Термодатчик контроля нагрева букс

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для определения температуры перегрева различных деталей в системах автоматики, например для контроля нагрева буксового узла с роликовыми подшипниками.
В настоящее время для обеспечения безопасности движения пассажирских вагонов используется система контроля нагрева букс с термодатчиками типа №393, настроенными на температуру срабатывания 94°±4°С(http://andi-grupp.ru/termodatchik_393.html).
Недостатком такого термодатчика является необходимость встряхивания для его срабатывания. Без встряхивания даже при значительном превышении температуры до 120-150°С, он не срабатывает.
Реализация современных бесстыковых участков движения на РЖД делает недопустимым использование датчиков типа №393 без улучшения их качества и повышения надежности, в частности обеспечения срабатывания без встряхивания.
По технической сущности наиболее близким к предлагаемому решению (прототип), является «термодатчик контроля нагрева букс», который состоит из корпуса, в центр которого вставлен исполнительный механизм в виде стакана цилиндра с поршнем, подпружиненного упругим элементом (пружиной), и термочувствительного элемента из легкоплавкого материала (сплава); исполнительный механизм оснащен контактами линии связи. (Патент №1603415, МПК G08B 17/02. Опубликовано: 30/10/1990.).
К недостаткам прототипа следует отнести:
1. Незащищенность термодатчика от температурных воздействий окружающей среды, поскольку конструктивно чувствительный элемент размещен в латунном теплопроводящем корпусе и подвержен воздействию внешних факторов на ту часть, которая выступает из буксы. Это вносит значительную ошибку в измерение температуры буксы, особенно при низких температурах окружающей среды и при высоких скоростях движения поезда.
п
2. Термодатчик пригоден для работы лишь в вертикальном положении, поскольку согласно описанию прототипа, при нагреве буксы до критической температуры Т легкоплавкий сплав должен расплавиться в верхней части стакана цилиндра, перелиться в нижнюю его часть под действием силы тяжести и для дальнейшего использования образовать там сплав между контактами линии связи;
3. Такой сложный процесс вплавления контактов линии связи легкоплавким сплавом от тепла буксы зависит от степени ее нагрева и не может обеспечивать надежного контролируемого качества соединения контактов.
Поскольку нагрев буксы не является управляемым технологическим процессом, то этот режим пайки не может обеспечить достаточно хорошего соединения контактов с линией связи. Кроме того, следует учитывать, что при достижении температуры размягчения сплава от неисправной буксы необходимо предпринять меры для остановки поезда (вагона). При этом температура размягчения сплава, достаточная для срабатывания датчика, может быть еще недостаточной для полного переливания сплава из верхней части стакана цилиндра в нижнюю и не может обеспечить достаточно хороший как электрический, так и механический контакты с линией связи.
4. Температура срабатывания термочувствительного элемента выбрана излишне высокой, не отвечающей современным требованиям контроля уровней перегрева буксы.
5. Сложная конструкция термочувствительного элемента с исполнительным механизмом, включающая цилиндр и перемещающийся в нем поршень, требует прецизионного изготовления и усложняет его эксплуатацию на железнодорожном транспорте (широкий диапазон температур, вибрация).
6. Недостатком приведенного термодатчика является и неопределенность в нахождении перегретой буксы.
Цель полезной модели - устранить отмеченные недостатки и повысить надежность срабатывания термодатчика при нагреве неисправной буксы (буксового узла).
Технический результат достигается за счет повышения точности измерения температуры буксы термочувствительным элементом на начальном этапе нагрева буксы, повышения надежности измерений ее температуры в независимости от внешних погодных условий и введения дополнительной индивидуальной индикации неисправности для каждой буксы.
