Способы устранения сбоев в работе железнодорожной системы автоматики и телемеханики, вызванных повышенной намагниченностью рельсов

Таким образом, применение адаптированных критериев для отбора вариантов для дальнейшего сравнения, а также использование комплексного показателя «удельных затрат» позволит более достоверно выбирать эффективный вариант организации скоростного движения пассажирских поездов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. «Об утверждении методических рекомендаций по составу и содержанию обосновывающих материалов по инвестиционным проектам [Электронный ресурс] : распоряж. ОАО «РЖД» от 05.03.2012 № 463р. URL: http://base.consultant.ru/cons/

cgi/online.cgi?req=doc;base=EXP;n=540866;dst=0;ts= E4EE87AE9C27A7655601FE670F063720;rnd=0.5396

512834410038

2. Инструкция по расчету наличной пропускной способности железных дорог. М. : Техинформ, 2011. 289 с.

3. Климова Е.В. Совершенствование методики для экономической оценки эффективности передачи пассажирских поездов обычной скорости на путь для движения скоростных поездов // Транспорт: наука, техника, управление. 2014. №11. С. 63-66.

4. Климова Е.В. Оценка вариантов развития участка железной дороги Омск - Новосибирск при организации движения скоростных пассажирских поездов // Инновационные факторы развития Транссиба на современном этапе : междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 80-летию Сиб. гос. ун-та путей сообщ. Ч. 2. Новосибирск : Изд-во СГУПС, 2013. С. 312-323.

УДК 625.2 Степанов Максим Александрович,

аспирант кафедры «Механика и приборостроение», зав. лабораторией кафедры «Электроэнергетика транспорта», Иркутский государственный университет путей сообщения, тел.: (3952) 638-343, e-mail: Stepanov_MA@irgups.ru Степанов Александр Петрович, к. т. н., доцент, декан факультета «Системы обеспечения транспорта», Иркутский государственный университет путей сообщения, тел.: (3952) 638-338, e-mail: stap@irgups.ru

СПОСОБЫ УСТРАНЕНИЯ СБОЕВ В РАБОТЕ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ СИСТЕМЫ АВТОМАТИКИ И ТЕЛЕМЕХАНИКИ, ВЫЗВАННЫХ ПОВЫШЕННОЙ НАМАГНИЧЕННОСТЬЮ РЕЛЬСОВ

M. A. Stepanov, A P. Stepanov

WAYS OF ELIMINATING THE FAILURES IN RAILWAY AUTOMATION SYSTEMS AND REMOTE CONTROL CAUSED BY INCREASED MAGNETIZATION OF RAILS

Аннотация. Рассмотрены два новых способа устранения сбоев в работе железнодорожной системы автоматики и телемеханики, вызванных повышенной намагниченностью рельсов. Первый способ повышения безопасности движения поездов на участках железнодорожного полотна, оборудованных системой автоматики и телемеханики заключается в том, что для устранения сбоев, связанных с намагниченностью рельсов, в железнодорожной автоматике, телемеханике и сигнализации на боковые поверхности нити рельсов по всему их периметру, включая торцы крайних рельсов, наносится сплошное покрытие из материала, обладающего собственной абсолютной магнитной проницаемостью, значительно большей абсолютной магнитной проницаемости материала рельсов. Это позволяет уменьшить плотность магнитных силовых линий в рабочих зонах устройств автоматики, телемеханики и сигнализации, уменьшает количество металлической стружки в зоне контакта колеса с рельсом, что повышает надежность работы автоматической локомотивной сигнализации, рельсовых цепей, а также уменьшает износ рельсов и колес. Второй способ заключается в том, что при сборке (сварке) нитей железнодорожного полотна из намагниченных рельсов рельсы в нити стыкуются (свариваются) друг с другом одноименными магнитными полюсами. Технический результат реализации способа заключается в существенном снижении степени влияния намагниченности рельсов на работу средств автоматики, телемеханики и связи после замены старого пути на новый путь, ремонте изолирующих стыков рельсовых цепей. Комплексное использование на практике двух рассмотренных способов укладки намагниченных рельсов железных дорог позволит значительно повысить надёжность работы системы автоматики и телемеханики, а также уменьшить материальные затраты связанные с простоем поездов и восстановлением её работоспособности

Ключевые слова: намагниченность рельсов, устранение сбоев, работа системы автоматики и телемеханики.

