Admin

О повышении эффективности обслуживания устройств ЭЦ

ОБОСКАЛОВ Александр Григорьевич,
ОАО «РЖД», Свердловская дирекция инфраструктуры, начальник службы автоматики и телемеханики, г. Екатеринбург, Россия
ЩИГОЛЕВ Сергей Александрович, ООО «Уралжелдоравтомати-зация», директор по научной работе, канд. техн, наук, г. Екатеринбург, Россия
РАЗГОНОВ Адам Пантелеевич, профессор, д-р техн, наук, г. Екатеринбург, Россия

Ключевые слова: эффективность технического обслуживания, электрическая централизация, стрелочный перевод, электропривод, контроль изоляции стрелочной гарнитуры
Аннотация. В статье рассмотрены некоторые аспекты обслуживания важнейших узлов электрической централизации (в частности узлов управления стрелками). Предложены решения, повышающие надежность их функционирования и достоверность контроля нормативных параметров, а также меры по более эффективному техническому обслуживанию. Представлены результаты измерений тяговых усилий стрелок методом динамометра, оценка их погрешностей по предложенным формулам, а также причины неправильного контроля положения стрелки при коротком замыкании контактной сети на рельсы.

■ Технические средства электрической централизации (ЭЦ) - важнейший исполнительный узел, обеспечивающий достижение эффективных эксплуатационных показателей железнодорожных линий (пропускной и провозной способностей на станциях), и, наряду с этим, установленный уровень показателей надежности и безопасности движения. На магистральных железных дорогах страны эксплуатируются свыше 130 тыс. централизованных электрических стрелок. Статистические данные свидетельствуют о том, что число отказов стрелок занимает значительную часть суммарных отказов технических средств (ТС) железнодорожной автоматики и телемеханики. Отсюда вытекает необходимость повышения качества и эффективности проведения их технического обслуживания и вместе с тем требований к уровню компетенций эксплуатационного штата.
Известно, что эффективность ТС - критерий их качества, а оценка качества технического обслуживания устройств СЦБ - обеспечение надежности систем и безопасности движения.
По инициативе авторов статьи на ряде железных дорог с целью определения параметров функционирования ТС электрической централизации в эксплуатационных условиях и оценки качества и эффективности их технического обслуживания проведены некоторые дополнительные исследования. Так, результатами измерений параметров установлены отклонения от нормативных допусков, в частности, по регулировке фрикционных узлов стрелочных электроприводов, по установке напряжений на клеммах электродвигателей электроприводов в режиме работы на фрикцию. В некоторых случаях установлено завышение напряжения питания цепей управления стрелок.
Известно [1, 2], что переводное усилие электропривода при работе электродвигателя на фрикцию ограничивается в связи с тем, чтобы не происходил отжим рамного рельса, а узлы крепления гарнитуры не подвергались сверхнормативным напряжениям. Это вызывает прогиб рабочей тяги электропривода, что может привести к смещению электропривода, а в некоторых случаях даже к получению ложного контроля положения стрелки. Таким образом, регулировка фрикционного механизма стрелочного электропривода на требуемое усилие является ответственной эксплуатационной операцией.

 

Содержание

1О РАБОТЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА В РЕЖИМЕ ФРИКЦИИ 2АНАЛИТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПЕРЕВОДНЫХ УСИЛИЙ СТРЕЛОЧНЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ 3ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА В РЕЖИМЕ ФРИКЦИИ 4КОНТРОЛЬ ИЗОЛЯЦИИ СТРЕЛОЧНОЙ ГАРНИТУРЫ 5СПИСОК источников

О РАБОТЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА В РЕЖИМЕ ФРИКЦИИ

■ Переводные усилия в нормальном режиме не нормируются и зависят не только от веса остряков, но и от состояния трущихся элементов и узлов, располагаемых вдоль тракта передачи механической энергии «ротор электродвигателя - остряки стрелочного перевода». Следует отметить, что усилие перевода стрелки - важнейший параметр, позволяющий судить о состоянии перевода в целом.
Переводное усилие стрелочных электроприводов в режиме фрикции в зависимости от марки стрелочного перевода и типа электродвигателя регулируется в пределах 210-450 кгс. Установлено, что при усилиях выше названных значений (>490 кгс) во фрикционном механизме при переводе стрелки возникают биения (так называемое явление бифуркации; в физике под этим термином понимается качественное изменение «раздвоение» режима работы объекта) фрикционных дисков. Биения вызывают модуляцию тока электродвигателя с частотой 16-19 Гц, сопровождаемую изменением величины усилия сцепления дисков и дребезгом подвижной системы «электродвигатель-остряки» (периодически возни-каютудары силой до 240 кгс, длительностью 52-60 мс). Осциллограмма, иллюстрирующая изменение формы токов после коммутации режима фрикции с высоким порогом срабатывания, представлена на рис. 1.

АНАЛИТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПЕРЕВОДНЫХ УСИЛИЙ СТРЕЛОЧНЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

■ В основе принципа действия асинхронных электродвигателей лежит вращающееся магнитное поле, которое при переменном токе 50 Гц совершает обороты (не выше 1500 об/мин), увлекая за собой ротор. При нагрузках скорость вращения ротора уменьшается и становится меньше скорости вращения магнитного поля. При этом относительное скольжение ротора электродвигателя типа МСТ-Обм, применяемого в стрелочных электроприводах, составляет 0,0267. По осциллограммам рабочих токов (или другими способами) определяется время перевода стрелки движения шибера электропривода, число оборотов и другие параметры.
Установлено, что первые 11 оборотов идет холостой ход (в том числе выбираются люфты в редукторе, на шибере, зазоры в шарнирных соединениях и др.), а в последующие 40 происходит перемещение шибера на величину 0,152 м, преодолевая переводное усилие остряков общим весом 1200 кг (условно принятым для расчетов). На втором этапе перевода стрелки опытным путем выявлена линейная зависимость перемещения шибера (остряков) L от числа оборотов вала ротора асинхронного электродвигателя МСТ-Обм, аппроксимированная выражением:
L = k-N = 3,8 N, где к - передаточный коэффициент;
N - число оборотов вала электродвигателя.
Переводные усилия стрелок в нормальном режиме перевода в зависимости от марки стрелочного перевода и типа двигателя электропривода располагаются в диапазоне 220-255 кгс. Осциллограмма рабочего тока - окончания перевода первой стрелки съезда и коммутации цепи и перевода второй стрелки представлена на рис. 2.

При разности углов питающего напряжения и между током и напряжением фазы двигателя в 90° в момент включения электропривода возникает переходный электрический процесс [3]. При этом амплитуда рабочего тока достигает максимального значения, в четыре и более раз превышающего установившееся значение. При определенных соотношениях усилий режимов такой процесс может вызвать кратковременное срабатывание фрикции.

Переводные усилия в нормальном режиме зависят не только от веса остряков, но и от состояния трущихся элементов и узлов, располагаемых вдоль тракта передачи механической энергии «ротор двигателя -остряки стрелочного перевода». Следует отметить, что усилие перевода стрелки является важнейшим параметром, позволяющим судить о состоянии перевода в целом.
Полученные эмпирическим путем формулы позволяют рассчитать усилие перевода стрелок Fy [4] стрелочных электроприводов с электродвигателями трехфазного тока, а также с электродвигателями постоянного тока. Более того, предлагаемый аналитический метод расчета усилий перевода стрелок может быть применен в цифровых системах технической диагностики объектов автоматики и телемеханики, что особенно актуально для централизаций промежуточных станций.
Формула для расчета усилия перевода электроприводов с двигателями переменного тока имеет следующий вид:
F = 19,73 • 11ф • 1ф ■ costp, (1) где 19,73 - коэффициент пересчета (3: 0,152 = 19,73), при этом 0,152 м - ход шибера электропривода;
иф, 1ф- фазные напряжение и ток;
coscp - угол сдвига фазы между ними.
Для схемы питания электродвигателя «звезда-звезда» (без нулевого провода) все концы фазных обмоток генератора и приемника соединены в общую нулевую точку. Из топографической диаграммы цепи и ее векторной диаграммы можно записать, что линейные напряжения Un определяются как разности фазных напряжений LL [3]:
иав = иа - из- ивс = ив - ис, иса = ис - иа
или ил = lfaB = 2Ua • cos30° = 1,73 11ф.
По аналогии можно записать уравнения для линейного тока:
1ав = 1а - 1В или 21л . cos30° = 1,73 •1л, 1л =1,73 • 1ф (в целях упрощения написания точки над комплексными величинами U, I опущены).
Для определения фазовых соотношений получены осциллограммы напряжения и тока (рис. 3) в режиме
нормального перевода стрелки при усилии перевода 255 кгс (измерено динамометром УКРУП). Выяснилось, что угол сдвига фазы между ними составляет 35°-39° (cos35° = 0,809). Далее приведены дополнительные сведения о фазовой зависимости токов рабочей цепи при различных нагрузках асинхронного электродвигателя стрелочного электропривода.
Усилие перевода стрелок электроприводов с электродвигателями постоянного тока рассчитывается по формуле:
Fy = 6,67- I (U - Нкл ■ I), Н, (2)
где U - напряжение рабочей батареи, В;
I - ток в рабочей цепи, А;
- сопротивление кабельной линии, Ом.
Приведем примеры расчета усилия перевода по формуле (1). На клеммах электродвигателя произведены измерения напряжения 11ф = 126 В, линейного тока - 2,2 А, усилия - 255 кгс.
Определим ток одной из фаз L = 2,2:1,73 = 1,272 А и усилие перевода по формуле (1)
F =126-1,272 • 19,73 = 316 кгс,
где 1кгс ~ 10 Н. С учетом фазового угла получаем F = 316 • 0,809 = 256 кгс. Погрешность расчета составляет А = ([255-256]/256) • 100 % < 0,4 %.
Рассчитаем усилие перевода по формуле (2), принимая, что измеренное УКРУП усилие - 255 кгс, заданные параметры напряжения рабочей батареи -220 В, тока рабочей цепи - 2,1 А, сопротивления кабельной линии - 19 Ом:
Fy = 6,67- 2,1- (220-19 ■ 2,1) = 281 кгс, где 1 кгс == 10 Н. Результаты расчетов усилий перевода стрелок, используя электрические параметры схемы управления трехфазными электродвигателями, вычисленные с помощью формулы (1) и измеренные динамометром УКРУП, приведены в табл. 1.
Анализ показывает, что при более тщательных измерениях фазных значений напряжения и тока на клеммах электродвигателя и установке нормативных значений переводных усилий в режиме фрикции, отрегулированной согласно требованиям [1, 2], погрешность оценки переводных усилий не превысит 5 %.
С учетом формулы (1) можно записать выражение для приближенной оценки коэффициента трения системы тракта «ротор электродвигателя - остряки -подкладки стрелочного башмака»:
Krp = Fy/G, (3)
где G - вес остряков стрелки (1300 кг для рельсов типа Р65).



