Устройство для автоматического контроля излома рельсов на электрифицированных железных дорогах
DEVICE FOR AUTOMATIC MONITORING OF RAIL BREAKS ON ELECTRIFIED RAILWAYS

Область техники
Изобретение относится к области железнодорожной автоматики и телемеханики и обеспечивает автоматический контроль излома рельсов на электрифицированных железных дорогах.
Уровень техники
Известно устройство для контроля излома рельсов на участках с электротягой переменного тока [1]. Однако это устройство может использоваться только на участках железных дорог с электротягой переменного тока, оборудованных рельсовыми цепями, что ограничивает область его применения.
В настоящее время на железных дорогах вместо рельсовых цепей используются многие другие устройства для контроля свободное™ от подвижного состава участков пути, такие как счетчики осей, спутниковое позиционирование, цифровая радиосвязь [2]. Причем эти устройства применяются, прежде всего, на высокоскоростных и загруженных железнодорожных магистралях.
Проблема обнаружения и передачи сообщений об изломах рельсов приобретает на железных дорогах мира все большее значение [3]. Интенсивность движения поездов наиболее высока на электрифицированных участках железных дорог. На таких участках все шире используется движение тяжеловесных и удлиненных поездов. Поэтому механические нагрузки на верхнее строение пути на таких участках больше и, следовательно, больше вероятность излома рельсов. Тяжелее на таких участках и последствия от аварий и крушений, если излом рельсов не будет своевременно обнаружен.
На электрифицированных участках железных дорог рельсовые нити рельсовых линий используются для пропуска тяговых токов от электровозов к тяговым подстанциям. Реакция растекания тягового тока по рельсовым нитям на излом рельса может использоваться для контроля наступления этого события.
Тяговый ток электровоза растекается по рельсовой линии в обе стороны от него. Если излом рельса происходит при отсутствии подвижного состава в пределах рельсовой цепи, то сопротивление рельсовой нити, в которой произошел излом рельса, резко увеличивается и тяговый ток в этой рельсовой нити скачкообразно уменьшается, что вызывает скачкообразное увеличение асимметрии тягового тока в рельсовой линии на обоих концах рельсовой цепи. Количественно асимметрия тягового тока измеряется коэффициентом его асимметрии, вычисляемым как отношение разности тяговых токов в рельсовых нитях рельсовой линии к их сумме.
Колесные пары подвижного состава выравнивают тяговые токи в рельсовых нитях под ним. Поэтому если излом рельса произошел под подвижным составом, то скачек асимметрии тягового тока сильнее проявляется в освобождающейся от подвижного состава части рельсовой линии, когда последняя колесная пара подвижной единицы или поезда уходит за точку излома рельса.
Таким образом, скачкообразное изменение асимметрии тягового тока может служить сигналом об изломе рельса на контролируемом отрезке рельсовой линии. Следовательно, непрерывный автоматический контроль не только величины, но и скорости изменения во времени асимметрии тягового тока в определенной точке рельсовой линии может обеспечить контроль излома рельсов на рассматриваемом отрезке рельсовой линии электрифицированной железной дороги.
Коэффициент асимметрии тягового тока увеличивается при ухудшении состояния токопроводящих и изолирующих элементов рельсовых нитей, а также при уменьшении температуры рельсов или величины тягового тока в них [5]. Эти изменения происходят относительно медленно, и они не должны давать ложную информацию об изломе рельса. Мощные импульсные электромагнитные помехи или короткие замыкания в контактной сети могут вызвать кратковременное увеличение коэффициента асимметрии тягового тока [4]. В таких случаях также не должна появляться ложная информация об изломе рельса.
Раскрытие изобретении
Целью изобретения является расширение возможностей автоматического контроля излома рельсов на электрифицированных железных дорогах независимо от того, оборудованы или не оборудованы они рельсовыми цепями.
Цель достигается тем, что оно дополнительно снабжено двумя измерительными датчиками тока в рельсах, двумя усилителями, замыкающим и размыкающим электронными ключами и элементом с зоной нечувствительности, причем установленные на рельсах датчики тока через собственные усилители подключены к входам элемента сравнения и сумматора, сигнал с выхода сумматора дополнительно подается через элемент с зоной нечувствительности и пороговый элемент на управляющий вход размыкающего электронного ключа, сигнал с выхода дифференцирующего устройства подается на блок фиксации излома рельса через замыкающий и размыкающий электронные ключи, а управляющий вход замыкающего электронного ключа соединен с выходом делителя напряжений через дифференцирующее устройство и другой пороговый элемент.
Краткое описание чертежа
На рисунке приведена блок-схема патентуемого устройства и схема его подключения к рельсовым нитям рельсовой линии. В тексте детально описана его структура и работа.
Осуществление изобретения
T1
T2
Устройство контроля и измерительные цепи включают в себя следующее. Тяговые токи I или I уменьшаются при изломе рельса в рельсовых нитях соответственно 1 и 2 рельсовой линии. Рельсовые нити 1 и 2 снабжаются датчиками тока соответственно 3 и 4, подключенные к входам усилителей 5 и 6. Выходной сигнал усилителя 5 подается на одни входы элемента сравнения 7 и сумматора 8, на другие входы которых подается выходной сигнал усилителя 6.
Выход элемента сравнения 7 соединен с одним входом делителя напряжений 9, а выход сумматора 8 соединен с другим входом делителя напряжений 9 и с входом элемента с зоной нечувствительности 13, выходной сигнал которого через пороговый элемент 14 подается на управляющий вход размыкающего электронного ключа 15.
