УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ В СТЫКОВОМ ЗАЗОРЕ ИЗОЛИРУЮЩЕГО СТЫКА

Полезная модель относится к устройствам, имеющих магнитную систему, магнитное поле, которого взаимодействует магнитным полем стыкового зазора изолирующего стыка, с целью снижения скопления на изолирующем стыке металлических частиц в виде стружки и окалины и исключения возможности замыкания рельсовой электрической цепи.
Известно явление роста остаточной намагниченности стального изделия возникающего в процессе деформирования металла. (Макаров П.С. Совершенствование методов магнитного контроля напряженно-деформационного состояния конструкций магистральных трубопроводов. Диссертация на соискание степени канн. техн. наук. Уфа, 2007 г., 116 с, стр. 33-37). Упругое деформирование рельсов циклической нагрузкой присутствует при прохождении колеса по рельсу и рельсовому стыку в присутствии внешнего магнитного поля Земли. В месте упругой деформации возникает остаточная намагниченность металла, а при постоянно действующей циклической нагрузке происходит рост остаточной намагниченности конструкции. После снятия нагрузки обратимая составляющая исчезает, и остается только необратимая составляющая остаточной намагниченности. На данном явлении построено целое направление диагностики материалов. (Дубов А.А. "Диагностика котельных труб с использованием магнитной памяти металла" М.: "Энергоатомиздат", 1995, 112 с). Таким образом, происходит намагничивание рельсов в зонах концентрации напряжений от циклических нагрузок, возникающих между колесом и рельсом. Проведенные авторами исследования показали, что намагничиванию подвержены рельсы на всей длине, а наибольший рост остаточной намагниченности происходит в местах изолирующих стыков.
Широко применяемые композитные изолирующие накладки из стеклопластика на основе эпоксидных связующих, не решили проблемы надежности работы железнодорожного пути в стыковой зоне с точки зрения снижения намагниченности изолирующих стыков. Негативным аспектом проблемы является периодическое электрическое замыкание стыковых зазоров, по причине образования шунтирующих мостиков, возникающих в результате скапливания металлических частиц в районе изолирующих стыков. В изолирующем стыке, с повышенной напряженностью магнитного поля в стыком зазоре, шунтирующие мостики приводят к сбою в работе систем сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ) и возникновению эффекта ложной занятости рельсовых путей. Кроме этого значительная величина напряженности магнитного поля стыкового зазора создает помехи в работе систем автоматической локомотивной сигнализации (АЛС).
Известны исследования по измерению напряженности магнитного поля в стыковом зазоре изолирующих стыках (В.М. Федин, А.В. Наумов, А.И. Борц, И.В. Шарапова К вопросу намагниченности концов рельсов в изолирующих стыках. Вестник ВНИИЖТ-2006, №2, стр. 21-23.) Полученные результаты измерений напряженности магнитного поля в стыках различной конструкции, показывают, что имеется большой разброс по величине напряженности магнитного поля. Выявлены максимальные значения величин напряженности магнитного поля, приводящие к сбоям в работе системы СЦБ. В настоящее время имеется утвержденная распоряжением ОАО «РЖД» 09 января 2013 г. №5р «Инструкция по определению мест со сверхнормативной намагниченностью рельсов в пути и на рельсосварочных предприятиях», в которой приведены нормативные значения магнитной индукции рельсов, изолирующих стыков, рельсовых элементов стрелочных переводов, превышение которых приводит к сбоям в работе АЛС при автономной тяге поездов, тяге переменного и постоянного токов. Для изолирующих стыков нормативное значение магнитной индукции в эксплуатации допускается не более 10 мТл, а при приемке после размагничивания не более 7,0 мТл, что соответствует напряженности магнитного поля изолирующего стыка 7961,78 А/м и 5573,25 А/м. Измерение индукции и напряженности магнитного поля в изолирующем стыке, согласно Инструкции, должны проводится специалистами службы средств СЦБ приборами «А9-1М», «СТЫК-3Д», «ИТРЦ-М» и прошедшими обучение на предприятиях, являющимися разработчиками данных приборов.
Создание новых технических решений, направленных на снижение напряженности магнитного поля в изостыке за счет шунтирования магнитного поля является актуальной задачей, и здесь имеются успехи. Постоянно повышающая намагниченность изолирующего стыка способствует притягиванию в зону стыка металлических частиц, которые образуют токопроводный мост между рельсами. При достижении определенного уровня величины магнитного поля в изолирующем стыке необходимо принятия оперативного решения по обслуживанию изостыка и установки магнитной системы направленной на снижение магнитной индукции в стыковом зазоре изолирующего стыка. Для этого необходимо мобильное, простое в эксплуатации, не требующей высокой профессиональной выучки персонала, устройство, которое могло бы показать, насколько магнитная индукция магнитного поле в стыковом зазоре изолирующего стыка превышает нормативное значение, насколько изолирующий стык с наличием такого магнитного поля опасен для дальнейшей эксплуатации рельсового пути, насколько эффективно работает шунтирующие устройство, установленное в районе изолирующего стыка.
