.1.10 приведена шкала усилий отнесенных к месту крепления рабочих тяг (шиберу), где:

Епер - усилие перевода стрелки.

Усилие перевода стрелки - усилие необходимое для преодоления динамических (инерционных) сил при разгоне остряков до установленной скорости (V « 0,03-5-0,25 м/с), сил трения перемещаемых частей стрелки, упругих сил, сил сопротивления в шарнирах и в отдельных случаях - усилий залипания двигающихся элементов (примерзания остряка к рамному рельсу и т.п.). В этом случае деформация рабочих органов должна отсутствовать или быть настолько малой , что ее величиной можно пренебречь.

В литературе [26], [53], [76] - приведены усилия перевода стрелок эксплуатируемых в настоящее время на железных дорогах России. Эти усилия в реальных условиях не превышают 6000 Н, у зарубежных аналогов - 7000 Н.

Процесс перевода остряков в зависимости от типа стрелок, способов заделки остряков, рассматривая его с позиции тяговых усилий Рпер, можно представить как сумму трех, четырех характерных составляющих:

^пер _ ^д + ГТр + Ру, (1.3)

р =р+У+р+т? (14)

хпер хд 1 тр - 1 г - 1у>

где: Бд - динамическая составляющая тягового усилия стрелочного электропривода,

(IV

Бд = ш • - ;

(П (1.5)

ш - масса перемещаемых элементов стрелки и гарнитуры,

Ц

гп =

g (1.6)

V - скорость перемещаемых масс.

Действие этой составляющей имеет существенное значение и оно особо проявляется при разгоне (трогании) остряков в начальной стадии перевода стрелки. Ее значение тем выше, чем больше масса

остряков и меньше время перевода. В частности, для стрелки марки 1/6 Р50 Гд= 470 Н, усилие перевода при этом Етр = 600 * 800 Н, [53].

В установившемся режиме эта составляющая равна нулю. Етр - составляющая тягового усилия перевода стрелки, затрачиваемая на преодоление сил трения перемещаемых частей об подушки и сопротивления в шарнирах [53]:

Р'тр 0,55 ^тр

Ь

а (1.7)

где: Гтр - коэффициент трения;

Ь - длина остряка;

а - расстояние от корня остряка до точки приложения тягового усилия.

Действие этой составляющей является постоянной на всем протяжении движения остряков. Ее величина во многом зависит от содержания стрелки, своевременной смазки подушек, удаление посторонних, особенно абразивных включений.

На стрелочных переводах с шкворневой и вкладышно-накладной заделкой остряков Етр - единственное усилие, действующее при переводе стрелки в установившемся режиме. Это усилие колеблется в больших пределах. Нормированное значение находится в промежутке от минимальных до среднеарифметических измерений, определенных опытным путем и выставляется фрикцией как усилие перевода стрелки.

Перевод остряков с накладочной заделкой корня (гибкий остряк) сопровождается дополнительно усилием Кг - усилие предназначенное для преодоления упругих сил деформации (изгиба) остряка [53].

3,3 Е 1ср * 3

Е

Г г Ч

Ь3 (1.8)

где: Е - модуль упругости материала остряка;

1ср- средний момент инерции остряка относительно вертикальной оси;

Б - деформация остряка.

Максимальная деформация численно равна 1/2 величины полного хода остряка (хода шибера).

Расчетное усилие Рг, необходимое для изгиба остряка, определяется как для балки, защемленной одним концом.

Эта составляющая (Ег) с достаточной точностью можно сказать имеет линейную зависимость от величины шага остряка, угол наклона зависит от момента инерции остряка 1ср модуля упругости Е (величина постоянная) и величиной деформации остряка и тем больше, чем больше изгиб, иными словами, ход остряка (Б).

