ЭЛЕКТРОПРИВОД КОЛЕСОСБРАСЫВАТЕЛЯ (ЭПКСБ)

Полезная модель относится к области железнодорожной техники, к автоматическим устройствам стрелочных переводов, в частности к устройствам защиты от случайного ухода вагонов со станционных на главные пути - колесосбрасывателей.
Колесосбрасыватели (КСБ) устанавливаются на станциях для предупреждения самопроизвольного ухода подвижного состава на главные пути. Колесосбрасыватели могут использоваться в качестве предохранительных устройств в местах, где возможно возникновение аварийных ситуаций вследствие отказов других технических средств.
Существующие колесосбрасыватели, укомплектованные электроприводами (ЭП) стрелочных переводов, не отвечают постоянно растущим требованиям по надежности, предъявляемым к системам безопасности железнодорожной автоматики, а также требованиям по сокращению затрат на регламентное и эксплуатационное обслуживание и сокращению участия человека в работе систем безопасности.
Известны стрелочные электроприводы, содержащие смонтированные в общем корпусе электродвигатель, понижающий многоступенчатый механический редуктор с фрикционной муфтой сцепления, главный вал с шестерней, находящийся в реечном зацеплении с рабочим шибером, автопереключателем ножевого типа, контрольными линейками, элементом обогрева (SU 1837026 А1, 30.08.1993).
Недостатками известного решения являются сложность конструкции, вероятность заклинивания шибера, низкую надежность из-за наличия большого числа быстровращающихся узлов и деталей, элементов скольжения, требующих интенсивной смазки.
Известен также электропривод стрелочный агрегатно-модульный, включающий в себя модуль с электродвигателем, парой "ходовой винт-гайка", передающей поступательное перемещение острякам стрелки через остряковые тяги, и замыкающей частью, предназначенной для фиксации положения остряков и выполненной в виде кляммерного механизма (RU 2235030, 27.08.2004).
В привод введены устройство внешнего замыкания остряков, состоящее из профильных линеек и рычажно-профильного запирающего блока, и система диагностики состояния, а модуль расположен в межшпальном пространстве и выполнен в виде связанных между собой валом передачи вращательного движения агрегатов электродвигательного, включающего в себя электродвигатель, и кинематико-замыкающего, включающего в себя пару "ходовой винт-гайка" и замыкающую часть, при этом каждый из указанных агрегатов размещен в отдельном корпусе, корпуса агрегатов выполнены с возможностью раздельного закрепления на шпалах, электродвигательный агрегат расположен сбоку от рельсовой колеи.
Недостатком данного устройства является также пониженная надежность работы и сложность конструкции.
Задача данной полезной модели - исключить указанные выше недостатки за счет создания новой конструкции электропривода колесосбрасывателя.
Технический результат, достигаемый при реализации заявленной полезной модели, заключается в повышении надежности электропривода колесосбрасывателя за счет использования современной элементной базы, новых конструктивных принципов, применения бесконтактного электродвигателя со встроенным контролем положения и диагностики; в обеспечении малообслуживаемости электродвигателя; в повышении ресурса работы, снижении расходов при эксплуатации, уменьшении массы и металлоемкости готового изделия.
Указанный технический результат достигается тем, что в электроприводе колесосбрасывателя, содержащем смонтированные в общем корпусе модуль с электроприводом и устройство управления, контроля и диагностики, согласно изобретению, модуль с электроприводом представляет собой мотор-редуктор, включающий электродвигатель, редуктор и шибер, а устройство управления и контроля включает датчики контроля конечного положения шибера.
В качестве редуктора в модуле с электроприводом используется механический планетарный редуктор с винтовой парой.
В одном из вариантов выполнения изделия, планетарный редуктор состоит из двух одинаковых планетарных рядов с остановленными эпициклами.
В другом варианте выполнения изделия, планетарный редуктор содержит один планетарный ряд, а эпицикл связан с корпусом через зубчатую муфту.
