СПОСОБ КОНТРОЛЯ РАБОЧЕГО СОСТОЯНИЯ СТРЕЛОЧНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА
METHOD FOR OPERATING CONDITION CONTROL OF ELECTRIC SWITCH MECHANISM

Изобретение относится к способам контроля и управления стрелочными электроприводами.
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, двигатель которого снабжают датчиком положения ротора, выходные сигналы которого подаются на блок управления, в блок управления вводят 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 стрелок, 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 объекта получают в режиме реального времени, что позволяет судить о полученных результатах как более достоверных.
Недостаток данного устройства и реализуемого им способа заключается в сложности и не достоверности 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 происходит 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 и температуре. 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 ускорению перемещения шибера, усилия на шибере, потребляемом токе, уровне напряжения питания, времени перевода, времени торможения и разгона.
Известен стрелочный электропривод (RU №112135), работающий следующим образом. При работе электропривода все его узлы и детали подвергаются механическому нагружению. Под воздействием приложенных нагрузок активно развиваются дефекты структуры металла (трещины, дефекты сварных швов расслоения и др.) Зарождение, развитие дефектов является источником 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 начинают 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.
К недостаткам данного устройства, а следовательно, и реализуемого им способа контроля следует отнести наличие в базе данных пороговых значений параметров АЭ, полученных от электроприводов, имеющих предельную степень износа. Такая информация не всегда отражает истинное состояние узлов стрелочных приводов, что очень актуально для стрелочных электроприводов с интенсивным режимом работы.
Сортировочные горки выполняют функцию переработки составов, которая состоит из операций надвига, роспуска, осаживания вагонов на путях сортировочного парка и передачу горочных локомотивов в парк приема. Среднесуточная переработка на сортировочной горке большой мощности достигает 7000 вагонов, что обуславливает высокую загрузку техники и обслуживающего персонала. Средний интервал между отцепами на вершине горки, при указанной мощности, составляет менее 20 с, число переводов головной стрелки за сутки превышает 1500, поэтому контроль работоспособности стрелочных приводов является насущной необходимостью, без которой невозможно обеспечить увеличения объема, качества и безопасность сортировки вагонов. При этом необходимо стремиться к минимальным потерям от простоя горки, связанными с ремонтами или заменой стрелочного привода.
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 сортировке вагонов с крупногабаритными и взрывоопасными материалами.
При разработке заявляемого способа контроля стрелочного электропривода была поставлена задача повышения безопасности при переработке железнодорожного транспорта сортировочными горками.
В процессе решения поставленной задачи достигается технический результат, заключающийся в получении информации о предполагаемом остаточном ресурсе работоспособности стрелочного привода в целом или его отдельных узлов и деталей, а с учетом данной информации, принятии решения о дальнейшем использовании стрелочного привода для сортировки и прохождения вагонов с крупногабаритным или взрывоопасным грузом, а также в определении времени вывода стрелочного привода из эксплуатации, с минимальными потерями от простоя сортировочной горки.
Указанный технический результат достигается предлагаемым способом контроля рабочего состояния стрелочного электропривода, заключающийся в регистрации сигналов акустической эмиссии (АЭ) посредством пьезокерамических преобразователей, установленных на основных узлах и деталях стрелочного электропривода, усилении и фильтрации сигналов АЭ, программную обработку на ЭВМ сигналов АЭ, отображение графических и числовых параметров АЭ на дисплее ПК, при этом в качестве параметра сигналов АЭ, определяющего рабочее состояние основных узлов и деталей стрелочного электропривода, выбирают интегральную энергию от каждого узла и детали в отдельности за определенный период времени, причем состояние отдельного узла и детали стрелочного электропривода, требующего замены или ремонта, контролируют по значению интегральной энергии, более чем в два раз превышающему среднее значение интегральной энергии последних пяти периодов измерения.
По информации, с датчика акустической эмиссии, можно с высокой степенью точности идентифицировать в каком рабочем состоянии находится отдельный узел или деталь. При этом все частотные характеристики АЭ, в целом это интегральная энергия, которую излучают различные узлы и детали стрелочного электропривода при перемещения шибера, вращения зубчатых колес редуктора, трения дисков фрикционной муфты, ударов зубчатого колеса при замыкании шибера, вращения вала электродвигателя различаются по частоте, амплитуде и интенсивности АЭ. Каждый узел и деталь имеют широкий спектр сигналов АЭ. Определяя все указанные параметры, вычисляют интегральную энергию сигналов АЭ. Измеряя интегральную энергию в реальном режиме времени за определенный период времени и сравнивая ее со средним значением интегральной энергии последних пяти измерений, которые определяются в режиме реального времени, можно прогнозировать остаточный ресурс отдельных узлов и деталей стрелочного электропривода и определять своевременно вывод стрелочного электропривода из работы на ремонт или замену его отдельного узла.