- дополнительные упругие, силы возникающие в остряках при подходе к ближнему рамному рельсу. Эти силы вызваны условиями прилегания остряка к рамному рельсу, установки стрелки, точностью регулировки рабочей и соединительной тяг. Рассматривая три эти причины, вызывающие на практике отжим остряка, можно с уверенностью сказать, что они в разной степени являются постоянным спутником в эксплуатации. Наличие посторонних предметов между остряком и рамным рельсом - снег, мелкий щебень, накат рельса и остряка и др., неравномерное прилегание остряка к рамному рельсу по всей строжке остряка, прижатие остряка из-за увеличенных размеров соединительной или рабочей тяги, штатные проверки на закладку и т.п. - все это приводит к появлению Еу в конце перевода. Ее величина может достигать 1,5*2 кратного увеличения усилия перевода. Однако, это событие является безопасным, если такое увеличение усилия находится в пределах 2*3 мм до окончания перевода остряков.

Исходя из выше изложенного, можно построить зависимость тягового усилия, необходимого для перевода стрелки (рис.1.8).

На рис.1.8 показаны две кривые усилия перевода стрелки: 1 -для перевода остряков с шкворневой или вкладышно - накладной за-

делкой; 2 - для гибких остряков. В идеальном случае тяговая характеристика электропривода Рш = ИЗШ) должна повторять эти кривые и быть на 25-5-30 % выше ее.

Усилие перевода стрелки ограничиваются тремя факторами:

1. Усилие перевода стрелки не должно приводить к упругой деформации рабочих тяг и отжиму рамного рельса. По [21] это усилие составляет 12-15 кН.

2. Усилие перевода не должно приводить к упругой деформации остряков и принудительному прижатию их к рамному рельсу замыканию шибера в случае попадания посторонних предметов между остряком и рамным рельсом на всем протяжении остряков, приводящей к сужению колеи более допустимых величин.

3. Усилие перевода стрелки должно обеспечивать надежность работы стрелочных переводов. По [26] это усилие должно быть не менее 1100 Н и не более 7000 Н .

Таким образом:

Рпер = (0,02-0,15) • Ст1п. (1.9)

Любое усилие, растяжение или сжатие, действующее на стержень, приводит к его деформации. Однако, для обеспечения надежной и безопасной работы стрелочного перевода эта деформация не должна быть равной 4 мм и более и находиться в зоне упругой деформации материала.

Рупр ~ Усилие деформации (упругой) нормальной рабочей тяги. Таким образом:

Рупр = (0,2-0,3) • Ст1п. (1.10)

При дальнейшем росте усилия на шибере, такое возможно при замкнутом шибере и действии на него со стороны стрелки (например при взрезе невзрезных электроприводов), действие упругой деформации прекращается и наступает потеря несущей способности гарнитуры (в первую очередь - рабочих тяг). Наступает пластическая деформа-

ция.

По данным [21] это усилие составляет: при сжатии рабочей тяги Енес = 32 кН, а при растяжении Рнес = 76 кН. Такое расхождение объясняется несимметрией конструкции рабочей тяги. Таким образом:

Рзап ~ усилие запирания прижатого остряка к рамному рельсу при раздельном ходе остряков или обоих рабочих остряков при наличии соединительной тяги и одной рабочей (одношиберный электропривод) .

В стрелках прижатие остряка к рамному рельсу происходит под начальным углом касания рн (рис.1.9), образующимся при теоретическом пересечении рабочей грани рамного рельса с рабочей гранью остряка. Текущий угол, зависящий от положения колеса при входе на стрелку, называется углом удара (Зу и, сила ?! - сила бокового удара гребня об остряк, составляющая которой ¥2, вызывает отжим остряка от рамного рельса:

Енес > (0,65*1,5) • &

Заключение диссертации по теме «Управление процессами перевозок», Минаков, Евгений Юрьевич

4.5. Выводы

Стрелочные электроприводы, разработанные на базе кулачковых механизмов замыкания рабочего шибера ВСП-150, ВСП-2х150, ВСП-220 в сравнении с серийным электроприводом СП-6 имеют существенные преимущества, которые можно свести к трем основным факторам:

