Установка для индукционного нагрева рельсовых плетей

Полезная модель относится к устройствам, предназначенным для обслуживания железнодорожных дорог, а именно к установкам индукционного нагрева рельсовых плетей с целью их ввода в оптимальный температурный режим перед закреплением.
Для обеспечения прочности и устойчивости бесстыкового пути все вновь укладываемые плети должны закрепляться при оптимальной температуре («Инструкция по устройству, укладке, содержанию и ремонту бесстыкового пути» утвержденная распоряжением ОАО «РЖД», от 14.12.2016, №2544/р).
Температура закрепления плетей бесстыкового пути может быть отнесена к наиболее значимым техническим характеристикам, поскольку, с точки зрения безопасности движения, обеспечение устойчивости бесстыкового пути примерно на порядок более существенная задача, чем задача обеспечения оптимальных прочностных характеристик рельсовых плетей. Температурой закрепления определяется качество бесстыкового пути: его можно считать достаточно высоким, если рельсовые плети закреплены при оптимальной температуре. Рельсовые плети необходимо не только закрепить при оптимальной температуре, но и обеспечить на весь срок их службы сохранение внутренних напряжений металла, соответствующих этой температуре закрепления.
В случаях, когда температура рельсовых плетей ниже оптимальной более чем на 5°С, используются принудительные способы ввода плетей в оптимальную температуру закрепления. Принудительный ввод осуществляется созданием желаемых удлинений, соответствующих разнице предыдущей и новой температуры закрепления, с помощью искусственного нагрева рельсов.
Принудительные способы ввода плетей в оптимальную температуру закрепления также применяются в следующих технологических процессах:
перед сваркой эксплуатируемых плетей, ранее уложенных и закрепленных при температуре ниже оптимальной более чем на 5°С;
при восстановлении оптимальной температуры закрепления плетей, подверженных угону или на участках, где плети восстанавливались сваркой при температурах ниже оптимальной температуры закрепления более, чем на 5°С.
Принудительный ввод плетей в оптимальную температуру закрепления выполняется с использованием гидравлических натяжных устройств (ГНУ) (см., например, патент РФ на изобретение № 2431713) или нагревательных установок, работающих на жидком или других видах топлива (см., например, патент РФ на полезную модель № 12418), или при одновременном воздействии на путь гидравлического натяжного устройства и нагревательной установки.
опт
К недостаткам известного способа с применением ГНУ по патенту № 2431713 можно отнести то, что он не позволяет получить удлинение рельса, соответствующее оптимальной температуре t=25-35°С при большой длине плети, за счет сил трения плети по опорам, ее удлинение получается неравномерным, вследствие чего могут образоваться участки с неравномерным распределением напряжений.
К недостаткам известной нагревательной установки по патенту № 12418, работающей на жидком топливе, можно отнести то, что при принудительном вводе плетей в оптимальную температуру закрепления необходимо обеспечить сохранность неметаллических элементов промежуточных скреплений при воздействии на них пламени горелок, кроме того, при работе устройства возможно неравномерное прогревание рельсовых плетей из-за неравномерного распределения пламени.
Для ввода плетей в оптимальную температуру закрепления целесообразно использовать индукционный нагрев – бесконтактный нагрев электропроводящих материалов токами высокой частоты, позволяющий производить безопасный нагрев, исключающий применение открытого огня.
Известна машина для нагрева рельсовых плетей, в которой реализован индукционный нагрев (патент РФ на полезную модель №80461). Индукционная установка в этой машине выполнена с двумя индукторными блоками, каждый из которых представляет собой конструкцию в виде подвешенной к механизму захвата и перемещения рельсовых плетей, несущей рамы, с установленными на ней секциями индукторов, каждая из которых состоит из двух створок полуиндукторов, закрепленных на несущей раме с возможностью поворота вокруг осей, параллельных продольной оси рельса и оснащенных следящими роликами.
Известна также машина для нагрева рельсовых плетей, реализующая индукционный нагрев (патент РФ на полезную модель №155121). На машине для нагрева рельсовых плетей, оснащенной индукционной нагревательной установкой, индукторы смонтированы на тележках, имеющих возможность поперечного относительного рельсового пути перемещения по инструментальной раме. Такое выполнение машины для нагрева рельсовых плетей возможно, когда тележки оснащены колесами и связаны с инструментальной рамой таким образом, что в рабочем положении машины, при опущенных на рельсовые нити индукторах, обеспечивается независимое перемещение тележек с индукторами, позволяя им отслеживать положение рельсовых нитей пути. В указанных машинах используется способ удлинения плетей бесстыкового пути и придания им размера, соответствующему размеру при оптимальной температуре с помощью нагревательной установки, представляющей собой установку индукционного нагрева. Однако в обоих указанных устройствах решаются проблемы механических устройств, обеспечивающих относительное перемещение индукторов и нагреваемых плетей, и не описаны использующиеся в них устройства индукционного нагрева.