Винтовая пара механического планетарного редуктора выполнена с трапецеидальной, однозаходной резьбой.
В качестве электродвигателя используется бесконтактный двигатель с постоянными магнитами на многополюсном роторе, напрессованном на вал.
Устройство управления, контроля и диагностики состоит из размещенных в одном корпусе печатной платы и радиатора, на котором закреплен через теплопроводящую электроизолирующую прокладку интегральный силовой логический модуль.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена структурная схема электродвигателя колесосбрасывателя; на фиг.2 - кинематическая схема мотор-редуктора; на фиг.3 - синхронная машина электродвигателя; на фиг.4 - функциональная схема устройства управления, контроля и диагностика; на фиг.5 - принципиальная схема диагностики; на фиг.6 - алгоритм предотказного состояния электродвигателя колесосрабатывателя.
Электродвигатель колесосбрасывателя предназначен для обеспечения передачи на гарнитуру усилия, необходимого для надежной установки и удержания сбрасывающего башмака. Представляет собой систему (см. фиг.1), состоящую из следующих основных элементов:
- мотор-редуктора, включающего электродвигатель, редуктор, шибер;
- устройства управления, контроля и диагностики, включающего датчики контроля конечного положения шибера.
Электродвигатель через редуктор обеспечивает необходимое усилие шибера, а также по команде устройства управления и контроля обеспечивает дополнительное запирание и удержание шибера. Редуктор передает усилие электродвигателя на шибер и обеспечивает необходимую величину рабочего хода, а также запирание и удержание шибера в крайних положениях.
Мотор-редуктор колесосбрасывателя включает в себя электродвигатель 1 (см. фиг.2) и механический планетарный редуктор 2 с винтовой парой 3. Винт выполнен заодно с шибером 4, на торце которого выполнена проушина для соединения через гарнитуру со сбрасывающим башмаком.
Электродвигатель 1 соединен с корпусом привода. Вал электродвигателя полый. Внутри него расположены часть винта и вал ручного привода 5, наличие которого позволяет, при необходимости, осуществлять перевод электродвигателя колесосбрасывателя вручную. С противоположенной от двигателя стороны на корпусе 6 расположена опора шибера 4 с уплотнениями. В корпус заливается масло, которое при вращении планетарных рядов разбрызгивается, создавая масляный туман, обеспечивающий смазку и охлаждение деталей привода.
Опорой винтовой пары 3 и водила второго планетарного ряда служат два роликовых конических подшипника ПЗ. Водило первого ряда опирается на два шариковых радиальных подшипника П4. В опорах сателлитов g установлены по два шариковых радиальных подшипника П1 и П2.
Вал ручного привода 5, с одной стороны, опирается на шариковый радиальный сферический двухрядный подшипник П5, с другой стороны, входит в зацепление с внутренним зубчатым венцом, выполненным на водиле первого ряда.
Результаты расчета показывают, что прочность и выносливость узлов редуктора имеют хорошие коэффициенты запаса (не менее 2,7), а циклические напряжения практически не ограничивают их долговечность.
Одним из технических результатов, достигаемых при реализации данного электропривода колесосбрасывателя, является минимизация массогабаритных показателей. Данное условие достигается за счет использования внутреннего диаметра ротора для перемещения шибера.
Электродвигатель имеет принципиально два узла - синхронную машину с постоянными магнитами и электронный узел. Синхронная машина, приведенная на фиг.3 содержит многополюсный ротор с постоянными магнитами 7, напрессованный на вал 8. Статор 9 выполнен из шихтованной электротехнической стали. На зубцах статора 9 намотана обмотка 10. Питание обмотки статора осуществляется от электронного узла через разъем 11. Обязательным элементом электродвигателя является датчик положения ротора 12, выполненный на магниточувствительных элементах и срабатывающий от многополюсной магнитной шайбы 13. Все элементы синхронной машины заключены в корпус 14 с подшипниками.