Для усилий нормального перевода стрелки коэффициент составляет К,. = 240 - 255/1300 = 0,18-0,20.
Коэффициент трения зависит от таких факторов, как число подкладок стрелочных башмаков, по которым перемещаются остряки (при исследовании пяти стрелок обнаружено, что в среднем 4-6 подкладок не касаются нижней поверхности остряков), состояние поверхности сопряжения «рамный рельс - остряк», наличие смазки на подкладках и др. Очевидно, что этот параметр может быть использован для контроля работы переводного механизма стрелки, например, при увеличении времени ее перевода.
Исходя из этого эксплуатационному штату целесообразно наряду с проверкой физических параметров состояния стрелочного перевода периодически проводить совместные с мастером или бригадиром пути измерения электрических и временных параметров перевода и при необходимости приводить их к нормативным значениям. Известно, что зачастую в некоторых случаях для повышения работоспособности стрелочного перевода прибегают к увеличению «порога» работы фрикции.

ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА В РЕЖИМЕ ФРИКЦИИ

Рассмотрим механизм проявления биений, которые возникают при недопустимых превышениях переводных усилий двигателя, работающего в режиме фрикции.
Электромагнитный и тормозной моменты системы могут резко возрастать. Между тем мощность внешнего источника электропитания несоизмеримо выше подводимой мощности электродвигателя Р2. Поэтому источник легко управляет подвижной системой, обладающей упругостью и колеблющейся, как было отмечено, с собственной частотой 16-19 Гц.
Тормозной момент Мт возрастает «скачком» вследствие мгновенно возникающего мощного трения на поверхности дисков фрикционной муфты. При этом образуется разность электромагнитного и тормозного моментов, причем первый из них мгновенно превосходит второго за счет ответного импульса силы S на валу ротора:
s = • Fy • dt;
m\Z=Fy-t, (4)
где m - приведенная масса подвижной системы, кг;
V - скорость вращения ротора, восстанавливающего равновесие системы, м/с;
t - длительность импульса силы, с.
Второе уравнение формулы (4) характеризует наступившее в системе равновесие (импульс массы системы стал равным импульсу силы).