Наиболее близким аналогом предложенного устройства является установка для индукционного нагрева рельсовых плетей, принятая за прототип (патент РФ на полезную модель №184586). Данное изделие включает в себя генератор, производящий электроэнергию необходимой для работы устройства мощности, к выходу которого подключено вводно-распределительное устройство для распределения элетроэнергии для создания элетромагнитных излучений требуемой мощности, подводимых к левой и правой плетям. К выходу вводно-распределительного устройства подключены резонансные преобразователи частоты, питающие переменным напряжением подключенные к ним трансформаторно-согласующие устройства, к выходу которых последовательно подключены два индуктора для нагрева левой и правой плетей соответственно. Каждый из этих индукторов в указанной установке состоит из двух секций, охватывающих с двух сторон рельс соответствующей плети. Каждая из упомянутых секций выполнена по форме, близкой к профилю рельса и установлена на отдельных электроприводах соответственно.
К недостаткам прототипа можно отнести следующие особенности конструкции. Наличие одного индуктора, длина которого составляет около полутора метров, а измерение температуры рельса возможно только в начале и в конце индуктора, обуславливает невозможность быстрой и точной настройки параметров работы установки в процессе функционирования для получения заданной температуры нагрева по мере продвижения устройства относительно закрепляемой плети, что приводит к долгому перерегулированию выходных параметров и, соответственно, появлению длинного участка неравномерно нагретого рельса. Использование единственного секционированного индуктора на каждую плеть обуславливает необходимость наличия механических устройств для сведения/разведения секций индукторов, что снижает надежность установки при использовании в условиях пониженной температуры, приводящих в некоторых случаях к заклиниванию данного механизма сведения/разведения. Кроме того, при использовании двух преобразователей частоты в указанной установке используется один генератор питания, т.е. в случае выхода из строя данного генератора продолжить нагрев плетей невозможно.
Задачей предлагаемой полезной модели является постановка рельсовых плетей в нужный температурный режим и снижение вероятности образования неравномерно нагретых участков рельс и, соответственно, появления в плетях, после их закрепления, участков с неравномерным распределением напряжений.
Технический результат предлагаемого устройства заключается в осуществлении равномерного нагрева рельсовых плетей до оптимальной температуры закрепления как на прямых, так и на изогнутых участках пути.
Вышеуказанный технический результат достигается, прежде всего, тем, что предлагаемая установка для индукционного нагрева рельсовых плетей содержит пирометры, установленные с возможностью измерения температуры каждой рельсовой плети в четырёх точках, а для нагрева рельсовых плетей используется четыре индуктора, по два индуктора на каждую плеть.
Достижению технического результата также способствуют следующие особенности конструкции предлагаемого устройства в преимущественном варианте исполнения.
Источники питания индукторов выполнены в виде четырех отдельных преобразователей частоты по два на каждую плеть для раздельного питания каждого из индукторов левой и правой рельсовых плетей, соответственно. Установка для индукционного нагрева рельсовых плетей оснащена двумя генераторами питания преобразователей частоты, включенными в схему аварийного ввода резерва, позволяющую в случае выхода из строя одного из генераторов перераспределить питающее напряжение на преобразователи частоты левой и правой рельсовых плетей.
Предлагаемая установка для индукционного нагрева рельсовых плетей, устанавливаемая на ж/д платформе или входящая в состав рельсоукладочного комплекса, также как и прототип, на верхней части платформы содержит преобразователи частоты для питания индукторов соединенные с трансформаторно-согласующими устройствами, которые, в свою очередь, соединены с индукторами, преобразователи частоты связаны с системой управления, которая, в свою очередь, соединена с датчиками температуры рельсовых плетей, датчиками состояния окружающей среды и датчиками скорости перемещения платформы, в систему управления входит блок управления нагревом, расположенный на верхней части платформы, а на блоках вертикального перемещения индукторов в рабочее и походное положения, крепящихся к нижней части платформы, размещены трансформаторно-согласующие устройства с индукторами для нагрева левой и правой рельсовых плетей.
