СТРЕЛОЧНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД
SWITCH ELECTRIC DRIVE

Изобретение относится к устройствам железнодорожной автоматики, а именно к устройствам для контроля и управления стрелочными электроприводами.
Известен стрелочный электропривод (RU №2256576), содержащий бесконтактный управляемый электродвигатель с блоком управления, обеспечивающим изменение скорости перевода стрелки с плавным разгоном в начале хода и плавным торможением к концу перевода, с дополнительно введенными устройством ограничения тока и узлом ограничения времени работы на уровне, обеспечивающем перевод стрелки.
Недостаток его заключается в следующем.
В электроприводе отсутствует диагностика рабочего и предотказного состояния в реальном времени, что уменьшает надежность и безопасность работы электропривода и увеличивает эксплуатационные затраты.
Известен электропривод стрелочный, содержащий корпус с перемещающим шибером и контрольными линейками, расположенными внутри корпуса, электродвигателем, автопереключателем, механическими системами, системой диагностики работоспособности электропривода, в том числе, механических систем, и устройством сигнализации о нарушении работоспособности и/или предотказном состоянии. Система диагностики содержит акустические датчики. Устройство сигнализации расположено на пульте и имеет коммуникационную связь с системой диагностики (RU №30317).
Недостатком данного устройства является невозможность контролирования текущего изменения работоспособности стрелочного электропривода по «изменению величины электрических сигналов, которые будут расти и приближаться к предельно допустимым (настраиваемым заранее), что послужит причиной (включения) срабатывания сигнала тревоги на сигнальном устройстве» (стр.3 описания указанного выше патента). Более того, анализ только возрастающего электрического сигнала может привести к «ложному» срабатыванию сигнального устройства, когда стрелочный электропривод работоспособен, а причина изменения электрического сигнала не связана с его работоспособностью.
Известен стрелочный электропривод (RU №2412845), содержащий бесконтактный управляемый электродвигатель, в состав которого входит блок управления с устройством ограничения тока и узлом ограничения времени работы на уровне, обеспечивающем перевод стрелок, редуктор с фрикционной муфтой, корпус, автопереключатель, шибер, при этом двигатель снабжен датчиком положения ротора, выходные сигналы которого подаются на блок управления, в блок управления введены датчик уровня напряжения питания, датчик тока и устройство диагностики, на вход которого подаются сигналы от датчика тока, датчика положения ротора, датчика уровня напряжения питания, а на выходе выдается информация об усилии на шибере, о величине скорости и ускорении перемещения шибера, времени перевода, времени разгона и торможения двигателя, величине люфта электропривода и его изменении во времени, уровне напряжения на входе двигателя, сигналы с выхода блока управления подаются на вход устройства сравнения, а с выхода устройства сравнения выдаются сигналы о рабочем, предотказном или аварийном состоянии стрелочного электропривода.
К достоинству данного устройства следует отнести то, что параметры по которым происходит оценка исследуемого объекте получают в режиме реального времени, что позволяет судить о полученных результатах как более достоверных.
Недостаток данного устройства заключается в сложности и неоднозначности диагностики работоспособности стрелочного электропривода по предлагаемым параметрам. Кроме этого ему присущи и другие недостатки. Проведенный анализ отказов стрелочных электроприводов показывает, что более 50% выхода из строя стрелочных электроприводов выходит вследствие интенсивного износа отдельных его узлов или деталей. Поэтому очень важно иметь информацию об интенсивности износа, в режиме реального времени, отдельных узлов и деталей электропривода стрелочного, которые не имеют дефектов, а их разрушение происходит от многократных циклических нагрузок. Часто происходят отказы в работоспособности стрелочного электропривода вследствие усталостного разрушения металла, из которого выполнены отдельные детали. Накопление усталости в металлах происходит постепенно и для различных металлов имеет различную скорость. Слабые места производители стараются ликвидировать, доводя приблизительно до одного уровня рабочий ресурс различных узлов и деталей, чтобы производить замену нескольких деталей одновременно или отдельного узла в целом. Однако стрелочные электроприводы эксплуатируются в различных климатических зонах с различными условиями по влажности, тепла и холода. От данных условий интенсивность износа отдельных узлов и деталей может сильно меняться. При этом не происходит каких-либо изменений в работоспособности стрелочного электропривода, которые можно было бы отследить при диагностике электродвигателя по величине, скорости и ускорения перемещения шибера, усилия на шибере, потребляемом токе, уровне напряжения питания, времени перевода, времени торможения и разгона.
Правильно и своевременно принятое решение о необходимости проведения ремонта и замене отдельных узлов и деталей электропривода может принести значительную экономию средств, сделать движение более безопасным, особенно это актуально при перемещении крупногабаритных и взрывоопасных материалов.