Например, экспериментально установлено, что при износе фрикционных дисков муфты резко возрастает интегральная энергия акустического сигнала, это обусловлено тем, что в контакт между собой вступают пластины, в которых закреплены фрикционные диски. Такое возрастание интегральной энергии акустического сигнала говорит о том, что нужно менять фрикционную муфту, и что работоспособность ее начинает снижаться. Но это не требует экстренной остановки работы привода, его остаточный ресурс достаточный, чтобы отработать еще 15-30 часов.
Предлагаемый способ позволяет использовать классическую кривую зависимости износа исследуемого объекта во времени. На данной кривой имеется период времени, когда обычный износ переходит в интенсивный, связанный со значительным образованием дефектов как внутреннего, так и внешнего расположения. Предлагаемый способ позволяет определить период перехода нормального износа в интенсивный или катастрофический. Такой переход проходит не мгновенно, он несколько растянут во времени и фиксирование интегральной энергии акустической эмиссии за определенный промежуток времени позволяет вовремя вывести объект из эксплуатации с последующей его заменой или ремонтом (восстановлением). Промежуток времени, в течении которого проводится определение интегральной энергии для каждого отдельного узла или детали, подбирается отдельно с учетом интенсивности нагружения, материала и других факторов. Данный период в предлагаемом способе не заявляется, так как является ноу-хау для данного способа.
Предлагаемый способ реализуется 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 воздействию. Под воздействием приложенных механических нагрузок активно развивающиеся дефекты структуры металла (трещины, дефекты сварных швов расслоения и др.) становятся источниками акустической эмиссии. Установленные преобразователи АЭ обеспечивают выявление и регистрацию источников АЭ на отдельных узлах и деталях стрелочного привода.
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.
Работа программы сигнального процессора начинается с выделения «событий» из оцифрованного сигнала АЭ. Процессор непрерывно сравнивает поступающую от датчика величину интегральной энергии сигналов АЭ за определенный промежуток времени и контролирует среднее значение последних пяти периодов измерения. Превышение более чем в два раз среднего значения последних пяти периодов измерения интегральной энергии интерпретируется системой как наступление события.
После обработки и вычисления параметров события формируется блок информации, характеризующий событие, позволяющее прогнозировать остаточный ресурс отдельных узлов и деталей стрелочного электропривода и определять своевременно вывод стрелочного электропривода из работы в ремонт или замену его отдельного узла.
Поскольку стрелочный электропривод рассчитан на работу в течение нескольких лет, испытания проводились на приводах, имеющих различную степень износа отдельных узлов, а также с узлами привода после капитального ремонта. Испытания проводились на одном типе стрелочного электропривода СП6М.
-3
2
-1
Были исследованы следующие электроприводы: 1 - новый после заводских испытаний, 2 - имел изношенный редуктор, 3 - имел изношенный автопереключатель, 4 - имел замененный редуктор и автопереключатель. Определялась интегральная энергия W×10 (мВОм) от датчиков, установленных на отдельных узлах.
Результаты испытаний приведены в таблице.
Таблица
Узел установки датчика АЭ
Редуктор
Автопереключатель
Примечание
Номер электропривода
Среднее значение W×10<sup>-3</sup>, (мВ<sup>2</sup>Ом<sup>-1</sup>) последних пяти периодов измерения
Значение W×10<sup>-3</sup>, (мВ<sup>2</sup>Ом<sup>-1</sup>) текущего периода измерения
Среднее значение W×10<sup>-3</sup>, (мВ<sup>2</sup>Ом<sup>-1</sup>) последних пяти периодов измерения
Значение W×10<sup>-3</sup>, (мВ<sup>2</sup>Ом<sup>-1</sup>) текущего периода измерения
1
1.16
1.1
2.05
2.23
Привод исправен
Привод не
2
1.58
4.76
1.80
1.97
исправен, требуется замена
редуктора
Привод не
3
1.43
1.56
2.38
7.31
исправен, требуется замена
автопереключателя
4
2.11
2.29
3.57
3.98
Привод исправен
Полученные параметры АЭ подтвердили фактическое состояние, износ отдельных узлов и агрегатов привода и позволили получить информацию о предполагаемом остаточном ресурсе стрелочных приводов в целом и его отдельных узлов. Полученная информация позволит своевременно определить вывод стрелочного электропривода на ремонт или замену его отдельного узла.