1. Повышенный уровень безопасности движения поездов за счет: а) новой, более надежной системы механизма запирания и удержания шибера (шиберов) в замкнутом состоянии; б) гашения электроприводом кинетической энергии остряков (подвижных сердечников крестовин) в конце перевода путем снижения скорости довода остряков; в) безударного гашения кинетической энергии вращающихся и поступательно двигающихся масс (деталей силового механизма) внутри привода путем наличия демпфирующих устройств; г) защищенности электропривода при взрезе; д) наличия узла фиксации взреза взрезных электроприводов; восстанавливаемости электропривода после взреза; е) независимой контрольной системы следящего типа с обеспечением контроля прижатого, отведенного остряков контроля взреза и вырыва контрольных линеек из электропривода, контроля замкнутого (разомкнутого) положения шибера (шиберов); ж) блочности конструкции, позволяющей узлам выполнять свои функции независимо от состояния и наличия смежных узлов электропривода; з) более устойчивого крепления электропривода на стрелке, уменьшение вдвое числа изоляционных точек, снижения уровня воздействия динамических усилий на электропривод при прохождении подвижного состава; и) отсутствия сверления отверстий в рамных рельсах для крепления гарнитуры;

- 173 к) отсутствия гибочных работ по подгонке рабочих и контрольных тяг.

2. Снижение эксплуатационных затрат за счет: а) увеличения сроков периодичности обслуживания электропривода; б) снижения норм времени на обслуживание и проведение регламентных работ; в) уменьшения расхода материалов, электроэнергии; г) наличия возможности контроля технического состояния электропривода автоматизированной системой управления путем тестирования и передачи информации на автоматизированное рабочее место дежурного электромеханика СЦБ или диспетчеру ШЧ; д) увеличения срока службы электропривода.

3. Экономическая целесообразность применения за счет: а) снижение эксплуатационных затрат; б) экономии приведенных затрат, наличия экономической эффективности; в) окупаемости затрат в сроки не превышающие 4-5 лет.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В дисертации решены задачи синтеза стрелочных электроприводов с внутренним замыканием шибера (шиберов), имеющие актуальное научное значение для оценки существующих конструкций на соответствие их безопасности движения поездов, надежности и эффективности работы, а также при подготовке и проведении сертификации изделия. В диссертации получены следующие результаты:

1. Разработаны и научно обоснованы технические требования, предъявляемые к запирающим механизмам, позволившие провести структурный синтез стрелочных электроприводов электрической централизации в зависимости от их функционального назначения, что позволило сгруппировать их в три основных вида : а) невзрезной стрелочный одношиберный электропривод электрической централизации с. внутренним замыканием шибера и жесткой связью остряков; б) взрезной стрелочный двухшиберный электропривод электрической централизации с внутренним замыканием шиберов и раздельным ходом остряков; в) взрезной стрелочный одношиберный электропривод электрической централизации для работы с внешними замыкателями и раздельным ходом остряков стрелки;

2. Разработана математическая модель работы запирающего механизма, позволяющая исследовать режимы работы стрелочного электропривода в целом. Показано, что наиболее перспективным является запирающий механизм кулачкового типа, состоящий из трех элементов с пассивным кулачком (толкатель, кулачок, направляющая). В отличии от традиционных, он позволяет менять величину хода шибера, динамику движения шибера, перераспределять усилие перевода и замыкания, исключая каналы передачи и восприятия этих сил, решать вопросы резервирования ответственных элементов и взреза стрелки;

- 175

3. Разработана система показателей и методов оценки действующих силовых факторов в комплексе стрелочного перевода, основанная на методе селективности их восприятия отдельными его элементами. Полученные результаты анализа режимов работы стрелочного перевода позволили сформировать ряд нормированных усилий, удовлетворяющих требования безопасности движения поездов и надежности за счет достаточного запаса прочности, предсказуемости и контролируемости в элементах конструкции стрелочного перевода.