Для исследований явления намагниченности рельсов на дорогах РЖД в ООО «АпАТэК» разработали цифровой магнитометр «СТЫК-3D», способный измерять и записывать в электронную память три компоненты напряженности магнитного поля в изолирующем стыке. (А. Козлов, А.С.Козлов, А.Е. Ушаков «Намагниченность изолирующих стыков», Путь и путевое хозяйство, №1, 2005 г. стр. 10-12). Этот прибор входит в реестр приборов рекомендованных для применения с сети дорог ОАО «РЖД». Для работы с данным прибором требуются специалисты прошедшие соответствующее обучение у разработчика прибора.
Известно устройство для определения параметров, характеризующих намагниченность подвижного объекта, содержащее трехкомпонентные магнитометрические датчики, расположенные в двух фиксированных относительно измеряемого объекта точках пространства, и измерительную аппаратуру, состоящую из шести усилительно-преобразовательных блоков, двух генераторов переменных напряжений, двух регулировочных устройств, двух немагнитных оснований, трех углоизмерительных устройств, устройства обработки информации, регистрирующего устройства и поворотного устройства. (Патент RU №2257594 от 27.07.2005 г., МПК G01R 33/02).
Известен также феррозондовый магнитометр, использующий датчик, выполненный в форме буквы Е, повернутой на угол 90 градусов по часовой стрелке и располагающейся непосредственно на поверхности контролируемой ферромагнитной конструкции. (Патент США US 6456069 В1 от 24.09.2002 г. МПК G01R 33/04). Возбуждающая обмотка датчика намотана на среднюю ножку буквы Е, измерительная обмотка намотана на верхнее основание буквы Е. Существенным недостатком данного технического решения является значительное влияние обмотки возбуждения датчика на магнитное состояние измеряемой ферромагнитной конструкции, так как создаваемый обмоткой переменный магнитный поток проходит через измеряемую конструкцию и искажает условия формирования намагниченности на измеряемом участке.
Приведенные в аналогах технические решения предназначены для контроля намагниченности объектов, в которых широко используются магнитоизмерительные датчики, требующие использования дополнительных регистрирующих устройства и специалистов высокой квалификации.
Известно устройство для контроля «самонамагничивания» рельсового изолирующего стыка, включающем корпусные элементы конструкции объекта, с расположенной над ними магнитной системой при этом, корпусными элементами конструкции являются участки рельсов, образующих изолирующий стык рельсового пути, а магнитная система состоит из основания, с закрепленными на нем магнитопроводом с магнитом, магнитной стрелки и картушкой, при чем магнитная стрелка и картушка расположены в отдельном прозрачном корпусе над поверхностью головки рельса в области стыка, а над ними располагается магнитопровод с магнитом, при чем магнитопровод сориентирован по зазору стыка, а картушка имеет шкалу для определения степени «самонамагничивания» рельсового изолирующего стыка. Кроме этого, основание выполнено из немагнитного материала, внутренняя поверхность основания повторяет наружную поверхность головки рельса, обеспечивая плотность прилегания, магнитопровод состоит из ферромагнитного сердечника и электрической обмотки или ферромагнитного сердечника и постоянного магнита, шкала картушки выполнена разноцветной при этом низкая степень намагниченности, средняя степень намагниченности, высокая степень намагниченности в различных зонах картушки, соответственно, выполнены одним цветом, магнитная стрелка установлена на высоте 20-35 мм относительно поверхности головки рельса, магнитопровод установлен на высоте 20-35 мм над магнитной стрелкой. (Патент RU №2444024 по заявке 2010132709 от 04.08.2010 г., МПК G01R 33/02). Данное техническое устройство принято в качестве прототипа.
Недостаток данного устройства заключается в том, что физические параметры магнитного поля создаваемого устройством, и геометрические параметры устройств не имеют оптимального значения, требуют постоянной проверки устройства высокоточными приборами измерения напряженности магнитного поля. Неразъемное соединение магнитопровода и основания не позволяет выполнить операцию, определения полярности магнитного поля в стыковом зазоре изолирующего стыка, которую необходимо знать при установке устройств снижающих напряженность магнитного поля стыкового зазора изолирующего стыка.
