УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НАГРЕВА ПОДШИПНИКОВ ОСЕЙ ВАГОНА
DEVICE TO CONTROL WHEELSET AXLE BEARING TEMPERATURE

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта, а конкретнее к устройствам для обнаружения и индикации перегрева частей или узлов, в частности для обнаружения и индикации перегрева осевых подшипников.
Известно устройство, контролирующее температуру нагрева подшипников осей вагона, содержащее датчики температуры нагрева подшипников осей вагона в виде позисторных термосопротивлений, корпуса которых установлены в отверстиях букс вагона, соединенные последовательно друг с другом и с первым входом блока сравнения, второй вход которого связан с источником опорного напряжения, а выходы блока сравнения соединены с входами блоков световой и звуковой индикаций, а также источник питания устройства, соединенный с бортовой сетью вагона (см. Инструкция по техническому обслуживанию системы контроля нагрева букс с позисторными термодатчиками на пассажирских вагонах (СКНБП). М.: МПС, Главн. управл. вагон. хоз-ва, 1983).
Недостатком данного устройства является отсутствие возможности определения местонахождения перегретой буксы вагона, контроля пробоя датчика на корпус, определения местонахождения неисправностей в цепи датчиков (обрыв проводов, короткое замыкание, пробой на корпус), что связано с малым сопротивлением позисторных термодатчиков и их последовательным соединением в устройстве. Кроме того, используемые в системе термодатчики имеют однократное использование, так как после перегрева букс они теряют стабильность своих характеристик. Все это усложняет регулировку устройства, увеличивает трудоемкость определения местонахождения перегретой буксы и неисправного датчика, снижает надежность работы и долговечность эксплуатации.
Известно устройство для контроля температуры нагрева подшипников осей вагона, содержащее датчики температуры нагрева в виде обратных "p-n" переходов полупроводниковых элементов, корпуса которых установлены в отверстиях букс вагонов, связанные с первым входом блока сравнения, второй вход которого соединен с источником опорного напряжения, а выход блока сравнения соединен с первым входом блока световой индикации, блок звуковой индикации и источник питания устройства, соединенный с бортовой сетью вагона, датчики температуры соединены с блоком сравнения параллельно (Патент РФ №2090417, МПК B61K 9/04, B61K 9/06, БИ №26, «Устройство для контроля температуры нагрева подшипников осей вагона», авторы: Дубинин А.Е., Тельнов С.Л., Зингер О.Г.).
Недостатком данного устройства является то, что оно контролирует температуру только в текущий момент времени, не отслеживает процесс ее изменения, и, соответственно, не позволяет производить прогнозирование процесса нагрева букс в ходе эксплуатации вагона.
Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.
Техническим результатом является расширение функциональных возможностей устройства путем контроля процесса изменения температуры и скорости нагрева буксы вагона, позволяющего прогнозировать по времени момент достижения критической температуры буксы, повышение помехоустойчивости и чувствительности системы.
Технический результат достигается тем, что в устройство контроля температуры нагрева подшипников осей вагона, содержащем датчики температуры нагрева, размещенные в корпусах, установленных в отверстиях букс вагона, блок сравнения, первый вход которого соединен с источником опорного напряжения, а его выход соединен с первым входом блока световой индикации, блок звуковой индикации и источник питания устройства, подключенный к бортовой электросети вагона, блок памяти, фильтр нижних частот, логический блок формирования сигналов управления звуковой сигнализацией, блок фиксации короткого замыкания датчика на корпус и блок синхронизации, выход которого соединен со входом источника опорного напряжения, управляющим входом датчиков и одним из входом блока памяти, другие входы которого соединены с выходами блока сравнения, а выходы связаны со вторым входом блока световой индикации и первыми входами логического блока, второй вход которого через фильтр нижних частот связан с другим выходом блока памяти, а выход соединен со входом блока звуковой индикации, блок фиксации короткого замыкания датчика на корпус своими входами соединен с выходами датчиков температуры нагрева, а выход блока соединен с третьим входом блока световой индикации, дополнительно введены входной контур, преобразователь амплитуды импульсов, масштабный импульсный усилитель, линия задержки, блок контроля скорости изменения температуры и блок индикации, при этом датчик температуры выполнен в виде ферритового магнитопровода с обмоткой возбуждения и измерительной обмоткой, входной контур выполнен в виде аналогичного магнитопровода с обмоткой возбуждения и измерительной обмоткой, при этом обмотки возбуждения датчика и входного контура соединены последовательно-согласно, а их измерительные обмотки соединены последовательно-встречно, и через контурный конденсатор входного контура подключены к преобразователю амплитуды импульсов, выход которого через масштабный импульсный усилитель соединен с первым входом блока сравнения, второй вход масштабного импульсного усилителя соединен с выходом блока синхронизации, а выход блока сравнения соединен через линию задержки с первым входом блока контроля скорости изменения температуры, второй вход которого соединен с выходом блока сравнения, а выход блока контроля скорости изменения температуры соединен со входом блока индикации.