4. Предложена Методика синтеза запирающего механизма, позволяющая определить и реализоватьрациональные параметры кулачкового механизма, показатели и критерии которыми являются : а) динамический коэффициент перемещения шибера зе. В разработанных кинематических схемах запирающих механизмов его зависимость определяется выражением lim зе = 0 при s -» sm. Критерием оценки запирающего механизма по динамическому коэффициенту перемещения шибера является зе < 1 при s = С- 4); б) критический Хк и допускаемый А,доп углы давления, коэффициент запаса против заклинивания или коэффициент надежности б. Критерием оценки запирающего механизма против заклинивания служит коэффициент надежности. Устойчивая работа механизма определена при 3 < б < 4; в) коэффициент возрастания усилия £ в конце перевода. В предложенной методике теоретически определена и исследована зависимость £ от геометрических параметров кулачка, угла его поворота и величины хода шибера. Критерием оценки запирающего механизма по коэффициенту возрастания усилия £ является £ < 2 при s = (sm -4). Эта зависимость позволяет по показателю £ определять необходимые геометрические параметры кулачкового механизма; г) условия прочности деталей механизма запирания должны отвечать требованию ряда нормированных усилий. Конструирование электропривода должно строиться на принципе селективности усилий и иметь коэффициент запаса прочности для каждого элемента: 2, 5 <

К < 3, 5; д) условием надежного отпирания и замыкания шибера является Рт > Рш0 или Рт = куст Рш0, что означает: конструкция механизма запирания шибера обеспечивает устойчивый выход толкателя из зацепления с кулачком при наличии реакции со стороны стрелки (упругий отжим остряков) и с учетом всех максимально возможных потерь при отпирании шибера в кинематических парах. Критерием надежности отпирания шибера является коэффициент устойчивости на отпирание шибера куст < 0,7; е) динамический коэффициент гашения кинетической энергии остряков В процессе запирания шибера в кулачковых запирающих механизмах должно обеспечиваться снижение скорости движения остряков и соответственно снижение кинетической энергии последних, а в конце перевода они практически должны сводиться к нулю, что исключает наличие удара остряка о рамный рельс, его отжим и т.д.

5. Разработан алгоритм взаимодействия кинематической системы перевода, замыкания и размыкания шибера силового механизма,а так же получения и потери контроля положения стрелки.

Алгоритм получения контроля должен осуществляться после перевода остряков и замыкания шибера (шиберов) в результате переключения коммутатора с рабочей цепи на контрольную с разрывом цепи питания электродвигателя.

Алгоритм потери контроля должен- осуществляться по принципу: размыканию шибера и переводу стрелки должна предшествовать потеря контроля с переключением коммутатора с контрольных на рабочие цепи. Таким образом, в среднем положении шибера и контрольных линеек контроль должен отсутствовать, а рабочие цепи электропривода должны быть готовы переводить шибер в любое крайнее.

6. Разработана концепция построения контрольной системы стрелочного электропривода, отвечающие требованиям безопасности движения поездов, с использованием микропереключателей общепромышленного применения, обеспечивающей при этом простоту и блочность конструкции, ее унификацию, высокую точность и достоверность информации.

Контрольная система электропривода должна строиться по принципу прямой и обратной связи следящего типа, с исполнительным элементом, воздействующим механическим путем на одну группу коммутаторов автопереключателя.

Построение автопереключателя должно строиться на принципе переключения коммутатора с рабочей на контрольную цепи и обратно, позволяющем контролировать работоспособность контактных групп при каждом переключении.

7. Предложены и исследованы методы защиты стрелочного электропривода и перевода в целом от ложного контроля положения стрелки при её взрезе.

В целях исключения выдавливания подвижного состава из колеи, предохранения электропривода от повреждений, предсказуемости последствий воздействия сверхнормативных усилий на шибере и на других деталях и узлах электропривода, в комплексе стрелочного перевода в силовой цепи удержания остряков должен быть предусмотрен "слабый" элемент, потеря несущей способности которого должна находиться в пределах 9,5+10 кН.

При установке электропривода на стрелку с изогнутой рабочей тягой (типовая рабочая тяга) "слабым" элементом может служить сама рабочая тяга, потеря несущей способности которой находится в пределах 3,5+7,5 кН, при этом все другие элементы должны быть значительно (в 2,5+3,5 раза) прочнее.