Abstract. We consider two new ways of eliminating the failures in railway automation systems and remote control caused by increased magnetization of rails. The first way to improve the safety of trains on the railway track areas equipped with automatic control system and remote control is that the continuous coating of a material having its own absolute magnetic permeability considerably greater than the absolute magnetic permeability of the material of the rails is applied to the side surface of the filament rails along their entire perimeter, including the ends of extreme rails to eliminate the failures related to the magnetization of rails in the rail automation, remote control and alarm systems. This reduces the density of the magnetic field lines for the workplace of the automation devices, remote control and alarm systems, reduces the amount of metal shavings in the contact of wheel and rail that increases the reliability of an automatic locomotive signaling, track circuits, and also reduces the wear of rails and wheels. The second method is that in the assembly (welding) of magnetized railway rails yarns, the rails are joined to the thread (welded) to each other with magnetic poles. The technical result of the method is of significantly reduction of the level of magnetization of the rails to work automation, remote control and communication

Транспорт

m

after the replacement of the old way to the new way of repairing the block joints track circuits. Integrated use in practice of the two discussed methods of laying magnetized railways will significantly improve the reliability of the system automation and remote control and also reduce the material costs associated with downtime of trains and recovery of its functions.

Keywords: magnetization rails, eliminating the failures, automation system and remote control.

Рельсы железных дорог постоянно находятся в намагниченном состоянии. Намагничивание рельсов происходит от естественных природных и технических условий, зависящих от режимов эксплуатации. Намагничивание рельсов не изменяет их основных механических свойств. Существующая система железнодорожной автоматики и телемеханики использует рельсовые электрические цепи, на работу которых намагниченность рельсов оказывает отрицательное влияние [1-4]. Подготовка и укладка рельсового пути, например, в ходе ремонтных работ заключается в том, что новые рельсы соединяются (свариваются) в нити, а затем собираются в плети; при этом в материале рельсов на момент сборки и укладки плетей сохраняется остаточная индукция (остаточная напряженность) магнитного поля как следствие осуществляемых над ними технологических операций. Рельсы по всей длине нити плети обладают неоднородным магнитным полем, которое может иметь значительные градиенты напряженности не только в местах сварки и по концам нити рельсов, но и в любой другой зоне [1, 2]. Ввод в эксплуатацию участков с новым полотном сопровождается ростом частоты сбоев в железнодорожной автоматике и телемеханике, связанной с рельсовыми электрическими цепями (РЦ) и автоматической локомотивной сигнализацией (АЛС). Причиной этих негативных явлений служит величина и неоднородность напряженности магнитного поля в воздушных зазорах стыков рельсов, в местах сварки и других зонах, которая приводит к тому, что при движении локомотива по этому участку пути в индукционных катушках АЛС, расположенных в непосредственной близости к головкам рельсов, возникают ложные импульсы. Эти импульсы искажают полезный сигнал, который индукционные катушки считывают из рельсовых цепей, что приводит к сбоям в сигнализации локомотива. Поэтому для уменьшения величины напряженности магнитного поля и выравнивания его градиента над головками рельсов на новых участках железнодорожного полотна применяют процедуру размагничивания рельсов, что требует дополнительных существенных материальных и временных затрат. Кроме того, металлические абразивные частицы, являющиеся продуктом износа рельсов и колес при их взаимодействии, удерживаются на поверхности рельса его магнитным полем. При этом плотность накопления металлического абразива на поверхности рельса соответствует распре-

делению градиента напряженности магнитного поля по длине рельса, способствуя интенсивному механическому износу в системе «колесо - рельс». Частицы металлического абразива приводят к коротким замыканиям изолирующих стыков РЦ.

Рассмотрим два новых способа устранения сбоев в работе железнодорожной системы автоматики и телемеханики, вызванных повышенной намагниченностью рельсов [5, 6].