При разработке заявляемого стрелочного электропривода была поставлена задача повышения безопасности движения железнодорожного транспорта по железнодорожным переводам, оборудованными стрелочными электроприводами.
В процессе решения поставленной задачи достигается технический результат, заключающийся в повышении достоверности состояния работоспособности стрелочного привода, в снижении расходов на обслуживание электропривода, возможности контроля накопления усталостных явлений в отдельных узлах и деталях электропривода, в повышении достоверности принятия решения о необходимости ремонта или замены всего или части стрелочного электропривода, а с учетом данной информации - принятия решения о дальнейшем использовании участка железнодорожного пути, оборудованного данным стрелочным приводом, для перемещения крупногабаритных или взрывоопасных грузов.
Данный технический результат достигается тем, что в стрелочном электроприводе, содержащем корпус, электродвигатель, обеспечивающий перевод стрелок, редуктор с фрикционной муфтой, автопереключатель, шибер, устройство контроля состояния электропривода, в том числе рабочего, предотказного и аварийного, при чем устройство контроля состояния электропривода состоит как минимум из двух преобразователей акустической эмиссии (АЭ) на основе пьезокерамических элементов, установленных внутри корпуса на узлах и деталях стрелочного электропривода и усилителя сигнала АЭ, обеспечивающего усиление электрических сигналов с преобразователей АЭ, установленных на корпусе внутри его, и системного блока и персонального компьютера с программным обеспечением, посредством которого осуществляется регистрация, обработка, анализ и графическое отображение всей поступающей информации об испытуемом объекте, расположенных на рабочем месте диспетчера, при этом системный блок состоит из блока цифровой регистрации сигналов АЭ, на который подаются по каналам связи выходные сигналы усилителя сигнала АЭ и системного контролера, а блок цифровой регистрации сигналов АЭ содержит специализированный микрокомпьютер, оснащенный сигнальным процессором, блоком памяти, интерфейсами, входной согласующий усилитель, высокоскоростной аналого-цифровой преобразователь, информация с которого поступает в системный контролер, который является связующим звеном, обеспечивающим обмен информацией между блоком цифровой регистрации сигналов АЭ и компьютером, при чем компьютер во время проведения контроля объекта постоянно накапливает информацию о событиях, регистрируемых блоком цифровой регистрации сигналов АЭ, сохраняет эту информацию на жестком диске, обрабатывает ее по программе, определяет источники сигналов АЭ в объекте, и передает в устройство сравнения, результаты сравнения о состоянии стрелочного электропривода в целом и отдельных его агрегатов и деталей выводятся на дисплей компьютера в реальном режиме времени.
По информации, с датчика акустической эмиссии, можно с высокой степенью точности идентифицировать от какого узла или детали исходят сигналы АЭ. При этом все частотные характеристики, которые излучают различные узлы и детали стрелочного электропривода: перемещения шибера, вращение зубчатых колес редуктора, трения дисков фрикционной муфты, ударов зубчатого колеса при замыкании шибера, вращение вала электродвигателя различаются по частоте, амплитуде и интенсивности и относятся к конкретному узлу и детали. Измеряя эти параметры в реальном режиме времени и сравнивая их с заданными, которые вносятся в компьютер при установке стрелочного привода в путь, можно судить об их изменении во времени. Для этого в стрелочный электропривод введен широкополосный преобразователь акустической эмиссии с полосой регистрации 50-1000 кГц. Датчик сигнала АЭ выполнен на основе пьезокерамического элемента и имеет коррозионностойкий корпус, плоскую керамическую рабочую поверхность. Усилитель выполнен в металлическом герметичном корпусе, имеет низкий уровень собственных шумов, широкий динамический диапазон, обеспечивает усиление электрических сигналов с преобразователей АЭ, фильтрацию от электромагнитных помех и передачу сигналов по согласованным ВЧ кабельным линиям.
Например, при износе фрикционных дисков муфты, резко возрастает амплитуда акустического сигнала, появление усталостной трещины в механизме замыкания шибера изменяет интенсивность энергии акустической эмиссии. Безусловно, любая поломка отдельного механизма или отдельной детали стрелочного привода приведет к изменению всего спектра акустической эмиссии. Имея заданные параметры спектра АЭ, которые снимаются со стрелочного привода в момент установки его в путь, и обновляются после каждого ремонта, и хранятся в памяти компьютера, и сравнивая их с текущим спектром АЭ, отслеживают изменение параметров спектра АЭ, а по их изменению отслеживают усталостные явления в отдельных узлах и деталях электропривода, деградация свойств, как всего стрелочного привода, так и отдельных его частей и деталей.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежом, на котором изображен общий вид предлагаемого стрелочного электропривода.