Из описанного устройства электродвигателя следует, что, в отличие от применяемого ранее коллекторного двигателя постоянного тока классической конструкции, он не содержит каких-либо контактных или быстро изнашивающихся частей, а все тепло выделяется только в статоре. Это обеспечивает высокую надежность и срок службы без регламентных работ в самых тяжелых условиях эксплуатации.
Устройство управления, контроля и диагностики конструктивно состоит из печатной платы, размещенной в одном корпусе. На корпусе также расположен радиатор, на котором закреплен через теплопроводящую электроизолирующую прокладку интегральный силовой логический модуль. На стенке устройства управления имеется разъем для соединения с электродвигателем.
Конструкция устройства управления, контроля и диагностики обеспечивает стойкость к механическим нагрузкам и климатическим факторам в соответствии с предъявляемыми нормативами требованиями.
На фиг.4 приведена функциональная схема устройства управления, контроля и диагностики. Устройство работает следующим образом.
Напряжение питания (Un) поступает на вторичный источник питания (ВИЛ), который вырабатывает низковольтные напряжения постоянного тока для питания устройства управления (УУ), силового транзисторного коммутатора (СТК), находящихся в составе устройства управления, контроля и диагностики, и питания датчика положения ротора (ДПР), находящихся в составе двигателя.
Устройство управления (УУ) по сигналу датчика положения ротора (ДПР) и датчика тока (ДТ) проводит расчет и обеспечение следующих режимов работы двигателя:
- достаточное усилие и необходимую величину рабочего хода шибера,
- запирание шибера в крайних положениях,
- постоянный контроль положения шибера,
- торможение электродвигателя,
- исправности электрических цепей контроля и диагностики изделия в целом, а так же обеспечивает два режима индикации «Предотказное состояние» и «Аварийное состояния».
Силовой транзисторный коммутатор (СТК) представляет собой интегральный силовой логический модуль (инвертор), в состав которого входит буферный каскад (БК), коммутатор (К), выполненный на шести полевых транзисторах, соединенных по мостовой схеме, ДТ и температуры (Дt°). К коммутатору подключены обмотки двигателя, соединенные "звездой".
При протекании тока через обмотки создается электромагнитное поле, взаимодействующее с постоянными магнитами на роторе двигателя и приводящее его в движение.
Датчики положения ротора представляют собой микросхемы, работа которых основана на эффекте Холла. Датчики передают информацию о положении ротора на устройство управления, которое через буферный каскад управляет включением полевых транзисторов коммутатора. Закон коммутации предусматривает, что в каждый момент времени открыты верхний и нижний ключи, и ток проходит через две фазы двигателя.
Буферный каскад служит для передачи и усиления низковольтных слаботочных сигналов с устройства управления на высоковольтный коммутатор. Датчик тока, выполненный на низкоомном резисторе, совместно с устройством управления служит для ограничения пускового тока и тока потребления при перегрузке двигателя. Датчик температуры (Дt°) совместно с устройством управления не допускает перегрев полевых транзисторов.
В момент превышения допустимого значения тока устройство управления запирает силовые ключи коммутатора и ток в обмотке двигателя начинает спадать. После снижения тока потребления нормальная работа коммутатора возобновляется.
При превышении температуры, выделяемой на транзисторах, устройство управления отключает коммутатор. При достижении рабочей температуры работа коммутатора возобновляется.
Кроме этого блок управления автоматически отключается через 20 с или при снижении напряжения питания ниже предельно допустимого.
В этих случаях для запуска двигателя необходимо произвести его повторное включение.
Датчик напряжения, входящий в состав вторичного источника питания (ВИП), преобразует сигналы управления (направления вращения) высокого уровня напряжения в сигналы низкого уровня, необходимые для работы устройства управления (УУ).
Интерфейс последовательного кода (ИПКС) обеспечивает согласование сигналов устройства управления (диагностика привода) и пульта централизованного диспетчерского контроля.
Индикатор обеспечивает светодиодную индикацию.