При установке электропривода на стрелку с прямой рабочей тягой в конструкции электропривода должен быть предусмотрен "слабый" элемент. В противном случае, на данном стрелочном переводе должен устанавливаться взрезной электропривод.

8. Получены аналитические выражения оценки надежности, устойчивости и защищенности электропривода в различных режимах его работы. Проведено математическое моделирование различных фаз дви

- 178 жения рабочего органа и подвижного состава, по результатам которого сформулированы основные положения концепции обеспечения безопасности движения поездов: силовой достаточности, необходимого резервирования, достаточного запаса прочности и надежности, контролируемости событий, блочности конструкции.и др.

9. Практическим результатом теоретических методов синтеза стрелочных электроприводов с внутренним замыканием шибера,разработанных автором данной диссертации, явилось создание электроприводов типа ВСП-150, ВСП-2*150 и ВСП-220 с кулачковым запирающим механизмом рабочего шибера, серийное производство которых в настоящее время начато отечественной промышленностью. Более 200 электроприводов ВСП-150 и ВСП-220 проходят в настоящее время опытную эксплуатацию на железных дорогах России. Их преимущества в сравнении с серийным электроприводом СП-6 и СП-12 можно свести к трем основным факторам:

- повышенный уровень безопасности движения поездов;

- снижение эксплуатационных затрат;

- экономическая целесообразность применения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Минаков, Евгений Юрьевич, 1999 год

ЛИТЕРАТУРА

1. A.c. 219616 (СССР). Устройство для автоматического управления стрелками / Авт. изобр. Ю.М.Резников. - Заявл. 7.01.67 N11241107/26-24; Опубл. в Б. И. 1968, N19; Кл. 201.17. -УДК 625.151.32(088.8).

2. Аврамчук Е.Ф., Емельянов C.B. и др. Технология системного проектирования./ Под ред. С.В.Емельянова.- М. : Машиностроение, 1988.- 520 с.

3. Александров-Агибалов H.A. Устройство и содержание стрелочных переводов.- М.: Трансжелдориздат, 1939.- 88 с.

4. Анализ состояния безопасности движения поездов и работы устройств СЦБ, механизированных горок в хозяйстве сигнализации, связи и вычислительной техники за 1995 год. - Москва, МПС, Управление сигнализации, связи и ВТ, 1996г.- 20 с.

5. Анализ состояния безопасности движения поездов и работы устройств СЦБ, механизированных горок в хозяйстве сигнализации, связи и вычислительной техники за 1996 год. - Москва, МПС, Управление сигнализации, связи и ВТ, 1997.- 23 с.

6. Анализ состояния безопасности движения поездов и работы устройств СЦБ, механизированных горок в хозяйстве сигнализации, связи и вычислительной техники за 1997 год. - Москва, МПС, Управление сигнализации, связи и ВТ, 1998.- 25 с.

7. Анурьев В. И. Справочник конструктора-машиностроителя.В 3-х т.Т.1.- 5-е изд., перераб.и доп. - М. : Машиностроение, 1980. -459 с.

8. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя.В 3-х т.Т.2.- 5-е изд., перераб.и доп. - М.: Машиностроение, 1980.560 с.

9. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя.В 3-х т.Т.З.- 5-е изд., перераб.и доп. - М. : Машиностроение, 1980.-560 с.

10. Аппаратура железнодорожной автоматики и связи. Общие технические условия. РД32ЦШ03.07-90.- М.: Транспорт, 1995,- 50 с.

И. Асс Э.А., Гончаров Н.И., Папичев В.В. Монтаж устройств железнодорожной автоматики и телемеханики.- М.: Транспорт, 1979.415 с.

12. Астафьев В.Е., Джурабаев К.Т., Яковлев А.И. Экономика электротехнического производства. - М.: Высш. шк., 1989,- 302с.

13. Бадулин С.С. и др.Автоматизированное проектирование цифровых устройств,- М.: Радио и связь, 1981,- 240 с.

14. Басилов В.В., Чернышов М.А. Справочник инженера-путейца. - М. : Транспорт, 1972,- 768 с.