Стрелочный электропривод включает корпус 1, электродвигатель 2, обеспечивающий перевод стрелок, редуктор 3 с фрикционной муфтой 4, автопереключатель 5, шибер 6, устройство контроля состояния электропривода, состоящее, как минимум, из двух преобразователей акустической эмиссии АЭ 7.1, 7.2 на основе пьезокерамических элементов, установленных внутри корпуса на узлах и деталях стрелочного электропривода и усилителя сигнала АЭ 7.3, обеспечивающего усиление электрических сигналов с преобразователей АЭ 7.1, 7.2, установленного на корпусе 1 внутри его.
Устройство работает следующим образом.
При поступлении сигнала о переводе стрелки, включается электродвигатель стрелочного электропривода, через муфты, редуктор, механизм замыкания, движение передается на шибер. Шибер через стрелочную гарнитуру связан с остряками, которые он прижимает к рамным рельсам и в таком положении удерживает. При работе электропривода все его узлы и детали подвергаются механическому нагружению. Под воздействием приложенных нагрузок активные развивающиеся дефекты структуры металла (трещины, дефекты сварных швов расслоения и др.) становятся источниками акустической эмиссии. Установленные преобразователи АЭ обеспечивают выявление и регистрацию источников АЭ, их локацию (определение местоположения (координат)) на поверхности испытуемого объекта и измерение комплекса параметров АЭ сигналов.
Регистрация и измерение параметров АЭ сигналов начинается с преобразования акустических (ультразвуковых) колебаний металлической поверхности объекта контроля в электрические сигналы посредством пьезоэлектрического преобразователя. Электрические сигналы акустической эмиссии усиливаются и отфильтровываются предварительными усилителями, расположенными вблизи преобразователей АЭ, и по кабельным линиям поступают на соответствующие входы цифровых каналов регистрации АЭ.
В каждом канале регистрации АЭ сигнал, поступивший на его вход, преобразуется в цифровую форму, и далее цифровой массив данных обрабатывается высокопроизводительным сигнальным процессором по специальной программе, записанной в блоке памяти канала регистрации.
Работа программы сигнального процессора начинается с выделения «событий» из оцифрованного сигнала АЭ. Процессор непрерывно сравнивает поступающую от датчика величину сигнала с заранее установленной оператором величиной порога дискриминации. Превышение входным сигналом порога дискриминации интерпретируется системой как наступление события.
Сигнальный процессор вычисляет параметры события (максимальную амплитуду сигнала в событии, энергию и др.) и регистрирует время прихода данного события. После обработки и вычисления параметров события формируется блок информации, характеризующий поступившее в канал событие.
Информация об АЭ событиях, регистрируемая во всех включенных каналах, передается в управляющий компьютер посредством высокоскоростного интерфейса USB 2.0, встроенного в системный контроллер. Управляющий компьютер, во время проведения испытания объекта, постоянно накапливает информацию о событиях, регистрируемых цифровыми каналами АЭ системы, сохраняет эту информацию в памяти для последующей обработки, вычисляет координаты источников АЭ на поверхности объекта и отображает поступающую информацию на дисплее ПК в реальном времени.
Поскольку стрелочный электопривод рассчитан на работу не менее 15 лет, испытания проводились на стрелочных электроприводах одного типа СП6М, но находящихся в эксплуатации различное время. Один находится в эксплуатации менее года, второй более 6 лет. В таблице приведены часть результатов «первого » числовых значений параметров АЭ и часть результатов, полученных при исследовании степени износа узлов «второго» стрелочного электропривода. Результаты получены в момент перевода стрелки. Результаты испытаний представлены в таблице.
Таблица
Параметры АЭ
Всего событий
Изменение энергии (дБ) в диапазоне частот 0-50 кГц
Изменение энергии (дБ) в диапазоне частот 51-300 кГц
Изменение энергии (дБ) в диапазоне частот 301-600 кГц
Изменение энергии (дБ) в диапазоне частот 601-1200 кГц
Место установки преобразователя АЭ
«1»
«2»
«1»
«2»
«1»
«2»
«1»
«2»
«1»
«2»
Редуктор
4500
6100
34-52
22-41
42-57
47-65
29-62
33-52
28-50
82-95
Двигатель
9300
13200
13-22
10-12
49-65
51-63
24-68
57-70
25-47
68-82
Характер распределения амплитудного и энергетического спектров свидетельствует об устойчивом повышении энергии в диапазон высоких частот, что связано с износом трущихся поверхностей и, как следствие, увеличением зазоров.
Наибольшее различие в поведении «первого» и «второго» стрелочных переводов иллюстрируется различием в распределении энергии сигналов АЭ, в диапазоне частот 600-1200 кГц и по числу событий сигналов АЭ.
Полученные параметры АЭ информируют о том, что имеется износ двигателя, и менее редуктора. Оба электропривода находятся в рабочем состоянии.