Нагреватель необходим для обогрева устройства управления, контроля и диагностики при температурах ниже минус 40°C, так как существующая элементная база для более низких температур выпускается только в специальном исполнении, имеет очень высокую стоимость и не всегда доступна.
Устройство управления, контроля и диагностики обеспечивает управление и контроль положения шибера (в том числе при обрыве тяги) по сигналам датчика положения ротора электропривода, бесконтактных магниторезистивных датчиков и величине тока, контроль исправности электрических цепей и диагностику состояния мотор-редуктора, а также проводит самодиагностику электродвигателя (см. фиг.5).
Для диагностики рабочего состояния электродвигателя колесосбрасывателя электродвигатель имеет два информационных канала:
- рабочий ток электродвигателя, с высокой степенью точности пропорциональный моменту на валу;
- датчик положения ротора электродвигателя, выдающий 16 импульсов за один оборот.
Информация о рабочем токе позволяет судить об усилии на валу в каждый момент времени и о динамике нарастания/спада усилия. Например, при заклинивании электродвигателя колесосбрасывателя ток резко возрастает, а при разрыве механических соединений с гарнитурой - падает. Имея «эталонную» характеристику зависимости усилия на валу от времени работы и периодически сравнивая ее с реальной, можно судить об изменениях во времени параметров электропривода.
По информации с датчика положения ротора электродвигателя можно определять с высокой степенью точности величину перемещения электродвигателя колесосбрасывателя, скорость перемещения и ускорение. Периодически измеряя перемещение электродвигателя, можно судить об его изменении во времени вплоть до критического. По скорости перемещения определяют время перемещения и его изменения; по ускорению - динамику разгона/останова электродвигателя.
Эта информация позволяет проводить диагностику по фактическому состоянию следующих параметров:
1. величина хода шибера;
2. обрыв тяги;
3. состояние редуктора, подшипников;
4. время перевода шибера;
5. усилие перевода шибера.
Дополнительно блок управления электродвигателя может выдавать информацию об уровне напряжения на входе двигателя и его изменениях во времени и проводить самодиагностику работы электродвигателя.
Самодиагностика работы электродвигателя может включать в себя контроль следующих параметров:
- пусковой ток электродвигателя;
- температуру обмоток;
- температуру транзисторов коммутатора;
- скорость следования импульсов с электродвигателя;
- стабильность скорости следования импульсов;
- ускорение торможения;
- напряжение питания датчиков положения ротора.
В виде упрощенного варианта по принципу «красный-желтый-зеленый» предлагается следующий алгоритм диагностики предотказного состояния работы электропривода, приведенный на фиг.6, где:
«зеленый» - нормальная работа;
«желтый» - предельно допустимое предотказное состояние, определяемое совокупностью отклонений параметров электродвигателя от заданных значений;
«красный» - аварийное состояние.
Разработанная конструкция электропривода по функциональным характеристикам обеспечивает достижение заявленного технического результата. Принятые параметры узлов и деталей привода обеспечивают необходимую механическую прочность и долговечность всего привода с коэффициентом запаса не менее 2,4.
Электродвигатель может использоваться как при питании постоянным током, в том числе и от аккумуляторных батарей, так и переменного тока трехфазных и однофазных сетей; использование «электронной фрикции» вместо механической приводит к еще большему повышению надежности и снижению эксплуатационных издержек; уменьшенные массо-габаритные показатели электродвигателя позволят уменьшить габариты и материалоемкость серийных стрелочных электроприводов.
Наличие импульсного датчика положения ротора электродвигателя позволяет иметь точную информацию о перемещении, скорости и ускорении перевода шибера, что в сочетании с микропроцессором может дополнительно диагностировать режимы функционирования серийных стрелочных электроприводов.
Особенности конструкции электродвигателя (полый ротор) позволят создать компактный мотор-редуктор, действующий по принципу «винт-гайка» для шпальных вариантов серийных стрелочных электроприводов.