Термодатчик контроля нагрева буксы включает следующие технические решения:
- термочувствительный элемент дополнен электропроводящей площадкой на изолирующей подложке со сквозными отверстиями, через один из которых проходит подвижный контакт от линии связи так, что при допустимых температурах он электрически и механически связан легкоплавким сплавом со вторым неподвижным электропроводящим контактом, а при перегреве разрывает механическую и электрическую связи. Это обеспечивает хороший электрический (и механический) контакт до расплавления и надежное размыкание линии связи при перегреве термочувствительного элемента, исключает возможность замыкания контакта после разрыва, ограничивает переход расплавленного материала на противоположную сторону от места сплавления контакта и таким образом исключает возможность неконтролируемого соединения контакта с проводящими частями термодатчика;
- термочувствительный элемент размещен в теплопроводящем кожухе, связанном с буксой через резьбовое соединение металлической части датчика, обеспечивая, тем самым хороший тепловой контакт в месте, максимально близком к контролируемому шарикоподшипнику;
- термочувствительный элемент с исполнительным механизмом выполнен в виде подвижного контакта, впаянного легкоплавким сплавом в металлизированное отверстие на изолирующей плате так, что он надежно удерживается в нем в твердом состоянии, поскольку упругий элемент (пружина) хотя и воздействует на контакт с вытягивающей силой, но эта сила заметно меньше силы сцепления сплава. При расплавлении сплава контакт становиться подвижным и легко удаляется на достаточное расстояние, разрывая линию связи;
- направление действия силы пружины выбрано с условием, что легкоплавкий сплав на поверхности металлизированной площадки прижимается к ее поверхности. Это повышает прочность контакта и надежность крепления. При действии пружины в противоположном направлении (на отрыв) прочность крепления контакта заметно меньше. Кроме того, для повышения прочности удержания подвижного контакта отверстия делаются металлизированными;
- теплопроводящие узлы датчика, связанные с термочувствительным элементом, защищены теплозащитным кожухом, что снижает влияние внешних воздействий на измеряемую температуру, особенно при движении вагона с высокой скоростью в холодную погоду;
- термочувствительный элемент размещен на конце теплоизолирующей трубки-вставки, расположенной в глубине корпуса буксы, что ведет также к снижению влияния внешних факторов на срабатывание датчика;
- к каждому термодатчику введен индивидуальный наружный индикатор перегрева буксы, обеспечивающий дополнительный контроль за перегретой буксой; наружный индикатор содержит светодиоды (предпочтительно два), размещенные внутри кожуха так, что излучение от них через световод, выходит наружу предпочтительно в разные стороны. Для исключения влияния индивидуальных индикаторных светодиодов на работу штатной системы контроля нагрева букс (СКНБ) дополнительно введена электронная плата, которая обеспечивает разрыв цепи по постоянному току и пульсирующее излучение светодиодов. Кроме того, введенная плата позволяет подключить и звуковую индикацию на каждый термодатчик;
- индикация видна и в случае включения одного светодиода. Два светодиода повышают яркость, расширяют обзор и повышают надежность индикации в случае неисправности одного из них. Дополнительная наружная индикация неисправной буксы повышает безопасность движения подвижного состава;
- корпус термодатчика выполнен с ребристой поверхностью, обеспечивающей удобную установку и выкручивание датчика рукой без инструмента;
- термодатчик размещен в герметичном корпусе, что обеспечивает повышенную стойкость к влажности и другим погодным факторам;
- в месте выхода из корпуса термодатчика кабель закреплен в защитной трубке, предпочтительно силиконовой, обеспечивающей защиту кабеля от излома;
- в месте выхода из корпуса термодатчика кабель закреплен в защитной пружине, обеспечивающей защиту кабеля от излома;
- термочувствительный элемент изготовлен из сплава с температурой плавления от 71 до 75°С, например с составом:висмут- 27,5%; олово -10,5%; свинец -27,5%; кадмий -34,5%;
Реализация предлагаемых технических решений позволяет повысить надежность работы системы контроля нагрева буксы (буксового узла) за счет повышения надежности срабатывания датчика, при достижении значения пороговой температуры и за счет снижения величины пороговой температуры. Снижение влияния внешних факторов на температуру срабатывания, удобство эксплуатации за счет отображения факта перегрева буксы как внутри вагона, так и на индивидуальном индикаторе вблизи буксы способствуют этому.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена вставка с чувствительным элементом.
На фиг. 2 - термодатчик с теплопроводящим корпусом, теплоизолирующим кожухом и световодом.
На фиг. 3 - схема электронного блока для включения термодатчика.
Термодатчик контроля нагрева букс состоит из вставки с термочувствительным элементом (фиг. 1), включающей:
1 - теплопроводящий кожух термочувствительного элемента, (например, алюминиевый), находящийся в тепловом контакте с теплопроводящим узлом датчика 22;.