15. Белязо И.А., Ошурков И.С., Пестриков А.Н. Проектирование электрической централизации.- М.: Транспорт, 1969,- 254 с.

16. Богданов В.Н. Справочное руководство по черчению,- М.: Машиностроение, 1989,- 864 с.

17. Велтистов П.К. Схемы релейной централизации малых станций.- М. : Транспорт, 1974,- 216 с.

18. Гамбург Д.М.,Кувакин Ю.Н. Надежен ли стрелочный электропривод? Автоматика, телемеханика и связь, 1988, N8, с. 39-40.

19. Гейлер Л.Б. Справочник электрика промышленных предприятий.- Минск: Энергия , 1983.- 588 с.

20. J.Goulet. Resistance des matériaux.- Bordas Paris, 1976,

192s.

21. Гниломедов В.В. и др. "Исследование влияния взреза на элементы электропривода и стрелочную гарнитуру": Отчет по НИР. -ЛИИЖТ, 1983,- 89 с.

- 181 -

22. Гниломедов В-. В., Кондратенко Л.Ф., Сухих Р. Д. "Выбор, расчет и компановка оптимального варианта силовой передачи ЭП с учетом динамических воздействий со стороны гарнитуры":Отчет по НИР, - ПИИТ, 1991,- 138 с.

23. Детали и механизмы металлорежущих станков: в 2-х т.Т.2. Под ред. д.т.н., проф. Решетова Д.Н. - М.: Машиностроение, 1972.-520 с.

24. Ефимов В.Ю. Об оценке безопасности действия устройств железнодорожной автоматики и телемеханики и способов достижения заданной величины безопасности: Сб. науч. тр.: Вып.367.- ЛИИЖТ; 1973, с. 118-125.

25. Инструкция по движению поездов и маневровой работе на железных дорогах Российской федерации. ЦД 206. от 02.10.93г.- М.: Транспорт, 1993,- 289 с.

26. Инструкция по техническому содержанию устройств сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ). ЦШ 4616. Утв. 07.09.88.-М.: Транспорт, 1989,- 80 с.

27. Келтуяла Л.Ф. Устройство, содержание и ремонт стрелочных переводов.- М.: Трансжелдориздат, 1935.- 136 с.

28 . Комплект конструкторской документации на электропривод стрелочный с внутренним замыкателем типа ВСП-150.

29. Костроминов A.M. Защита устройств железнодорожной автоматики и телемеханики от помех,- М.: Транспорт, 1995,- 192 с.

30. Красовский Г.И., Филаретов Г.Ф. Планирование эксперимента.- Минск: Издательство БГУ, 1982.- 302 с.

31. Крысанов Л.Г. Эксплуатационные характеристики колесных пар грузовых вагонов. Ж.-д. транспорт, 1970, N2 е., 58-62.

32. КуммерП.И., Ковалев А.Г., Коптева Т.В., Аветилян Г.А. Железнодорожная автоматика за рубежом.- М.: Транспорт, 1985.-191 с.

33. Липаев B.B. и др. Технология проектирования комплексов программ АСУ. / Под ред. Ю.В.Асафьева, В. В. Липаева. - М.: Радио и связь, 1983.- 172 с.

34. Малышев А.Д., Минаков Е.Ю. "Взрезной стрелочный электропривод": Отчет по НИР. Технический проект,- ВЗИИТ, 1991,- 74 с.

35. Малышев А.Д., Минаков Е.Ю. "Разработка конструкторской документации и испытание опытного образца стрелочного электропривода": Отчет по НИР,- ВЗИИТ, 1992.- 63 с.

36. Мелкорезов П.С. Приводы в системах автоматического управления,- М.: Энергия, 1966,- 384 с.

37. Минаков Е.Ю. и др. "Проведение комплексных лабораторных испытаний макетных образцов винтовых стрелочных электроприводов ВСП-150 и СПВВ-3-2Х150": Отчет по НИР.- ВЗИИТ, 1995,- 244 с.

38. Однопозов Ю.А., Хилькевич И.А. Электрическая централизация маневровых районов станций.- М.: Транспорт, 1985.- 112 с.