Первый способ [5] решает задачу уменьшения величины напряженности магнитного поля и выравнивания его градиента над головкой рельсов. Для этого на боковые поверхности нити рельсов по всему их периметру, включая торцы крайних рельсов, наносится сплошное покрытие из материала, обладающего собственной абсолютной магнитной проницаемостью, которая значительно больше абсолютной магнитной проницаемости материала рельсов. Этот материал может быть представлен в виде эластичной ленты (в этом случае покрытие крепится к рельсу, например с помощью клея) и в виде клейкого состава, обладающего текучестью (в этом случае покрытие выполняется как лакокрасочное или смазка). В последнем случае для нанесения покрытия может быть использовано устройство, в котором применяется известное техническое решение автоматического гребне-смазывания, или, например, для небольших участков рельсов можно наносить покрытие вручную с помощью обычной кисти. Поткрытие образует дополнительные магнитные контуры, магнитные проводимости которых значительно больше магнитных проводимостей соответствующих участков рельсов и воздушных зазоров стыков рельсов, что значительно уменьшает величину и градиент напряженности магнитного поля непосредственно вокруг аномальных участков над головкой нити рельсов в воздухе, а также в воздушных зазорах стыков рельсов. При этом основная часть магнитных силовых линий нити рельсов концентрируется в дополнительных магнитных контурах, уменьшая тем самым число силовых линий замыкающихся по воздуху, а значит и предпосылок искажения полезного сигнала, снимаемого катушками АЛС. Частицы металлического абразива увлекаются с поверхности катания рельсов, а также из зон, находящихся около изолирующих стыков, и скапливаются вблизи контуров с наибольшей плотностью силовых линий, создаваемых покрытием. Происходит существенное снижение интенсивности механического износа

ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения

головки рельса, а также уменьшение риска замыкания изолирующих стыков РЦ. На рис. 1 и 2 показаны картины магнитных полей (полученные путём моделирования в среде MaxwellSV9) сечения рельса Р65 до и после покрытия боковой поверхности рельса материалом с повышенной магнитной проводи-мостью при пропускании по рельсу постоянного тока плотностью тока j = 10000 А/м2.

Сравнение картин магнитных полей рис. 1 и рис. 2 подтверждает сказанное.

Рассмотрим второй способ [6], существенно отличающийся от первого [5]. Рельсы, поступающие на сборку в плети, после прохождения стадий изготовления, транспортировки, складирования, хранения приобретают остаточную намагниченность и, как правило, имеют одинаковую ориентацию вектора напряженности магнитного поля в одной партии (штабеле). В результате один конец рельса приобретает свойства северного магнитного полюса постоянного магнита, а другой - южного, что легко определяется, например, с помощью магнитной стрелки компаса. При сборке бессты-

кового железнодорожного пути рельсы подаются из штабеля последовательно таким образом, что соединяются (свариваются) между собой разноимёнными магнитными полюсами, поэтому величина результирующего (суммарного) вектора напряженности магнитного поля последовательно соединённых рельсов на концах собранной нити будет значительно больше величины вектора напряженности отдельно взятого рельса.

Поясним сказанное с помощью формулы, записанной для магнитной цепи нити железнодорожного полотна, с некоторыми общепринятыми допущениями, не влияющими на результат нашего анализа[7].

Результирующий вектор падения магнитного напряжения Um,ab на концах собранной без разрыва магнитной цепи нити рельсов длиной Lab, состоящей из N намагниченных рельсов, можно определить как алгебраическую сумму падений магнитных напряжений рельсов [7]:

N

Um,ab — ^ Hklk ,

k—1

где Hk и lk - вектор напряжённости магнитного

X

Рис. 1. Картина магнитного поля сечения рельса Р65 при плотности тока j = 10000 A/м2.

Модуль вектора индукции В в Тл

Рис. 2. Картина магнитного поля сечения рельса Р65 при плотности тока j = 10000 A/м2 с покрытием боковых поверхностей рельса ферритом толщиной 5 мм. Модуль вектора индукции В в Тл

Транспорт

ш

поля и длина ^го рельса соответственно; k = 1, ..., N. В формуле (1) при суммировании у падения напряжения рельса берётся знак плюс, если у ^го рельса вектор напряжённости магнитного поля Нк совпадает по направлению с результирующим вектором падения магнитного напряжения Цт,аь, рис. 3, и знак минус, если его направление прямо противоположно вектору Цт,аь , рис. 4.

N

Um,ab — ^ Нкк •

к=1

Падение магнитного напряжения нити полотна Цп,аь определяется как сумма падений магнитных напряжений рельсов.