Упрощенная механическая модель электромагнитных моментов вала ротора в режиме биений представлена на рис. 4. Здесь приняты обозначения: OS - ось результирующего магнитного потока статора (средоточие электромагнитной энергии двигателя); S - ведомая точка, связанная пружиной Пр, выполняющей роль электромагнитного момента вала ротора, с радиусом 0R1 под углом Qv отстающим от линии OS окружности вращения со скоростью и2 = 2 л п2/60 (п2 = 1460 - номинальная частота вращения ротора), приведенной к валу ротора массы т, сосредоточенной в точке R1 при нормативном переводном усилии 320 кгс; тоже 0R2 - радиус окружности вращения массы вала при переводном усилии 600 кг (показано вращение радиуса 0R2, увеличенного на амплитуду Ар с углом Q2 ±аР).
Р Расчетные параметры режима фрикции: частота вращения вала ротора fn = 1500 (1 - s)/60, амплитуда биений ротора Аб в режиме перегрузки, скольжение s, значение частоты вращения вала ротора fn приведены в табл. 2.
Расчет амплитуды биения Аб произведем с заданным скольжением 0,1. По формулам находим частоту и период вращения ротора: fn = 1500 • (1 - 0,1 )/60 = = 22,5 Гц, Т = 1/22,5 = 0,0444 с. Далее рассчитаем длину участка пути, проходимого шибером привода за период частоты вращения ротора, т.е. искомую амплитуду биений Аб = 0,0444 • 38 = 1,68 мм (путь, проходимый шибером за оборот вращения вала ротора 1520/40 = 3,8 мм/об).
Величина амплитуды биений А6 в действительности будет меньше расчетной, поскольку существуют механические ограничители подвижной системы - с одной стороны рамный рельс, с другой - предельная величина допусков на люфты конструктивных и крепежных элементов электропривода.

Методом пропорционального пересчета величин параметров электродвигателя соизмеримой мощности получены суммарные потери стрелочного электродвигателя МСТ-Обм, которые включают в себя составляющие:
п Рп = Рм + Рэр + Рэс + Рст + РД’ (5)
где Рм - механические потери на валу;
рэр, Рэр - электромагнитные потери в роторной и статорной обмотках;
Рст - потери в статорной стали;
Рд - добавочные потери от вихревых токов в обмотках.
Полные потери в стрелочном АД составили 2,8 % от подводимой мощности Р2 = 35 ВА. При этом относительное скольжение
s = (fm-f2)/fm = 0,0267, р2^кс=3-ил. 1Л = 792 ВА где ил, 1л - линейные напряжение и ток фазы;
f1n = 1500 Гц, f2 = 1460 Гц - номинальные частоты статора и ротора.
Из рис. 5 следует, что полезный момент вращения на валу ротора в координатах М2(Р2) носит линейный характер, что вытекает из формулы М2 = Р2/со, указывающей, что токи в различных режимах работы стрелочного электродвигателя зависят от вида режима и уровня нагрузки.
Определение переводного усилия по формуле (1) требует знания величины coscp. Оказалось, что измеренная величина этого параметра 0,82 весьма близка к величине, указанной на графике (см. рис. 5) функции costp (Р„) 0,815 при нормативной подводимой мощности. Учитывая относительно высокую стабильность переводных усилий в нормальном режиме (коэффициент стабильности Кст = 6 %), а также стабильность изменения cos<p в пределах подводимой мощности (0,5-1,0)Р2 и выше (см. рис. 5) на участке потребляемой стрелками мощности, целесообразно принять величину cosep = 0,82 при расчетах по формуле (1) и отказаться от трудоемкой операции измерения фазового угла. Таким образом, формулу (1) следует записать в виде, отличающемся от вида этой формулы величиной коэффициента:
Ру=16,2-иф-1ф. (6)

КОНТРОЛЬ ИЗОЛЯЦИИ СТРЕЛОЧНОЙ ГАРНИТУРЫ

■ Иногда проверки понижения сопротивления изоляции стрелочных гарнитур, изолирующих стыков и других элементов проводятся с отклонениями от установленных норм времени [1, 2]. Несвоевременное выполнение этих важных профилактических операций может привести к опасному отказу - неправильному (ложному) контролю положения стрелки в маршруте. Так, был зафиксирован случай, когда причиной отказа стрелки системы ЭЦ стало пониженное сопротивление (пробой) изоляции болтов крепления стрелочных гарнитур рельсовой линии от воздействия мощной помехи тока короткого замыкания контактной сети.