2 - шайбу защитную для обеспечения свободного пространства в области подвижного контакта и защиту от пробоя с теплопроводящим узлом чувствительного элемента 1;
3 - монтажную плату, представляющую собой диэлектрическую подложку с металлизированными контактами и дорожками;
4 - металлизированные дорожки, с двух сторон соединяющие подвижный 8 и неподвижный 7 контакты;
5 - узел соединения неподвижного контакта 7 с проводом 12, контактом 20 и с линией связи;
6 - металлизированное отверстие для подвижного контакта 8;
7 - неподвижный контакт, соединяемый с линией связи проводом 12, проходящим предпочтительно внутри пружины 14 наружу теплоизолирующей трубки 17;
8 - подвижный контакт, жестко скрепленный с торцом пружины 14 и легко перемещающийся от проводящей дорожки пружиной 14 при расплавлении легкоплавкого сплава 9;
9 - контактные соединения из низкотемпературного сплава;
10 - узел соединения подвижного контакта с проводом 13 линии связи;
11 - зацеп подвижного контакта для связи с пружиной 14 через зацеп пружины (15);
12 - провод, соединяющий неподвижный контакт 7 с линией связи;
13 - провод, соединяющий подвижный контакт 8 с линией связи;
14 - пружину (упругий элемент);
15 - зацеп пружины для связи с подвижным контактом;
16 - зацеп пружины для связи с корпусом вставки 17 через шпильку 18;
17 - корпус вставки, выполненный в виде теплоизолирующей трубки;
18 - шпильку для крепления пружины с корпусом вставки;
19 - крышку корпуса вставки 17;
20 - контактный вывод от неподвижного контакта для крепления с контактом 26 на электронной плате 25;
21 - контактный вывод от подвижного контакта для крепления с контактом 27 на электронной плате 25.
А также включает (Фиг. 2):
22 - теплопроводящий корпус датчика;
23 - технологические отверстия для увеличения прочности соединения теплопроводящего узла 22 с теплозащитным кожухом 24;
24 - теплозащитный кожух;
25 - электронную плату;
26 - контактная площадка для подключения контактного вывода 20 к кабелю линии связи;
27 - контактная площадка для подключения контактного вывода 21 к кабелю линии связи;
28 - индивидуальный индикатор перегрева буксы, предпочтительно красный светодиод повышенной яркости;
29 - световод индивидуального индикатора;
30 - пружину или трубку, демпфирующую кабель линии связи;
31 - ребра теплоизолирующего кожуха 24;
32 - крышку для крепления световода с кожухом, например, путем резьбового соединения;
33 - кабель линии связи.
При этом корпус термодатчика включает теплозащитный кожух 24 с ребристой поверхностью 31, теплопроводящий корпус 22 и световод 29, закрепленный, например, в крышке 32. Через световод проходит кабель линии связи 33 в демпфирующей пружине или в силиконовой трубке 30.
Один из проводников кабеля линии связи через контактную площадку 26 на электронной плате 25, через контактный вывод 20 от вставки, через проводник 12 подключен к неподвижному контакту 7 термочувствительного элемента.
Второй проводник кабеля линии связи через контактную площадку 27 на плате 25, через контактный вывод 21 от вставки, через проводник 13 подключен к подвижному контакту 8 термочувствительного элемента.
Индивидуальный индикатор содержит светодиоды, которые размещены внутри кожуха и защищены световодом от внешних воздействий; при этом индивидуальный индикатор подключен к линии связи через дополнительно введенный выпрямительный мост и схему преобразования постоянного напряжения в пульсирующее.
Световод конструктивно выполнен в виде крышки 32, совмещенной герметичным соединением (возможно резьбой) с теплозащитным кожухом 24. В световоде закреплен кабель линии связи 33 в демпфирующей пружине или силиконовой трубке 30.
Теплозащитный кожух 24 выполнен из теплоизолирующего материала, что ведет к снижению влияния внешних погодных факторов на работу датчика. Теплопроводящий кожух 1 закреплен в буксе резьбой M16*1,5 и является тепловым контактом для термочувствительного элемента, размещенного внутри вставки 17 из теплоизолирующего материала.