Из формулы (1) видно, что в случае соединения без разрывов магнитной цепи одинаковых рельсов друг с другом разноимёнными магнитными полюсами при одном и том же значении магнитного напряжения Нк у них падение магнитного напряжения Цт,аь на концах нити будет в N раз больше, чем падение магнитного напряжения одного рельса равного Цп,к = Нк1к:

Цп,аЬ = тп,к.

Выражение (1) может быть представлено в эквивалентном виде для всей нити как

Цт,аЬ = НЬаЬ,

где Н - результирующий вектор напряжённости магнитного поля нити рельсов.

При дальнейшей сборке (без разрывов магнитной цепи) между собой нескольких участков пути, общий результирующий вектор падения магнитного напряжения нового участка пути будет также определяться как алгебраическая сумма векторов падений магнитных напряжений участков. При соединении плетей (участков) с разрывом магнитной цепи (с зазором) между ними и (или) со старым (действующим) полотном в зазорах возникает повышенный градиент напряжённости магнитного поля. Действительно, падение магнитного напряжения нити рельсов Цп,аь должно уравновеситься падением магнитного напряжения в зазоре магнитной цепи -Нз/з, направленном прямо противоположно ему. С учётом выражения (3) можно записать соотношение для их модулей: ИЬаЬ = И3/3,

отсюда, напряжённость магнитного поля в зазоре

определяется из соотношения

Нз = НЫк ,

где Нз и 1з - напряжённость магнитного поля в зазоре и длина зазора соответственно.

Так как длина зазора 1з значительно меньше длины собранной нити рельсов Lab, то из выражения (4) вытекает, что величина напряжённости магнитного поля в зазоре Нз будет значительно больше магнитной напряжённости в нити рельсов Н. Аналогичное соотношение будет и для величины индукции магнитного поля в зазоре и в нити рельсов [7].

Из формулы (1) также следует, что при соединении рельсов (без разрыва магнитной цепи) друг с другом одноимёнными магнитными полюсами результирующий вектор падения магнитного напряжения собранного участка полотна Um,ab будет незначительным по величине. Например, при равенстве падений магнитного напряжения у всех одинаковых по длине рельсов падение магнитного напряжения участка полотна Um,ab будет равно нулю при чётном числе рельсов и не будет превышать величины падения магнитного напряжения одного рельса из этой нити при нечётном числе рельсов. Действительно, при алгебраическом сложении падений магнитных напряжений двух смежных рельсов результирующее падение магнитного напряжения этой пары рельсов будет равно их разности и равно нулю при равенстве их магнитных и конструктивных параметров (рис. 4).

Рассмотрим применение второго способа [6] в целях уменьшения падения магнитного напряжения рельсов в изолирующих стыках рельсовых цепей на действующем участке железной дороги при их отказе. В процессе эксплуатации электрифицированного участка железной дороги намагниченность рельсов может значительно увеличиться по сравнению с их начальной намагниченностью, при этом индукция в воздушном зазоре стыка может превышать норму в несколько раз. На концах рельсов изолирующего стыка естественным образом образуются два разноимённых магнитных полюса, магнитные силовые линии которых ориентированы от северного полюса к южному. Сильное магнитное поле изолирующего стыка стремится втянуть в зазор ферромагнитный

Hil

iii

2l2

Нз1

313

Н414

Рис. 3. Нить, собранная путём последовательного соединения рельсов разноимёнными магнитными полюсами

а Ь

Hili —

H2I2

H3I3

H4I4

Рис. 4. Нить, собранная путём последовательного соединения рельсов одноимёнными магнитными полюсам

b

a

абразив и распределить его по зазору вдоль силовых линий между полюсами магнита. Так как в изолирующем стыке находится прокладка, не позволяющая основной массе ферромагнитного абразива попасть внутрь стыка, то абразив распределяется по поверхности рельса между магнитными полюсами, приводя к его короткому замыканию.

Реализации способа [6] сводится к выполнению следующих операций с полотном железной дороги. В зазоре изолирующего стыка создаётся пара одноимённых магнитных полюсов, оба северных или оба южных полюса. В этом случае резко понижается величина падения магнитного напряжения (индукции) в зазоре, магнитные силовые линии будут направлены в разные стороны от одноимённых полюсов. Полученное таким образом магнитное поле в зазоре изолирующего стыка не будет втягивать ферромагнитный абразив внутрь зазора, а будет стремиться вытолкнуть его из зазора.