Величина выходного сигнала делителя напряжений 9 пропорциональна текущему значению коэффициента асимметрии тягового тока в рельсовых нитях 1 и 2, равного отношению разности тяговых токов в рельсовых нитях к их сумме. Этот сигнал подается на токовый вход замыкающего электронного ключа 12, а через дифференцирующее устройство 10 и пороговый элемент 11 на управляющий вход ключа 12. Выход этого ключа через размыкающий электронный ключ 15 соединен с блоком фиксации излома рельса 16. Устройство работает следующим образом.
T1
T2
Выходные напряжения измерительных датчиков тока 3 и 4 пропорциональны величинам тяговых токов соответственно I в рельсовой нити 1 и I в рельсовой нити 2. Напряжение с выхода измерительного датчика тока 3 после его усиления усилителем 6 подается на одни входы элемента сравнения 7 и сумматора 8. Напряжение с выхода измерительного датчик тока 4 после его усиления усилителем 5 подается на другие входы элемента сравнения 7 и сумматора 8.
T1
T2
T1
T2
Сигнал с выхода элемента сравнения 7, пропорциональный разности тяговых токов I и I в рельсовых нитях 1 и 2, подается на первый вход делителя напряжений 9, на второй вход которого подается сигнал с выхода сумматора 18, пропорциональный сумме тяговых токов I и I. Сигнал на выходе делителя напряжений 9 пропорционален величине коэффициента асимметрии тягового тока в рельсовых нитях 1 и 2.
Исключение ложных срабатываний устройства при медленных увеличениях асимметрии тягового тока в рельсовой линии обеспечивает электрическая цепь, по которой сигнал с выхода делителя напряжений 9 через дифференцирующее устройство 10 и пороговый элемент 11 передается на управляющий вход замыкающего электронного ключа 12. Этот ключ не пропускает через себя сигналы, если сигнал на его управляющем входе, подаваемый с выхода порогового элемента 11, эквивалентен логическому нулю. При медленных изменениях асимметрии тягового тока сигнал на выходе дифференцирующего устройства оказывается недостаточным для срабатывания электронного ключа 12.
Если произойдет резкое изменение асимметрии тягового тока от излома рельса, то под действием дифференцирующего устройства 10 пороговый элемент 11 переключается и подает на цифровой управляющий вход электронного ключа 12 сигнал, эквивалентный логической единице. Тогда ключ 12 замкнет цепь передачи сигнала с выхода делителя напряжений 9 через замкнутый электронный ключ 15 на блок фиксации излома рельса 16.
Исключение ложных срабатываний устройства при появлении в рельсовой линии больших импульсов тягового тока и его асимметрии от мощных импульсных помех, вызываемых короткими замыканиями в тяговой сети или грозовыми разрядами, обеспечивается следующей цепью. Она включает в себя элемент с зоной нечувствительности 13, пороговый элемент 14 и размыкающий электронный ключ 15, который пропускает через себя сигналы, если сигнал на его цифровом управляющем входе соответствует логическому нулю.
При больших импульсах уровень сигнала на выходе сумматора 8 превышает зону нечувствительности элемента 13, и появляющийся сигнал на его выходе вызывает переключение порогового элемента 14. На выходе порогового элемента 14 появляется сигнал, эквивалентный логической единице, поступление которого на цифровой управляющий вход ключа 15 вызывает размыкание цепи прохода сигнала с выхода электронного ключа 12 на блок фиксации излома рельса 16. По окончании импульса перенапряжения с порогового элемента 14 подает на цифровой управляющий вход ключа 15 сигнал, эквивалентный логическому нулю, и электрическое соединение замыкающего электронного ключа 12 с блоком фиксации излома рельса 16 восстанавливается.
Актуальность решения данной задачи определяется тем, что проблема обнаружения и передачи сообщений об изломах рельсов приобретает все большее значение как на железных дорогах России, так и на железных дорогах всего мира.
Таким образом, предложенное устройство позволяет использованием достаточно простых технических решений автоматизировать процесс контроля излома рельсов на участках с электрической тягой.
Проведенные в условиях эксплуатации исследования и математическое моделирование процессов растекания переменных тяговых токов по рельсовой сети показали, что рассмотренные изменения растекания тяговых токов по рельсовым нитям рельсовой линии обеспечивают получение достоверной информации об изломе рельса.
Анализ схемы устройства с использованием компьютеров, а также испытания лабораторного макета предлагаемого устройства подтвердили его работоспособность и достоверность результатов контроля.
Источники информации
1. Шаманов В.И., Денежкин Д.В. Устройство для контроля излома рельсов на участках с электротягой переменного тока. Патент РФ на изобретение №2748826. 31.05.2021 г.
2. Розенберг Е.Н. Инновационные технологии управления движением поездов / Е.Н. Розенберг // Автоматика, связь, информатика. 2017. №10. С.2-4.
3. Поинтнер Ф. Системы обнаружения поездов: краткий обзор // Будущее систем обнаружения поездов. Материалы форума «Wheel Detection». Выпуск 01.2018. С.7 - 10. www.frauscher.com.
4. Аркатов B.C., Кравцов Ю.А., Степенский Б.М. Рельсовые цепи. Анализ работы и техническое обслуживание. - М.: Транспорт, 1990. - 295 с.
5. Шаманов В.И. Электромагнитная совместимость систем железнодорожной автоматики и телемеханики. - М.: ФГБОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2013. - 244 с.
6. Шаманов В.И. Циклы изменения устойчивости работы аппаратуры автоматики на участках с электротягой // Наука и техника транспорта, 2018, №1. С.50-57.