Введение таких блоков, как блок контроля скорости изменения температуры, линия задержки и блок индикации, позволяют контролировать процесс изменения температуры и скорости нагрева буксы вагона, введение преобразователя амплитуды импульсов и масштабного импульсного усилителя повышает помехоустойчивость системы, а использование входного контура повышает ее чувствительность.
На фиг.1 представлена блок-схема устройства контроля температуры нагрева подшипников осей вагона, а на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства.
Устройство контроля температуры нагрева подшипников осей вагона состоит из датчика 7, системы обработки 2, блока индикации и оповещения 3, входного контура 4, преобразователя амплитуды импульсов 5, масштабного импульсного усилителя 6, блока сравнения 7, блока синхронизации 8, источника опорного напряжения 9, блока памяти 10, блока световой индикации 11, фильтра нижних частот 12, блока логики 13, блока звуковой индикации 14, блока контроля короткого замыкания датчика на корпус 15, линии задержки 16, блока контроля скорости изменения температуры 17, блока индикации 18, источника питания 19.
Датчик температуры 1 устанавливается в отверстии буксы вагона. Он выполнен в виде ферритового кольцевого элемента, содержащего две обмотки: обмотку возбуждения и измерительную обмотку. Аналогично выполнен и входной контур 4, содержащий кольцевой элемент такого же типоразмера. Обмотки датчика и входного контура соединены по дифференциально-трансформаторной схеме: обмотки возбуждения соединены последовательно-согласно, измерительные - последовательно-встречно. К тому же параллельно измерительным обмоткам подключен контурный конденсатор, создающий в цепи околорезонансный режим, для повышения чувствительности системы измерения. Таким образом, входной контур системы 4 играет роль компенсационного элемента. Вся система контроля подразумевает наличие нескольких датчиков (например, восьми для одного вагона), которые подключатся параллельно. Для упрощения структурной схемы система изображена с одним термодатчиком. Вход датчика 1 и входного контура 4 соединен с выходом блока синхронизации 8. Выход входного контура соединен со входом астатического компенсационного преобразователя амплитуды импульсов в постоянное (квазипостоянное) напряжение 5, выход которого соединен с управляющим входом масштабного импульсного усилителя 6, сигнальный вход которого соединен с выходом блока синхронизации 8. Выход масштабного импульсного усилителя 6 соединен с первым входом блока сравнения 7, второй вход которого соединен с источником опорного напряжения 9. Выходы блока сравнения 7 соединены с блоком памяти 10 и первым входом блока световой индикации 11. Сигналы с блока памяти 10 поступают на второй вход блока световой индикации 11 и блок логики 13, на второй вход которого сигналы поступает также с блока памяти, но прошедшие через фильтр нижних частот 12. Управляющий сигнал с выхода блока логики 13 поступает на вход блока звуковой индикации 14.
Блок контроля короткого замыкания датчика на корпус 15 своими входами соединен с выходами масштабного импульсного усилителя 6, а выходами - с третьим входом блока световой индикации 11.
Блок контроля скорости изменения температуры 17 своим первым входом соединен с выходом блока сравнения 7, а вторым - соединен с тем же выходом блока сравнения, но через линию задержки 16. Выход блока контроля скорости изменения температуры 17 соединен со входом блока индикации 18.
Питание системы контроля осуществляется с помощью источника питания 19.
а
Устройство контроля температуры нагрева подшипников осей вагона работает следующим образом. При включении источника питания 19 напряжение с него подается на все блоки схемы устройства. Блок синхронизации 8 создает задающий низкочастотный сигнал  прямоугольной формы. Затем из задающего сигнала а по его переднему фронту сформирован сигнал b, а по заднему фронту - сигнал с, длительностью импульсов 3t. Здесь же из задающего сигнала а по его переднему фронту сформирован сигнал d длительностью импульсов 2t.
Сигнал d от блока синхронизации 8 подается на входной контур 4 и датчик 1. В случае отсутствия температурного воздействия магнитные проницаемости чувствительного элемента датчика 1 и компенсационного элемента входного контура 4 равны и дифференциально-трансформаторная схема скомпенсирована - на выходе измерительных обмоток нулевой сигнал. При температурном воздействии на чувствительный элемент происходит изменение его магнитной проницаемости. Появляется разностный сигнал на выходе измерительных обмоток, который имеет форму импульсов, амплитуда которых нарастает по экспоненциальному закону и меняется в зависимости от величины температурного воздействия (величины измеряемой температуры). Полезная информация содержится только в амплитуде импульсов, для выделения которой использован астатический компенсационный преобразователь амплитуды импульсов в постоянное (квазипостоянное) напряжение 5. Сигнал с датчика поступает на его вход, а на его выходе формируется постоянное напряжение, пропорциональное температуре, измеряемой датчиком.