Общая система управления включает в себя блок управления нагревом, который представляет собой промышленный компьютер с заложенной в него программой нагрева, оснащённый сенсорным экраном, предназначенным для визуализации параметров нагрева для левой и правой рельсовых плетей, а также для управления этими параметрами.
В отличие от прототипа, в установке используются два генератора питания преобразователей частоты, позволяющие в случае выхода из строя одного из генераторов, используя схему аварийного ввода резерва, перераспределить питающее напряжение на преобразователи частоты левой и правой плети, что позволит произвести нагрев обеих плетей при снижении общей потребляемой мощности и скорости нагрева в два раза соответственно. При этом измерение температуры каждой рельсовой плети целесообразно производить посредством пирометров по четырём точкам. Первая точка находится перед входом в первый индуктор и позволяет измерить первичную температуру плети перед входом в этот индуктор. Вторая точка находится между выходом с первого индуктора и входом во второй индуктор, показания температуры плети в этой точке позволяют проанализировать эффективность процесса нагрева в первом индукторе и в соответствии с этим отрегулировать режим работы второго индуктора. Третья точка находится на выходе из второго индуктора и позволяет измерять конечную величину нагрева рельса. Четвертая точка находится непосредственно перед зоной закрепления рельса и позволяет измерить температуру плети в момент её закрепления. Источники питания индукторов выполнены в виде четырех отдельных преобразователей частоты по два на каждую плеть для раздельного питания каждого из индукторов левой и правой плетей соответственно, при этом каждый индуктор выполнен по проходному типу.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежом, на фигуре 1 которого показана общая структурная схема установки для индукционного нагрева рельсовых плетей. На фигуре 2 представлен общий вид индуктора со стороны профиля рельса. На фигуре 3 в аксонометрической проекции показаны узлы устройства, устанавливаемые непосредственно на ж/д платформе. На фигуре 4 в аксонометрической проекции показаны блоки вертикального перемещения индукторов с установленными на них индукторами и трансформаторно-согласующими устройствами.
На чертеже позициями показаны:
1, 2 – генераторы,
3, 4 – шкафы распределительные,
5-8 – резонансные преобразователи частоты,
9-12 – трансформаторно-согласующие устройства,
13-16 – индукторы,
17 – общая система управления,
18 – блок управления нагревом,
19 – блок ввода-вывода и сохранения данных,
20, 21 – станции охлаждения,
22, 23 – насосные станции,
24 – рельс,
25, 26 – блоки вертикального перемещения индукторов,
27 – левая рельсовая плеть,
28 – правая рельсовая плеть,
29-36 – инфракрасные пирометры.
Индукционная установка для осуществления ввода в оптимальный температурный режим рельсовой плети бесстыкового пути включает в себя генераторы 1, 2, производящие необходимую мощность для работы устройства, к выходу которых подключены шкафы распределительные 3, 4 для разделения мощностей, к левой и правой плетям. К выходу шкафов распределительных 3, 4 подключены резонансные преобразователи частоты 5, 6, 7, 8, причём преобразователи частоты 5 и 7 подключены к шкафу распределительному 3, преобразователи частоты 6 и 8 подключены к шкафу распределительному 4. В свою очередь, резонансные преобразователи частоты 5, 6, 7, 8 питают переменным напряжением подключенные к ним трансформаторно-согласующие устройства 9, 10, 11, 12 к выходу которых последовательно подключены индукторы 13, 14, 15, 16 для нагрева левой и правой плетей, соответственно. Трансформаторно-согласующие устройства 9, 10, 11, 12 состоят из согласующих трансформаторов и блоков резонансных конденсаторов, образующих с индукторами 13, 14, 15, 16 резонансный контур. Общая система управления 17 включает в себя блок управления нагревом 18 и блок ввода-вывода и сохранения данных 19. Блок управления нагревом 18 представляет собой блок, в котором размещаются органы управления, блок ввода-вывода и сохранения данных 19 представляет собой промышленный компьютер с программой нагрева для обеспечения работоспособности установки и визуализации процесса работы. На экране промышленного компьютера отображаются параметры нагрева отдельно для правой и левой рельсовой плети, рабочие показатели станций охлаждения 20, 21 и насосных станций 22, 23 обеспечивающих охлаждение устройств нагрева левой и правой плети. Также на блок управления нагревом 18 приходят сигналы с внешних датчиков состояния окружающей среды, по сигналам которых в совокупности с другими данными происходит расчет параметров для нагрева рельсовых плетей до необходимой температуры по программе, заложенной в компьютер.