39. Переборов A.C. и др. Телеуправление стрелками и сигналами.- 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1981.- 390 с.

40. Петров A.A., Кацюра A.A. Опыт эксплуатации электроприводов с трехфазными двигателями переменного тока. Автоматика, телемеханика и связь, 1983, N12, с. 26-27

41. Понтрягин Л.С., Болтянский В.Г., Гамкрелидзе Р.В., Мищенко Е.Ф. Математическая теория оптимальных процессов.- М.: ГИФМЛ, 1969,- 384 с.

42. Мелкорезов П.С. Приводы в системах автоматического управления.- М.: "Энергия", 1966.- 384 с.

43. Повышение надежности средств СЦБ на основе упрощения технологий управления движением поездов. ВИНИТИ. Железнодорожный транспорт за рубежом. - 1996, N1, с. 14-25.

44. Попов H.H. Расчет и проектирование кулачковых механизмов.- М.: Машиностроение, 1980.- 214 с.

- 183 -45. Проект европейской системы автоматического ■ управления движением поездов. ВИНИТИ. Железнодорожный транспорт за рубежом, 1996, N1, с. 1-15.

46. Правила технической эксплуатации железных дорог Российской федерации. ЦРБ 162. Утверждены Министерством путей сообщения РФ 26.04.93г.- М.: Транспорт, 1993,- 161 с.

47. Прокопьев B.C. Пусковой стрелочный блок типа ПС127М. -Автоматика, телемеханика и связь, 1982, N6, с. 40-41.

48. Резников Ю.М., Сагайтис B.C. Современные отечественные и зарубежные стрелочные приводы и анализ их технических характеристик. - Автоматика и связь/ЦНИИТЭИ, 1972, вып.7 (73), 50 с.

49. Резников Ю.М. Оптимизация магнитной цепи датчика автоконтроля положений стрелки: Сб. науч. трудов, вып. 98.- М.: ВЗИИТ, 1978, с. 10-20.

50. Резников Ю.М. Синтез запирающих механизмов стрелочных электроприводов. - Сб. науч. трудов, вып. 40. - М.: ВЗИИТ, 1969,

с.50-61.

51. Резников Ю.М. Стрелочные электроприводы электрической и горочной централизации. - 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Транспорт, 1975,- 152 с.

52. Резников Ю.М. Структурный синтез бесконтактного стрелочного электропривода для систем централизаций с учетом требований технической диагностики. - Тр. ВЗИИТ, 1978, вып.93, с. 32-40.

53. Резников Ю.М. Электроприводы железнодорожной автоматики и телемеханики.- М.: Транспорт, 1985.- 288с.

54. Резников Ю.М. Усовершенствованные устройства управления централизованными стрелками.- М.: ВЗИИТ, 1979,- 26 с.

55. Розенфельд В.Е., Исаев И.П., Сидоров Н.Н. Электрическая тяга. - М.: Трансжелдориздат, 1962.- 186 с.

56. Решетов Д.М. Детали машин.- М.: Машиностроение, 1974.-

656с.

57. Решетов Д.М. Детали машин. Атлас конструкций,- 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1979.- 367 е.,ил.

58. Сапожников В.В., Сапожников Вл.В., Талалаев В.И. и др. Сертификация и доказательство безопасности систем железнодорожной автоматики.- М.: Транспорт, 1997,- 289 с.

59. Семьянских А.И., Яничек Н.И. Способ дистанционного обнаружения неисправностей в электродвигателях постоянного тока. Автоматика, телемеханика и связь, 1981, N 2, с. 37-38.

60.Симон A.A., Путря H.H., Елсаков H.H. Современные стрелочные переводы . - М.: Транспорт, 1977.- 190 с.

61. Система автоматизированного проектирования средств СЦБ EBIT00L фирмы ABB Signal. ВИНИТИ. Железнодорожный транспорт за рубежом, 1996, с. 25-28.

62. Соболь В.Н., Минаков Е.Ю. Стрелочные электроприводы нового поколения. - Автоматика, связь и информатика,1998г,N2,с.2-4.

63. Сопротивление материалов./ Под ред. Смирнова А.Ф.- М.: Высш. шк. , 1975,- 480 с.

64. Сороко В.И. Повышение экономической эффективности устройств железнодорожной автоматики и телемеханики.- Железнодорожный транспорт, 1983, N1, с. 61-64.

65. Сороко В.И., Разумовский Б.А. Аппаратура железнодорожной автоматики и телемеханики: Справочник. В 2-х т. Т.1.- М.: Транспорт, 1981,- 399 с.

66. Сороко В.И., Разумовский Б.А. Аппаратура железнодорожной автоматики и телемеханики: Справочник. В 2-х т. Т.2.- М.: Транспорт, 1981,- 352 с.

67. Стандартные проектные решения и технологии при реконструкции устройств СЦБ и связи при подготовке полигонов сети для введения скоростного движения пассажирских поездов. Вып. 4 от 26.05.98,- Москва, 1998.

68. Станки металлорежущие. Передачи винт-гайка качения: Технические условия,- OCT Р31-5-84.

69. Стаханов А. H. Стрелочные переводы. - М. : Трансжелдориздат, 1937,- 155 с.

70. Степанов Ю. С., Самарин Н.И., Хорев A.M., Абрамова И.С. Стрелочные гарнитуры для нового электропривода ВСП-150, - Автоматика, связь и информатика, 1998, N2, с. 8-10.

71. Сухих Р.Д. Передачи и редукторы. Рациональные компоновки: Уч. пособ.- С.-Петербург, ПГУПС, 1993,- 87 с.

72. Телеуправление стрелками и сигналами. / А.С.Переборов,

A.Т.Брылеев, И.М.Кокурин и др. ; Под ред. А.С.Переборова.- 3-е изд., перераб. и доп. - М. : Транспорт, 1981.- 390 с.

73. Техническое задание на проведение ОКР по теме "Разработка стрелочного электропривода ЭЦ". от 03.03.93г.

74. Технология проектирования комплексов программ АСУ. /

B.ВЛипаев, Л.А.Серебровский, П.Г.Гаганов и др.; Под ред. Ю.В.Асафьева, В.В.Липаева.- М. : Радио и связь, 1983.- 172 с.

75. Tuinenga H.W. SPICE: A guide to circuit simulation using PSPICE. Prentice Hall, USA. 1988.- p. 200.

76. Указание МПС N Г-304У от 04.04.96 г. "О введении технологии измерения усилий перевода стрелок и крестовин".- М., 4с.

77. Устройства СЦБ. Технологический процесс обслуживания.-М. : Транспорт, 1983,- 152 с.

78. Федотов А.Е. Передовой опыт организации технического обслуживания устройств сигнализации и связи. Автоматика и связь (ЦНИИТЭИ МПС). 1985 . Обзор ППО 1, 34 с.

79. Федотов А.Е., Тарасов б.Н., Плавник Я.Ю., Стукан В. Л. Индустриализация обслуживания и ремонта устройств СЦБ.- М.: Транспорт, 1984.- 136 с.

80. Фришман М.А. Как работает путь под поездами.- М.: Транспорт, 1983,- 168 с.

81. Фролов К.В. и др. Теория механизмов и машин,- М.: Высш. шк., 1987,- 496 с.

- - 186 -

82. Чесноков В.M. Стрелочные электроприводы. Технология ремонта и проверки в условиях дистанции.- М.: Транспорт,1998.- 45с.

83. Чесноков В.М. Стрелочные электродвигатели. Технология ремонта и проверки в РТУ дистанции,- М.: Транспорт, 1998.- 48 с.

84. Электродвигатели переменного тока типа МСТ-0,3: Технические условия. ТУ 32 ЦШ 385-83, 1983,- 25 с.

85. Электродвигатели переменного тока типа МСТ-0,6: Технические условия. ТУ 32 ЦШ 388-83, 1983.- 22 с.

86. Ягудин Р.Ш. Надежность устройств железнодорожной автоматики и телемеханики. - М.: Транспорт, 1989.- 158 с.