Термочувствительный элемент выполнен в виде электрической платы 25 на основе СТЭФ (стеклотекстолит электротехнический СТЭФ-1) как минимум с 2 отверстиями, в одном из которых (отверстии 5) закреплен относительно высокотемпературным припоем (например ПОС-61) неподвижный контакт линии связи 7, а во втором отверстии - предпочтительно металлизированный легкоплавким сплавом 9 подвижный контакт 8, механически жестко связанный с пружиной 14, создающей между торцами 15 и 16 вытягивающее усилие, передаваемое к подвижному контакту 8. Электрически неподвижный контакт связан проводом 13 через узел 10, соединяющий проводником 13 подвижный контакт с линией связи. Подвижный контакт 8, закрепленный легкоплавким сплавом 9, имеет хороший тепловой контакт с телом буксы через теплопроводящий корпус датчика 22 с резьбовым соединением M16*1,5 и через теплопроводящий кожух 1.
Теплопроводящий кожух 1 вместе с теплозащитным кожухом 24 является частью корпуса термодатчика и дополнен индивидуальным индикатором перегрева контролируемой буксы. Светодиоды 28, размещенные на электронной плате 25 излучают световой поток через световод 29. Конструктивно световод выполнен в виде крышки 29 (возможно съемной), в которой закреплен кабель 34 с демпфирующей пружиной (силиконовой защитной трубкой) 30.
Термодатчик контроля нагрева букс работает следующим образом.
Термодатчики числом 8 включены последовательно в цепь системы контроля нагрева букс (СКНБ). При штатной ситуации (исправные буксы не нагреты) термочувствительные элементы не нагреты (температура ниже температуры плавления легкоплавкого сплава), цепь из 8 термодатчиков замкнута и реле, включающее сигнализацию о неисправности, не включает световой и звуковой сигналы. При этом индикаторный светодиод замкнут термочувствительным элементом (сопротивлением не более 0,1 Ом) и не может светиться.
При превышении допустимого значения температуры нагрева буксы в термодатчике термочувствительный элемент, представляющий собой легкоплавкий материал, нагревается и расплавляется. При этом упругий элемент разрывает контакт от контактной площадки и разрывает цепь системы контроля нагрева букс. В результате этого в купе проводника выдаются звуковой и световой сигналы.
Дополнительно включенная электронная плата со схемой, преобразующей постоянное напряжение в переменное (пульсирующее, прерывистое), не оказывает влияние на работу штатной системы контроля нагрева букс, поскольку имеет разрыв по постоянному току. По переменному напряжению - сопротивление более 330 кОм. Значения сопротивления (330 кОм) и емкости (10 мкФ) выбраны для задания частоты пульсации, наиболее близкой к оптимальной (около 0,5-2 Гц). Динистор типа DB3 выбран с напряжением срабатывания около 30В, ток утечки около 10 мкА.
В случае исправного датчика (сопротивление датчика не более 0,1 Ом) чувствительный элемент замыкает накоротко схему индивидуального индикатора. В цепи штатной системы СКНБ протекает ток, достаточный для включения реле, сигнализирующего нормальное состояние буксы. Индивидуальные индикаторы также не светятся, поскольку на них не подается питающее напряжение. Таким образом, схема не влияет на штатную систему нагрева букс.
Влияние включения схемы индивидуальной индикации на срабатывание реле в системе контроля нагрева букс проверено со всеми используемыми в настоящее время реле, включая реле с малыми токами срабатывания до 5 мА. Подтверждено отсутствие влияния индивидуальной индикации на работу штатной системы нагрева букс.
Кроме исключения влияния на штатные схемы включения, прерывистое (пульсирующее) излучение предпочтительно красного цвета также способствует более надежному обнаружению неисправной буксы.
Для удобства подключения датчика при сохранении нужной полярности для используемых светодиодов в индивидуальном индикаторе введен выпрямительный диодный мост (Фиг. 3).
Анализ перспектив использования термодатчика позволяет прогнозировать существенное повышение надежности устройства и, как следствие, повышение безопасности движения пассажирских вагонов за счет своевременного предотвращения серьезных неисправностей ходовых частей пассажирских вагонов.
Проведенные испытания показали высокую надежность и высокие технические характеристики предлагаемых термодатчиков. Они осуществляют непрерывный контроль температуры буксы, срабатывают без встряхивания как в вертикальном, так и в горизонтальном положении. Пороговая температура срабатывания лежит в пределах 74,1-76,9°С, в том числе при воздействии холодных потоков с температурой минус 25°С. Индикация наглядно указывает на неисправную буксу после ее перегрева путем прерывистого излучения.
Предлагаемая полезная модель показала значительные преимущества в сравнении с известными аналогами.