Задачей заявляемого устройства контроля магнитного поля в стыковом зазоре изолирующего стыка является повышении безопасности движения подвижного железнодорожного состава на участках с автономной и электрической тягой постоянного и переменного тока, имеющих изолирующие стыки рельсов.
В процессе решения поставленной задачи достигается технический результат, заключающийся в упрощении и сокращении времени выполнения технологической операции снижения напряженности магнитного поля в стыковом зазоре изолирующего стыка до нормируемых величин, исключающих замыкание изолирующего стыка, и исключение использования технических средств измерения, требующих обслуживания специалистами высокой квалификации, прошедших обучение на предприятиях, являющимися разработчиками средств измерения.
Технический результат достигается устройством контроля напряженности магнитного поля стыкового зазора изолирующего стыка, состоящее из основания, магнитной стрелки размещенной в отдельном прозрачном корпусе на основании, имеющем картушку со шкалой определения степени напряженности магнитного поля стыкового зазора изолирующего стыка, магнитопровода, установленного на основании и состоящего из постоянного магнита и двух полюсных наконечников, магнитное поле которого взаимодействует с магнитным полем магнитной стрелки и изолирующего стыка, при этом магнитопровод выполнен съемным, полюсные наконечники имеют П образную форму, одной торцовой поверхностью соединены с противоположными гранями, являющимися полюсами постоянного магнита, продольная ось магнитной стрелки, совпадает с центральной осью полюсных наконечников, а ось вращения магнитной стрелки совпадает с осью симметрии постоянного магнита, постоянный магнит создает магнитное поле с магнитной индукцией в центре зоны расположения магнитной стрелки не менее 1,5 мТл.
Кроме этого магнитная стрелка расположена в зоне между поверхностью головки рельса, в области стыкового зазора, и магнитопроводом на равноудаленном расстоянии от поверхности головки рельсов и нижней плоскости постоянного магнита, направление полярности магнитопровода ориентировано вдоль линии стыкового зазора изолирующего стыка, магнитопровод имеет гибкое соединение с основанием, основание выполнено из немагнитного материала, внутренняя поверхность основания повторяет наружную поверхность головки рельса, шкала картушки выполнена разноцветной, цвет определяет степень напряженности магнитного поля в стыковом зазоре изолирующего стыка, магнитная стрелка установлена на высоте 20-35 мм относительно поверхности головки рельса.
На основе экспериментальных исследований явления роста остаточной намагниченности стальных изделий от механических напряжений, возникающих в процессе деформирования металла проведенных авторами, разработано мобильное, простое в эксплуатации, не требующее профессионального обучения персонала, устройство, которое при установке устройства на изолирующий стык показывает, насколько магнитная индукция магнитного поле в стыковом зазоре изолирующего стыка превышает нормативное значение, насколько изолирующий стык с таким магнитным полем опасен для дальнейшей эксплуатации рельсового пути, насколько эффективно работает шунтирующие устройство, установленное в изолирующей стык.
Сокращение времени и упрощении операции оперативно контроля изменения напряженности магнитного поля в стыковом зазоре изолирующего стыка достигается тем, что магнитопровод выполнен съемным, полюсные наконечники имеют П образную форму, и одной торцовой поверхностью соединены с противоположными гранями, являющимися полюсами постоянного магнита, продольная ось магнитной стрелки, совпадает с центральной осью полюсных наконечников, а ось вращения магнитной стрелки совпадает с осью симметрии постоянного магнита, постоянный магнит создает магнитное поле с магнитной индукцией в центре зоны расположения магнитной стрелки не менее 1,5 мТл.
Данные параметры устройства получены в результате научных исследований, что позволило создать устройство компактное, легко и быстро устанавливаемое на головку рельса. Устройство тарируется один раз при изготовлении и сохраняет все свои параметры в процессе эксплуатации длительное время. При отделении магнитопровода от корпуса, устройство, установленное на изолирующий стык, позволяет определить направление полярности магнитного поля в зазоре изолирующего стыка. При установке магнитопровода на основание устройство позволяет оценить напряженность магнитного поля в стыковом зазоре изолирующего стыка. Если магнитное поле в стыковом зазоре изолирующего стыка превышает допустимую величину 10 мТл, магнитная стрелка находиться в красной зоне. В данном случае требуется установка дополнительного шунтирующего устройства на изолирующий стык. При установке шунтирующего устройства следует первоначально определить полярность магнитного поля в стыковом зазоре и шунтирующего устройства, затем оценить степень напряженности магнитного поля в стыковом зазоре изолирующего стыка и по таблице №1 подобрать магнитную систему шунтирующего устройства.