Выясним на первый взгляд неочевидную причину понижения величины падения магнитного напряжения (индукции) в зазоре при смене в зазоре одного из магнитных полюсов рельса стыка на прямо противоположный полюс. На практике осуществить эту операцию можно двумя путями. Первый путь - это повернуть один из рельсов (рубку рельса) стыка на 180°. Второй путь - это поставить другой рельс (рубку рельса) с соответствующей ориентацией магнитных полюсов.

Остановимся более подробно на первом варианте. Наибольшая напряжённость (индукция) магнитного поля будет на конце последнего рельса (рубки рельса) нити, поэтому после его выемки из полотна падение магнитного напряжения на нём HN^w будет большим по величине по сравнению с паденим магнитного напряжения одного рельса, а также сравнимым по величине с падением магнитного напряжения оставшейся (укороченной таким образом) нити рельсов. После разворота последнего рельса (рубки рельса) его падение магнитного напряжения будет направлено прямо противоположно падению магнитного напряжения остальной части нити. При соединении с ней происходит значительное уменьшение по величине результирующего вектора падения магнитного напряжения нити с развёрнутым рельсом Um,ab по сравнению с его начальной величиной. Практические измерения магнитной индукции в изолирующем стыке до и после разворота рубки рельса показывают уменьшение величины магнитной индукции в несколько раз. Длительность положительного эффекта этой операции может быть установлена на конкретных участках

железнодорожного полотна после продолжительного мониторинга. Два отремонтированных таким образом изолирующих стыка работают без сбоев с января 2014 года [8].

Комплексное использование на практике двух рассмотренных способов укладки намагниченных рельсов железных дорог позволит значительно повысить надёжность работы системы автоматики и телемеханики, а также уменьшить материальные затраты, связанные с простоем поездов и восстановлением её работоспособности.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Бесстыковый путь / Альбрехт В.Г., Виноградов Н.П., Зверев Н.Б. и др. М. : Транспорт, 2000. 408с.

2. Шаманов В.И. Помехи и помехоустойчивость автоматической локомотивной сигнализации : учеб. пособие для вузов ж. д. трансп. Иркутск : Изд-во Ир-ГУПС, 2005. 236 с.

3. Козлов А.А., Козлов А.С., Ушаков Исследование намагниченности концов рельсов в изолирующих стыках разной конструкции // Вестник ВНИИЖТ. 2005. № 2.

4. Исследование магнитного поля на сигнальном изо-стыке рельсов с целью улучшения работы «АЛСН» железной дороги / Будунов Н.Ф. и др. // Проблемы транспорта Дальнего Востока : материалы шестой междунар. науч.-практ. конф., 5-7 окт. 2005 г. Владивосток, 2005. С. 112-118.

5. Пат. №2337203 Рос. Федерация, RU 2 337 203 C1, МПК Е01В 31/00 (2006.01). Способ повышения безопасности движения поездов на новых участках железнодорожного полотна, оборудованных системой автоматики и телемеханики / Степанов А.П., Мило-ванов А.И., Болотников С.М., Солдатенков Е.Г., Са-ломатов В.Н., Лопатин М.В., Хрюкин Ю.А., Степанов М.А.; заявитель и патентообладатель Иркут. гос. ун-т путей сообщен. №2007110463/11 ; заявл. 21.03.2007 ; опубл. 27.10.2008, Бюл. №30. 3 с.

6. Пат. №2379402 Российская Федерация, RU 2 379 402 C2, МПК Е01В 29/00 (2006.01), Е01В 11/00 (2006.01), Е01В 2/00 (2006.01) . Способ укладки намагниченных рельсов железных дорог / Степанов А.П., Милованов А.И., Степанов М.А., Салома-тов В.Н., Лопатин М.В., Будунов Н.Ф., Болотников С.М.; заявитель и патентообладатель Иркут.гос. ун-т путей сообщен. №2007109352/11 ; заявл. 14.03.2007 ; опубл. 20.01.2010, Бюл. №2. 3 с.

7. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. М. : Высшая школа, 1984. 528 с.

8. Снижение намагниченности рельсов в изолирующих стыках / В.А. Начигин, С.В. Камнев, А.П. Степанов // Путь и путевое хозяйство. 2014. № 6. С. 8-9.