На фиг. 2 показано выполнение одного из индукторов 13 для нагрева отдельной плети. Индуктор 13 в указанной установке выполнен по проходному типу и охватывает рельс 24 со всех сторон, кроме подошвы. Данная конфигурация обеспечила подвод каждого индуктора к плети со стороны головы рельса, обеспечивая более высокую эффективность нагрева, простоту и быстроту перевода индукторов в рабочее/походное положение. Остальные индукторы 14, 15, 16 выполнены точно так же.
На фиг. 3 показаны трансформаторно-согласующие устройства 9, 10 подключаемые к индукторам 13, 14 нагрева левой плети и трансформаторно-согласующие устройства 11, 12 подключаемые к индукторам 15, 16 нагрева правой плети соответственно. Трансформаторно-согласующие устройства 9, 10, 11, 12 в свою очередь крепятся к блокам 25, 26 вертикального перемещения индукторов в рабочее и походное положения, представляющие собой металлические конструкции, крепящиеся к нижней части ж/д платформы. С помощью блоков 25, 26 осуществляется перемещение индукторов и трансформаторно-согласующих устройств 9, 10, 11, 12 в вертикальном направлении относительно рельсовых плетей, левой 27 и правой 28, причем блок 25 может перемещаться независимо от другого блока 26. Также на трансформаторно-согласующих устройствах 9, 10, 11, 12 размещаются инфракрасные пирометры 29, 30 контроля начальной температуры левой и правой рельсовой плети, инфракрасные пирометры 31, 32 контроля температуры, до которой произошел нагрев левой и правой рельсовой плети после первого индуктора, а также инфракрасные пирометры 33, 34 контроля температуры, до которой произошел нагрев левой и правой рельсовой плети после второго индуктора. Инфракрасные пирометры 35, 36 контроля температуры, при которой происходит закрепление левой и правой рельсовой плети располагаются на измерительных тележках в конце ж/д платформы.
Управление процессом принудительного ввода рельсовых плетей в оптимальную температуру закрепления обеспечивается с помощью блока управления нагревом 18, на который поступают сигналы с внешних датчиков состояния окружающей среды (могут включать показатели, влияющие на скорость нагрева рельсовых плетей, в частности, данные о температуре воздуха и скорости ветра), а также пирометров контроля температуры рельсовых плетей,  по сигналам которых в совокупности с другими данными происходит расчет параметров для нагрева рельсовых плетей до необходимой температуры по программе, заложенной в компьютер. При этом на сенсорном экране промышленного компьютера отображаются параметры нагрева отдельно для правой и левой рельсовой плети, а также рабочие показатели станций охлаждения 20, 21, обеспечивающих охлаждение всего устройства.
Разработанное программное обеспечение управления технологическим процессом нагрева позволяет учитывать факторы окружающей среды, начальную и конечную температуру плети, скорость движения ж/д платформы, от которых зависит количество энергии, которое будет сообщено рельсовой плети для достижения заданной температуры.
Предлагаемое устройство устанавливается на ж/д платформе: генераторы, шкафы распределительные, преобразователи частоты, блок управления нагревом, блок ввода-вывода и сохранения данных, станция охлаждения, насосная станция и внешние датчики состояния окружающей среды располагаются на платформе, а трансформаторно-согласующие устройства с индукторами, блоки вертикального перемещения индукторов, инфракрасные пирометры располагаются под платформой.
Программное обеспечение позволяет производить нагрев в следующих режимах: «Автомат», «Полуавтомат» и «Ручной».
Ручной режим работы предназначен для проведения пуско-наладочных работ установки и для завершения процесса нагрева, если по какой-либо причине невозможно использование автоматического режима. В данном режиме управление процессом нагрева осуществляется непосредственно оператором с помощью блока ввода-вывода и сохранения данных 19. В этом режиме независимо от скорости движения ж/д платформы установка будет греть с заданной оператором мощностью на выходе резонансных преобразователей частоты 5, 6, 7, 8. Причем, благодаря разделению подводимого питания к левой и правой плетям, оператор посредством программного обеспечения имеет возможность регулировать подводимую мощность для нагрева плетей по показаниям инфракрасных пирометров 31–34. Также, при необходимости, возможно отключение преобразователей частоты одной из плетей, (например, преобразователей частоты 5, 6). В этом случае нагрев будет осуществляться только по одной плети. Также возможно отключить по одному преобразователю частоты на каждой плети (например, преобразователи частоты 5, 7), что позволит в аварийной ситуации произвести процесс нагрева до конца.
В полуавтоматическом режиме работы управление процессом нагрева осуществляется оператором частично. Оператор задает температуру, до которой будет нагреваться плеть и с помощью программного обеспечения запускает процесс нагрева. В полуавтоматическом режиме для достижения заданной температуры нагрева программа ориентируется на показания инфракрасных пирометров 31–34 и регулирует ток на выходе резонансных преобразователей частоты 5, 6, 7, 8, без учёта показаний величины скорости движения ж/д платформы.
В автоматическом режиме работы управление процессом нагрева осуществляется оператором частично. Оператор задает температуру, до которой будет нагреваться плеть и с помощью программного обеспечения запускает процесс нагрева. В автоматическом режиме для достижения заданной температуры нагрева программа рассчитывает необходимую скорость движения ж/д платформы в зависимости от показаний инфракрасных пирометров 29, 30 и максимально возможной прикладываемой мощности. На экране блока ввода-вывода и сохранения данных 19 будет отображаться данное расчётное значение, оператор передаёт это значение машинисту для начала движения ж/д платформы с расчётной скоростью. Если во время движения ж/д платформы скорость изменится, программа нагрева автоматически произведет перерасчет выходных параметров для поддержания заданной температуры нагрева. При возникновении аварийных ситуаций или недопустимости того или иного действия в процессе управления будет выдано соответствующее информационное сообщение.
Установка для индукционного нагрева рельсовых плетей с целью их ввода в оптимальный температурный режим работает следующим образом.
По прибытию на место производства работ оператор устанавливает блоки вертикального перемещения индукторов 25, 26 с трансформаторно-согласующими устройствами 9, 10, 11, 12 на левую 27 и правую 28 рельсовые плети, т.е. переводит индукторы 13, 14, 15, 16 в рабочее положение.
Запуск генераторов 1, 2 обеспечивает установку питающим напряжением. Сначала напряжение с генераторов поступает на шкафы распределительные 3, 4, а с них на резонансные преобразователи частоты 5, 6, 7, 8. Затем оператор с помощью включения станций охлаждения 20, 21 и насосных станций 22, 23 обеспечивает охлаждение устройств установки нагрева левой и правой плети.
С помощью блока управления нагревом 18 оператор производит подачу питающего напряжения на преобразователи частоты 5, 6, 7, 8. Оператор на экране блока ввода-вывода и сохранения данных 19 запускает программное обеспечение, в рабочем окне программы управления процессом нагрева выбирает режим работы «Автомат» и задает температуру нагрева рельсовых плетей. Затем оператор нажимает кнопку «Пуск», при несоответствии какого-либо параметра требуемому значению процесс нагрева не будет запущен, и на экране появится сообщение о произошедшей ошибке.
Программа управления нагревом рассчитывает необходимую скорость перемещения ж/д платформы относительно рельсовой плети, исходя из значения температуры, до которой необходимо нагреть рельсовую плеть относительно ее начальной температуры при известной максимальной мощности.
Установка до момента начала движения ж/д платформы вдоль рельсовой плети находится в режиме ожидания. В момент начала движения программа управления нагревом включает преобразователи частоты 5, 6, 7, 8, мощность, необходимая для нагрева, передается к индукторам 13, 14, 15, 16, происходит нагрев рельсовых плетей 27 и 28 до заданной температуры. Контроль температуры осуществляется с помощью инфракрасных пирометров 31–36, при этом на экране промышленного компьютера отображается информация о процессе нагрева отдельно для левой 27 и правой 28 рельсовой плети (температура начальная, температура после первого индуктора, температура после второго индуктора, заданная температура нагрева, время нагрева, пройденный путь и скорость движения).
Предлагаемая полезная модель обеспечивает сохранность неметаллических элементов (резиновых прокладок) промежуточных скреплений и позволяет производить нагрев рельс до оптимальной температуры закрепления с высокой точностью благодаря возможности   мгновенного включения/отключения преобразователей частоты и точной регулировке режима работы индукторов в соответствии с показателями пирометрических датчиков.
Заявляемая установка для индукционного нагрева рельсовых плетей обладает возможностью работы, как в автономном режиме, так и в составе путеукладочного комплекса и позволяет сократить количество обслуживающего персонала.