При установке шунтирующего устройства, магнитная стрелка прибора должна находиться в зеленой зоне. При такой работе дополнительных приборов измерения напряженности или магнитной индукции магнитного поля в стыковом зазоре не требуется.
На фиг. 1 представлена конструкция устройства контроля напряженности магнитного поля стыкового зазора изолирующего стыка.
На фиг. 2 и фиг. 3 представлено устройство контроля напряженности магнитного поля в стыковом зазоре изолирующего стыка.
На фиг. 4 представлено устройство контроля напряженности магнитного поля установленное на стыковом зазоре изолирующего стыка.
Устройство состоит из основания 1, магнитной стрелки 2 размещенной в отдельном прозрачном корпусе 3 закрепленном на основании 1, имеет картушку со шкалой определения степени напряженности магнитного поля стыкового зазора изолирующего стыка и магнитопровод 4. Магнитопровод 4, выполнен съемным, устанавливается на основание 1 и состоит из постоянного магнита 4.1 и двух полюсных наконечников 4.2 и 4.3. Магнитное поле магнитопровода 4 взаимодействует с магнитным полем магнитной стрелки 2 и изолирующего стыка 5. Магнитопровод имеет гибкую связь с основанием, полюсные наконечники 4.2 и 4.3 имеют П образную форму и одной торцовой поверхностью 4.2.1 и 4.3.2 соединены с противоположными гранями, являющимися полюсами постоянного магнита 4.1. Продольная ось 6 магнитной стрелки 2 совпадает с центральной осью 7 полюсных наконечников 4.2 и 4.3, а ось 8 вращения магнитной стрелки 2 совпадает с осью симметрии 9 постоянного магнита 4.1. Постоянный магнит 4.1 создает магнитное поле с магнитной индукцией в центре зоны расположения магнитной стрелки 2 не менее 1,5 мТл.
Устройство работает следующим образом. При снятом магнитопроводе и установке устройства на стыковой зазор изолирующего стыка, магнитное поле стыкового зазора ориентирует магнитную стрелку вдоль рельса. По полюсам магнитной стрелки определяется полярность магнитного поля изолирующего стыка. При установке магнитопровода, зависимости в от величины напряженности магнитного поля изолирующего стыка магнитная стрелка отклоняеться на определенный угол, указывая на определенную зону картушки. Картушка имеет три зоны: зеленую, желтую, красную. Указывание магнитной стрелки на зеленую означает, что напряженность магнитного поля в стыковом зазоре находится в допустимых пределах, на желтую зону означает, что напряженность магнитного поля в стыковом зазоре имеет значения близкие к предельно допустимым, на красную зону означает, что напряженность магнитного поля в стыковом зазоре имеет значения превышающие предельно допустимые.
с
с
с
Предлагаемое техническое решение изолирующего стыка, имеющего магнитное поле в стыковом зазоре изолирующего стыка апробировано на Дальневосточной железной дороге на участке Пивань-Селихино. Измерения магнитной индукции магнитного поля системы снижения магнитной индукции в стыковом зазоре изолирующего стыка и магнитной индукции магнитного поля в стыковом зазоре изолирующего стыка производили, с помощью прибора СТЫК-3Д. В стыковом зазоре изолирующего стыка имелось магнитное поле, магнитная индукция которого ровнялась Н=43 мТл, что значительно больше допустимого значения. При установке устройства по контролю напряженности магнитного поля стыкового зазора изолирующего стыка магнитная стрелка указывала на красную зону. По таблице №1, для изолирующего стыка с такой величиной индукции, выбрали магнитную систему с индукцией магнитное поле с Н=100 мТл. После установки магнитной системы в стыковом зазоре изолирующего стыке магнитное поле уменьшилось, магнитная стрелка стала указывать на зеленую зону. Измерения с помощью прибора СТЫК-3Д показали, что напряженность в стыковом зазоре снизилась и стала равной Н=8 мТл, что ниже допустимого нормируемого значения.
Все технологические операции по установке прибора, определения полярности и подбора магнитной системы для снижения напряженности магнитного поля в стыковом зазоре проводились рабочим, который не имел специального образования для работы с приборами и не проходил обучение у разработчика прибора, работа с прибором заняла мало времени.
Для упрощения и сокращении времени выполнения технологической операции снижения напряженности магнитного поля в стыковом зазоре изолирующего стыка до нормируемых величин, исключающих замыкание изолирующего стыка, предлагается устройство контроля магнитного поля в стыковом зазоре изолирующего стыка, позволяющее исключить технические средства измерения, требующие обслуживания специалистами высокой квалификации, прошедших обучение у разработчиков средств измерения.