Admin

Устройство для бесконтактного контроля схода колесной пары с рельсов

ФОГЕЛЬ Александр Львович, Самарский государственный университет путей сообщения (СамГУПС), филиал СамГУПС в Нижнем Новгороде, кафедра «Техника и технологии железнодорожного транспорта», доцент, старший научный сотрудник, канд. техн, наук, г. Нижний Новгород, Россия
ФАДЕЕВ Сергей Владимирович, Самарский государственный университет путей сообщения (СамГУПС), филиал СамГУПС в Нижнем Новгороде, кафедра «Техника и технологии железнодорожного транспорта», доцент, канд. техн, наук, г. Нижний Новгород, Россия

Ключевые слова: подвижной состав, нижний габарит, колесная пара, устройства контроля схода
Аннотация. С целью выявления схода колесной пары или волочащегося предмета, нарушающего нижний габарит подвижного состава, на сети дорог широко используются устройства УКСПС. Однако основной их недостаток - ложные срабатывания от ударов спрессованного снега и льда в зимний период, что приводит к необоснованным остановкам поездов. Такие, не вызванные реальными неисправностями, остановки поездов приводят к снижению пропускной способности перегона, нарушению графика движения, что особенно неприемлемо для скоростных пассажирских поездов. Для решения этой проблемы в период 2019-2021 гг. в Нижегородском отделении АО «ВНИИЖТ» было разработано новое устройство определения схода колесной пары вагона с рельсов (УОСКП), реализующее бесконтактный метод контроля.


С целью повышения безопасности движения поездов для контроля схода колесной пары с рельсов или нарушения нижнего габарита подвижного состава уже более 30 лет в качестве основного средства используется устройство УКСПС. Характеристики и конструкция УКСПС широко известны и описаны во многих публикациях.

Принцип работы устройства заключается в разрыве токопроводящей цепи при разрушении ее элементов от удара сошедшего колеса или негабаритного провисающего предмета. Наряду с неоспоримой простотой УКСПС имеет принципиальные недостатки, связанные с методом ударного воздействия. Выбор
критерия значения разрушающей силы является, по нашему мнению, достаточно неоднозначным, так как сложно соотносится с импульсом ударного воздействия, зависящим от многих факторов, точки и направления удара, скорости, массы и твердости предмета. По этой же причине возникают трудности калибровки устройства на месте установки. Разработанные модификации устройства УКСПС-2 и УКСПС-У-1 имеют улучшенные характеристики, однако также могут срабатывать от ударного воздействия [1].
В 2002 г. сотрудники Нижегородского отделения АО «ВНИИЖТ» разработали систему контроля нижнего габарита СКНГ-2 (рис. 1) и систему контроля волочащихся предметов СКВП-2 (рис. 2).
В системе СКНГ-2 применяется бесконтактный метод определения негабаритного предмета, в основе которого - изменение электроемкости электромагнитного датчика при приближении к нему предмета на определенное расстояние. В этой системе реализована высокая чувствительность, однако устройство не защищено от воздействия климатических факторов.
В системе СКВП-2 был использован тот же принцип ударного воздействия от волочащегося негабаритного предмета, что и в УКСПС. Однако преимуществом является то, что датчик при ударе не разрушается и его не приходится восстанавливать после срабатывания. В итоге уменьшается число «ложных» срабатываний из-за неисправности системы. Сигнал тревоги формируется электронной схемой, чувствительным элементом в которой служит реле. Его контакты размыкаются при ударе заданной силы о корпус. Таким образом, критерием срабатывания является сила удара. В этом основной недостаток устройства.
В 2021 г. завершена разработка принципиально нового устройства контроля схода колесной пары вагона с рельсов УОСКП (рис. 3). Принцип его работы основан на выявлении провисающего или волочащегося негабаритного предмета или схода колесной пары вагона на основе анализа сигналов электромагнитных датчиков [2].


Главным преимуществом нового устройства является отсутствие срабатываний от ударных воздействий благодаря использованию нового способа определения схода колесной пары или волочения вне нижнего габарита неисправных элементов подвижного состава. УОСКП может определять сход колесной пары под слоем снега и льда без непосредственного касания колеса или провисающего предмета с его элементами, что существенно уменьшает эксплуатационные расходы. Благодаря высокой избирательной способности индукционные электромагнитные датчики определяют приближение металлических предметов к конструктивным элементам устройства. При этом они нечувствительны к любым ударам. Современная микропроцессорная техника с оптимальными алгоритмами обработки сигналов от датчиков позволяет исключить срабатывания от элементов нижнего очертания вагонов, улучшить отношение сигнал/шум. Новое устройство также обладает расширенными функциональными возможностями, в частности, определяет местоположение сошедшего колеса в поезде и время этого события.
Оно состоит из напольного оборудования, размещенного на рельсовом пути, и дополнительных блоков, расположенных в путевой коробке, в шкафу с аппаратурой СЦБ на сигнальной точке или в помещении поста КТСМ. Блок-схема УОСКП приведена на рис. 4.
Напольное оборудование конструктивно представляет пластиковую панель толщиной 40 мм и длиной 2402 мм, расположенную в межшпальном пространстве на 40 мм ниже уровня подошвы рельсов. В ней размещены 7 индуктивных электромагнитных датчиков и плата обработки данных. Такое расположение позволяет исключить разрушение устройства не только от волочащихся негабаритных предметов, но и при сходе колеса с рельсов, если шпалы сохраняют свое положение. Датчики полностью контролируют область возможного нарушения нижнего габарита подвижного состава.