Известно, что электрическое сопротивление изоляции элементов рельсовой линии (РЛ) колеблется от 100 Ом до нескольких кОм с допустимым минимумом 50 Ом. Периодический контроль состояния изоляции, в частности болтов стрелочных гарнитур, зачастую не соблюдается и выполняется лишь после их отказов [5].
Наиболее вероятные отказы по причине пробоя изоляции стрелочных гарнитур и других элементов РЦ происходят при возникновении короткого замыкания (КЗ) в непосредственной близости от объекта [6]. При этом можно получить ложный контроль положения стрелки в маршруте, как это было в 2022 г. на Восточно-Сибирской дороге. При анализе причин подобных отказов были определены основные пути распространения помехи, созданной потенциалом и током короткого замыкания вдоль рельсовой линии, от места проникновения в рельсовую цепь (например, через заземлитель опоры), через изоляцию приборов схемы контроля положения стрелки, располагаемых внутри электроприводов стрелки, и далее по жилам стрелочного кабеля до контрольных приборов релейного помещения поста централизации. Оказалось, что максимальный ток КЗ достигал 6500 А, отключенный через 0,2-0,25 с автоматической системой защиты на тяговой подстанции. Из графика распределения потенциала «рельс-земля», полученного аналитическим расчетом цепи при коротком замыкании контактной сети переменного тока (не приводится в статье), следует, что максимальное его значение 11,2 кВ в точке КЗ плавно затухает, снижаясь, например, до половины на расстоянии 2,5 км, достигая величины 2 кВ на расстоянии 3,8-4,0 км и далее (до 6 км) уменьшается до нуля. Наряду с этим ток КЗ, раздвоившись на входе в рельсовую нить, протекает до дроссель-трансформатора, установленного перед
стрелкой съезда, вновь уменьшается практически в три раза, достигая 1066 А в двух рельсовых нитях перед остряками стрелки и одной нити, ведущей назад в сторону места КЗ. Уровень тока на выходе с территории стрелки распределяется по четырем рельсовым нитям, достигая величины 530 А. Далее рассчитаны напряжение и ток помехи на входе стрелочного кабеля, проложенного от электропривода до поста ЭЦ. Для этого определены волновое сопротивление рельсовой нити (0,9 Ом) и напряжение на входе кабеля (954 В), сопротивление жил с учетом сваривания сопрягаемых с ними приборов схемы (из заключения на причину отказа), ток, ответвляющийся по кабелю на пост ЭЦ (160,8 А) и др.

При совершенствовании существующих и разработке новых систем СЦБ с применением микроэлектронной техники необходимо подвергать жестким испытаниям и контролю узлы, ответственные за функциональную безопасность систем, добиваться, чтобы они соответствовали требованиям по обеспечению безопасности движения. Отметим, что исследованиями при разработке конструкции защитных средств (УЗИП) от воздействия мощных электромагнитных помех тяговой сети на устройства СЦБ установлено, что двух- и трехступенчатая защита считается удовлетворительной, если гасится 65 % энергии помехи. Вместе с тем, в наиболее ответственных узлах систем целесообразно дополнительно применять встроенные элементы защиты от перенапряжений и обеспечивать контроль их работоспособности.
Авторами статьи предложены технические решения для повышения эффективности технического обслуживания устройств управления электрическими стрелками, в частности, проверен аналитический способ дистанционного измерения переводных усилий стрелочного электропривода и его применение в проектах цифровой технической диагностики, особенно важный для систем электрической централизации промежуточных станций. Кроме этого, рекомендовано расширять компетенции эксплуатационного штата, обслуживающего системы безопасности движения поездов, путем проведения занятий по изучению алгоритмов работы, устройства основных узлов систем электрической централизации и физических процессов, протекающих в них, а также методов приведения их к нормативным параметрам.

СПИСОК источников

1. Инструкция по техническому обслуживанию и ремонту устройств и систем сигнализации, централизации и блокировки : утв. распоряжением ОАО «РЖД» от 30.12.2015 № 3168р (в ред. от 13.12.2021).
2.0 внесении изменений в Инструкцию по техническому обслуживанию и ремонту устройств и систем СЦБ : распоряжение ОАО «РЖД» от 18.02.2019 № 286р.
3. Основы теории цепей: учебник/Г.В. Зевеке, П.А. Ион-кин, А.В. Нетушил, С.В. Страхов. М.-Л.: Энергия, 1965.444 с.
4. Патент № 2647334 РФ, B61L 5/06. Способ определения тягового усилия стрелочного электропривода с электродвигателем переменного тока / Разгонов А.П., Щиголев С.А., Валиев Ш.К. и др.; патентообладатель ФГ-БОУВО УрГУПС. № 2017106089; заявл. 22.02.2017; опубл. 15.03.2018; Бюл. № 8.
5. Аркатов В.С., Кравцов Ю.А., Степенский Б.М. Рельсовые цепи. Анализ и техническое обслуживание. М.: Транспорт, 1990. 295 с.
6. Устройства СЦБ при электрической тяге переменного тока / М.И. Вахнин, Н.Ф. Пенкин, М.А. Покровский и др. М.: Трансжелдориздат, 1956. 220 с.

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК