Устройство электрообогрева стрелочного перевода

Полезная модель относится к железнодорожному транспорту, а более конкретно к устройствам электрообогрева стрелочных переводов в зимний период и может быть использована для очистки стрелочного перевода от снега и льда и для предотвращения его оледенения.
Известно устройство для очистки стрелочного перевода от снега и льда путем электрообогрева (см. патент RU 90448, МПК Е01В 07/00, опубл. 01.10.2010), включающее установленный на подошве первого рамного рельса датчик его температуры, подключенный к регулятору, трубчатые электронагреватели, установленные на подошвах обоих рамных рельсов, подключенные к выводам вторичных обмоток изолирующих трансформаторов. Первичные обмотки изолирующих трансформаторов одними выводами через индивидуальные контакторы обогрева, управляемые регулятором, и общий двухполюсной выключатель подключены к фазным проводам питающей сети. Другие выводы первичных обмоток изолирующих трансформаторов подключены к нулевому проводу питающей сети. На подошве второго рамного рельса установлен второй датчик температуры, подключенный к регулятору. Введено также раздельное управление контакторами обогрева.
В известном устройстве применение трубчатых электронагревателей, обогревающих рельс в режиме теплового облучения, приводит к неоправданному расходу тепловой энергии.
Известно устройство для очистки стрелочного перевода от снега и льда путем электрообогрева (см. патент RU 97386, МПК Е01В 07/24, Е01В 19/00, опубл. 10.09.2010), содержащее электронагреватели, установленные на рамных рельсах, датчик температуры наружного воздуха, блок электропитания электронагревателей от сети переменного тока с однофазным трансформатором, коммутатор, элемент сравнения. Устройство содержит датчик температуры рельса, установленный на рамных рельсах и соединенный с первым входом элемента сравнения. Датчик температуры наружного воздуха соединен со вторым входом элемента сравнения. Датчик осадков, сигнал с которого поступает на третий вход элемента сравнения, а выход элемента сравнения соединен с блоком плавной регулировки напряжения. Выход блока плавной регулировки напряжения соединен с входом коммутатора. Коммутатор включен во вторичную обмотку однофазного трансформатора блока электропитания, а напряжение через коммутатор поступает на электронагреватели, в качестве которых используют плоскоовальные электронагреватели.
Известное устройство при работе требует повышенного расхода электрической и тепловой энергии из-за передачи тепла от электронагревателей через их изоляцию и воздушный зазор, образующийся между рельсом и электронагревателем. Кроме того известное устройство недостаточно надежно из-за использования общего трансформатора для всех нагревателей.
Известно устройство электрообогрева рельсов стрелочного перевода (см. патент US 6664521, МПК Н01В 7/10, опубл. 16.12.2003), включающее последовательно соединенные источник переменного тока, преобразователь переменного тока в высокочастотный ток, соединенный кабелем с высокочастотным нагревательным контуром с магнитным экраном, расположенными на теплопроводной плите настила под рельсами.
Недостатком известного устройства является повышенный расход электроэнергии из-за непрерывного обогрева стрелочного перевода независимо от метеорологических условий.
Известно устройство электрообогрева рамных рельсов стрелочного перевода (см. патент RU 104941, МПК Е01В 7/00, опубл. 08.10.2010), содержащее источник электропитания переменного тока, выходной однофазный трансформатор, выводы вторичных обмоток которого подключены к электронагревателям. В состав источника электропитания входит регулятор интенсивности обогрева. В качестве электронагревателей использованы подлежащие обогреву участки рамных рельсов, для чего на концах указанных участков предусмотрены болтовые электрические клеммы, и к паре клемм каждого рельса подключены выводы соответствующей вторичной обмотки выходного однофазного трансформатора.
Недостатками известного устройства являются гальваническая связь рамных рельсов с источником электропитания, что повышает опасность поражения электрическим током обслуживающего стрелочные переводы персонала, влияние на работу устройства атмосферных явлений в виде сильного проливного дождя и вероятности залива водой участков рамных рельсов, к которым подключены вторичные обмотки трансформатора источника электропитания, а также невозможность плавного регулирования процесса теплопередачи.
Известна система и устройство для основанного на метеоданных темперирования железнодорожных стрелок (см. патент RU 2658755, МПК G05B 19/04, опубл. 22.06.2018). Известная система включает соединенный с источником метеоданных вычислительный блок, который соединен с блоком управления, блок управления подключен к переключающему устройству, соединенному с обогревателем железнодорожной стрелки. Вычислительный блок выполнен с возможностью непрерывного в задаваемые интервалы времени запрашивания метеоданных у источника метеоданных, их непрерывного анализа и непрерывного задания графика оптимальных заданных температур, в результате чего непрерывно и метеозависимо происходит актуализация заданной температуры железнодорожной стрелки. Блок управления выполнен с возможностью регулирования, в регулярные промежутки времени, обогревателя железнодорожной стрелки посредством переключающего устройства на основе заданного вычислительным блоком графика, пока не будет достигнута соответствующая заданная температура железнодорожной стрелки.
Известная система имеет усложненную конструкцию, к тому же надежность работы системы зависит качества информационного канала связи с метеостанцией.
Известно устройство электрообогрева стрелочного перевода (см. патент RU 114960, МПК Е01В 7/00, опубл. 20.04.2012), содержащее источник электропитания, датчики температуры и осадков, систему управления, регулирующую интенсивность обогрева, и электронагреватели, Источник электропитания генерирует переменный ток повышенно-средней частоты, а система управления работает по принципу частотного регулирования мощностью устройства. В качестве электронагревателей используются индукторы, выполненные в виде проводников с многопроволочной токопроводящей жилой высокой проводимости в термостойкой изоляции и расположенные на поверхности шейки и/или подошвы рельса стрелочного перевода, или на поверхности ферромагнитных шпал.
Недостатками известного устройства является повышенный расход электроэнергии, так как устройство нагревает шейку и/или подошву рельса.
Известно устройство электрообогрева стрелочного перевода (см. патент RU 135652, МПК Е01В 07/00, опубл. 20.12.2013). Известное устройство включает датчик температуры наружного воздуха, датчик осадков, датчик температуры рельса, плоскоовальные электронагреватели, установленные на рамных рельсах, блок плавной регулировки напряжения, блок электропитания электронагревателей от сети переменного тока с однофазным трансформатором. Устройство содержит электронный блок обработки данных со специальным программным обеспечением, к входам которого подключены датчик температуры рельса, установленный на рамных рельсах, датчик осадков, датчик температуры окружающего воздуха. Выходы электронного блока обработки данных со специальным программным обеспечением соединены с соответствующими им входами двух каналов обогрева. Первый канал обогрева состоит из первого блока плавной регулировки напряжения и первого блока электропитания с однофазным трансформатором. Второй канал обогрева состоит из второго блока плавной регулировки напряжения и второго блока электропитания с однофазным трансформатором. Выходы первого и второго блоков плавной регулировки напряжения включены во вторичные обмотки первого и второго однофазного трансформатора блоков электропитания соответственно, напряжение через которые поступает на попарно разделенные плоскоовальные электронагреватели.
Известное устройство имеет повышенную надежность конструкции за счет двух каналов обогрева, однако установка плоскоовальных электронагревателей на рамных рельсах приводит к повышенному расходу электроэнергии из-за утечки тепла в рельс, а при ухудшении теплового контакта электронагревателя с рельсом происходит перегрев плоскоовального электронагревателя и выход его из строя.
Известно устройство электрообогрева стрелочного перевода (см. патент RU 2470108, МПК Е01В 07/24, опубл. 20.12.2012), совпадающее с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятое за прототип. Устройство-прототип включает регулируемый источник питания переменного тока и подключенный к источнику соизмеримый по длине с рамным рельсом и прикрепленный к нему резистивный электронагреватель. Электронагреватель выполнен в виде охваченных термостойким изоляционным слоем двух параллельных лент - резистивной низкоомной и теплоизоляционной. Электронагреватель установлен на верхней площадке подошвы рамного рельса со стороны остряка между его подушками скольжения и шейкой рамного рельса без теплового контакта с ним. Источник питания выполнен с гальванической развязкой его низковольтной цепи питания электронагревателя от питающей линейной сети. Источник питания содержит силовой трансформатор, первичная обмотка которого связана с линейной сетью переменного тока через прерыватель-симистор, а вторичная обмотка подключена к резистивному электронагревателю. Управляющий электрод симистора подключен к блоку управления с цепью запуска, первый вход блока управления соединен с выходом датчика температуры наружного воздуха.
Известное устройство-прототип обеспечивает нагрев воздушного пространства желоба остряка с минимальной утечкой тепла в рельс. Недостатком известного устройства является невозможность определения факта выпадения дождя или снега (града). Известное устройство работает по сигналу датчика температуры наружного воздуха независимо от наличия или отсутствия осадков, что приводит к перерасходу электроэнергии. В результате обслуживающий персонал вынужден вручную включать и выключать систему в зависимости от погодных условий. Недостатком также является наличие потерь на вихревые токи, индуцируемые в рельсе при питании резистивнного электронагревателя переменным током.
Задачей настоящего технического решения являлась разработка устройства обогрева стрелочного перевода, которое обеспечивает пониженный расход электроэнергии.
Поставленная задача решается тем, что устройство обогрева стрелочного перевода включает датчик температуры наружного воздуха, регулируемый источник питания переменного тока и подключенный к источнику соизмеримый по длине с рамным рельсом и прикрепленный к нему резистивный электронагреватель, выполненый в виде охваченных термостойким изоляционным слоем двух параллельных лент - резистивной низкоомной и теплоизоляционной и установленный на верхней площадке подошвы рамного рельса со стороны остряка между его подушками скольжения и шейкой рамного рельса без теплового контакта с ним, источник питания содержит силовой трансформатор, первичная обмотка которого соединена с линейной сетью переменного тока через симистор, управляющий электрод симистора подключен к блоку управления с цепью запуска, а первый вход блока управления соединен с выходом датчика температуры наружного воздуха. Новым в устройстве является то, что устройство содержит блок контроля влажности и силовой выпрямительный мост, термостойкий изоляционный слой резистивного электронагревателя выполнен гигроскопичным, низковольтная вторичная обмотка силового трансформатора подключена к резистивному электронагревателю через силовой выпрямительный мост, а блок контроля влажности первым входом соединен с резистивным электронагревателем, вторым входом подключен к подошве рамного рельса, а выходом соединен со вторым входом блока управления.
Термостойкий гигроскопичный изоляционный слой резистивного электронагревателя может быть выполнен, например, из препрега базальтового волокна.
Настоящее устройство обогрева стрелочного перевода позволяет определить наличие снега и льда непосредственно на поверхности нагревательного элемента и включать в работу резистивнный электронагреватель лишь при их наличии. Экономия электроэнергии достигается также при питании резистивнного электронагревателя через силовой выпрямительный диодный мост, убирающий потери на вихревые токи в рельсе за счет питания электронагревателя постоянным током.
Настоящее устройство обогрева стрелочного перевода поясняется чертежом, где:
на фиг. 1 изображено сечение резистивного электронагревателя;
на фиг. 2 приведена принципиальная схема настоящего устройства обогрева стрелочного перевода.
2
Устройство для обогрева стрелочного перевода включает датчик (ДТ) 1 температуры наружного воздуха, регулируемый источник 2 питания переменного тока и подключенный к источнику 2 соизмеримый по длине с рамным рельсом 3 и прикрепленный к нему резистивный электронагреватель 4. Резистивный электронагреватель 4 (см. фиг. 1 - фиг. 2) содержит две параллельно расположенные ленты: резистивную низкоомную ленту 5, например, из нержавеющей стали 1Х18Н10Т сечением 2×10 мм, и теплоизоляционную ленту 6, например, из препрега базальтового волокна. Обе ленты 5 и 6 размещены в термостойком гигроскопичном изоляционном слое 7, выполненном, например, из препрега базальтового волокна. Резистивный электронагреватель 4 стороной теплоизоляционной ленты 6 устанавливают в стрелочном желобе на верхней площадке подошвы рамного рельса 3 со стороны остряка между подушками скольжения остряка и шейкой рамного рельса 3 без теплового контакта с ним. Источник 2 питания содержит силовой трансформатор 8, первичная обмотка 9 которого соединена с линейной сетью переменного тока через симистор 10. Управляющий электрод симистора 10 подключен к блоку управления (БУ) 11 с цепью запуска (на чертеже не показан). Низковольтная вторичная обмотка 12 силового трансформатора 8 подключена к резистивному электронагревателю 4 через силовой выпрямительный мост 13. Первый вход БУ 11 соединен с выходом ДТ 1. Второй вход БУ 11 подключен к выходу блока контроля влажности (БКВ) 14. БКВ 14 первым входом соединен с резистивным электронагревателем 4, вторым входом подключен к подошве рамного рельса 3.
Устройство для обогрева стрелочного перевода работает следующим образом. При подаче питания схема управления БУ 11 получает значение температуры окружающего воздуха с ДТ 1, и если она соответствует значению, при котором возможно образование наледи или снега, подает команду симистору 10 на включение силового трансформатора 8 на малую мощность для доведения температуры резистивного электронагревателя 4 выше плюсовой отметки с целью растапливания снега и льда при их возможном нахождении в пространстве остряка. По истечении заданного программой времени резистивный электронагреватель 4 выключается, и происходит измерение параметров термостойкого гигроскопичного изоляционного слоя 7. При регистрации сухого термостойкого гигроскопичного изоляционного слоя 7 устройство оставляет резистивный электронагреватель 4 выключенным на определенное время, по истечении которого опять будет включен контрольный прогрев резистивного электронагревателя 4 с последующим измерением параметров термостойкого гигроскопичного изоляционного слоя 7 (это произойдет лишь при температурах окружающего воздуха, соответствующих возможному образованию наледи и снега). Такие периоды прогрева резистивного электронагревателя 4 затрачивают минимальную мощность и необходимы для растапливания сухого снега, который при пониженной температуре не может увлажнить термостойкий гигроскопичный изоляционный слой 7 и вызвать изменение его параметров. При регистрации влажного термостойкого гигроскопичного изоляционного слоя 7 резистивный электронагреватель 4 включается на мощность, вычисленную БУ 11 в зависимости от показаний ДТ 1 для удаления наледи и снега из пространства остряка.
2
Были изготовлены два опытных образца устройства обогрева стрелочного перевода с резистивной низкоомной лентой из нержавеющей стали 1Х18Н10Т сечением 2×10 мм. В одном образце резистивная низкоомная лента имела длину 4 метра (ток 170 А), а в другом образце резистивная низкоомная лента имела длину 8 метров (ток 70 А), на ленты подавали напряжение 24 В. В качестве гигроскопичного изоляционного материала была применена лента из базальтового препрега. В качестве силового симистора был использован симистор марки SEMIKRON SKKT57B12E, в качестве блока управления был использован микроконтроллер AtMega8, был применен датчик температуры AD22100. В качестве блока контроля влажности бал использован второй микроконтроллер AtMega8. Проведенные опытные натурные испытания устройства обогрева стрелочного перевода показали снижение энергопотребления на 20-35% по сравнению с устройством-прототипом, которое управлялось персоналом в ручном режиме.