Устройство определяет сторону и порядковый номер колесной пары (от начала состава), на которой произошло срабатывание. Эти данные вместе со временем и датой хранятся в памяти устройства и в виде последовательного кодового сигнала могут передаваться вместе с сигналом тревоги и неисправности. Интерфейс передачи сигнала тревоги при срабатывании устройства и сигнала неисправности полностью соответствует схеме подключения устройств УКСПС к аппаратуре СЦБ и КТСМ. При установке УОСКП на сигнальной точке или на посту КТСМ используются блоки передачи данных (блок 1 или блок 2). При наличии радиоканала информация с устройства может передаваться в кабину машиниста.
Основой устройства являются индуктивные электромагнитные датчики, в которых происходит изменение частоты генератора, вызванное изменением расстояния до металлического предмета.
Измерительный генератор собран на основе цифровой микросхемы с чувствительным элементом в виде печатного проводника. Высокоскоростной частотомер на базе микроконтроллера измеряет изменение частоты с погрешностью не более 0,02 % за 1 мс. На выходе устройства используются два последовательно включенных твердотельных реле, коммутирующих напряжение со входа на выход. Особенностью разработанного датчика является малое время измерения, благодаря чему устройство может контролировать подвижной состав, движущийся со скоростью 300-350 км/ч. В настоящее время авторы работают над техническими решениями, позволяющими повысить скорость контролируемого состава до 450 км/ч. Пластиковая панель с индуктивными датчиками и плата датчика представлены на рис. 5.
Принцип действия индуктивного датчика аналогичен способам измерений в металлодетекторах. Величина отклика сигнала от металлического предмета (задержка по времени между моментом, когда датчик обнаружил металлический объект, и моментом, когда появляется звуковая или визуальная индикация) уменьшается пропорционально четвертой степени расстояния до него. Поэтому путем выбора соответствующего порогового значения сигнала можно определить расстояние от датчика, на котором металлические предметы определенных размеров будут выявляться с вероятностью, близкой к 100 %.
Испытания УОСКП на Горьковской дороге показали, что наиболее часто встречающиеся негабаритные предметы (тормозная тяга, замок автосцепки и др.) устройство определяет на расстоянии 150 мм от поверхности датчика. При этом сигнал от сошедшего колеса многократно превышает сигнал от негабаритного предмета. Это позволяет утверждать, что сход колеса ни при каких условиях не может быть пропущен.


Высокая чувствительность УОСКП при низком уровне помех и собственного шума позволяет устанавливать момент прохождения каждой колесной пары и профиль нижней поверхности вагонов и локомотивов. Таким образом, в момент срабатывания устройства можно определять порядковый номер колесной пары и сторону без установки дополнительных датчиков. На рис. 6, 7 приведены графики временной зависимости сигналов датчиков при прохождении над устройством УОСКП подвижного состава различных типов (скоростного поезда «СТРИЖ» и грузового поезда соответственно). Сигналы от всех семи датчиков устройства изображены разным цветом. На графиках хорошо видны моменты прохождения над устройством колесных пар локомотива, вагонов и других элементов нижнего габарита подвижного состава.
В ходе предварительной проверки на Горьковской дороге устройство выдержало цикл механических, климатических и электромагнитных испытаний. Для внедрения системы УОСКП на сети железных дорог требуется ее подконтрольная эксплуатация и широкомасштабные испытания.

СПИСОК источников

1. Зингер М.Б. УКСПС гарантирует повышение надежности // Автоматика, связь, информатика. 2011. № 2 С.24-27.
2. Пат. 155788 Российская федерация, B61L23/00, В60К28/10, В60К28/14, G08B21/00. Устройство контроля схода колесной пары с рельсов / Зайцев И.А., Ерилин Е.С., Исаичев Н.Г., Красильников В.С. и др.; патентообладатель ОАО «РЖД». № 2004104956/11; заявл.23.01.15; опубл.20.10.15; Бюл. № 29 (II ч). 4 с. : ил.