Сигнал с выхода преобразователя амплитуды импульсов 5 поступает на управляющий вход масштабного импульсного усилителя 6, на сигнальный вход которого поступает та же импульсная последовательность, что и на датчик 1. Таким образом, масштабный импульсный усилитель осуществляет изменение амплитуды импульсной последовательности (сигнал d) с блока синхронизации 8 пропорционально изменению температурного воздействия на датчик 1 - данное техническое решение позволяет повысить помехоустойчивость системы, т.к. сигнал, несущий информацию о температуре и используемый далее в системе контроля, формируется заново с помощью масштабного импульсного усилителя 6 под воздействием управляющего сигнала с выхода преобразователя амплитуды импульсов 5.
Сигналы b и c с выхода блока синхронизации 8 поступают на источник опорного напряжения 9, который формирует опорный трехуровневый сигнал е относительно двухполярного напряжения питания f. Средний уровень сигнала е определяет порог срабатывания устройства. Опорный сигнал е подается на блок сравнения 7, на который одновременно подается сигнал g с выхода масштабного импульсного усилителя 6 длительностью 2t. Сигнал g показан в нормальном режиме работы датчиков, т.е. при отсутствии перегрева подшипников. На выходе блока сравнения 7 в этом случае появляется сигнал h, равный разности опорного е и нормального сигнала g датчика длительностью t. Этот сигнал h поступает на первый вход блока световой индикации 11, вызывая ее мерцание и, тем самым, подтверждая работоспособность схемы устройства. Помимо этого, сигналы, сформированные блоком синхронизации 8, используются для тактирования работы блоков памяти 10 и блока логики 13.
При перегреве подшипников осей вагона температура нагрева датчиков превышает пороговую температуру, на которую настраивается устройство, и происходит изменение их магнитных проницаемостей. Сигнал g с выхода масштабного импульсного усилителя 6 изменяет свой верхний уровень. На выходе блока сравнения 7 появляется разностный сигнал k сигналов e и g, импульсы которого имеют различную длительность - 3t и 2t. Этот сигнал поступает на блок световой индикации 11 и блок памяти 10. При этом световая индикация светится постоянно, указывая на перегрев соответствующего подшипника и его местонахождение. Блок звуковой индикации 14 при этом формирует постоянный звуковой сигнал под действием управляющего сигнала с блока логики 13. При устранении перегрева или остывании подшипника устройство автоматически возвращается в исходное состояние, отключая оба вида индикаций.
На блок контроля скорости изменения температуры 17 синхронно поступают два сигнала: сигнал r непосредственно с выхода блока сравнения 7 и сигнал q, полученный аналогично сигналу r с выхода блока сравнения 7, но прошедший через линию задержки 16. Последняя задерживает проходящий через нее сигнал на время, соизмеримое со временем, за которое букса вагона, в процессе нормальной эксплуатации, может изменить значение своей температуры на величину чувствительности системы контроля. Блок 17 вычитает из обычного сигнала r задержанный сигнал q, формируя разностный сигнал x, а так как задержка сигналов известна, то эту разность можно принимать за скорость изменения температуры, тем самым выдавая прогноз о возможном достижении температуры буксы критического значения. При повышении температуры буксы сигнал r с выхода блока сравнения 7 имеет более высокий верхний уровень, нежели сигнал q, прошедший через линию задержки 16. В этом случае блок контроля скорости изменения температуры 17 выдает положительный разностный сигнал x, величина верхнего уровня которого пропорциональна скорости увеличения температуры буксы, а знак, относительно нулевого значения y, указывает на ее повышение. В случае отсутствия изменений температуры буксы разностный сигнал на выходе блока 17 принимает нулевое значение y. Если температура буксы снижается, то изменится соотношение «обычного» сигнала с выхода блока сравнения 7 и задержанного, с выхода линии задержки 16: «обычным» станет сигнал q, а задержанным - r. В этом случае на выходе блока 17 появится отрицательный разностный сигнал z, величина нижнего уровня которого относительно нулевого значения y также будет указывать на скорость изменения температуры буксы, а отрицательный знак будет свидетельствовать о снижении температуры. Сигнал с выхода блока контроля скорости изменения температуры 17 поступает на блок индикации 18.
При коротком замыкании в цепи датчиков 1 на входе блока сравнения 7 появляется сигнал l, вызывая на его выходе появление импульсного сигнала m, длительностью 2t. Сигнал m поступает на блок памяти 10 и с него на второй вход блока световой индикации 11; одновременно через фильтр нижних частот 12, который усредняет импульсы по уровню, поступает на блок логики 13. Блок логики 13 запускает блок звуковой индикации 14, формируя прерывистый звуковой сигнал. При этом световая индикация блока 11 светится постоянно, определяя местоположение короткого замыкания в цепи датчиков.
При обрыве в цепи датчиков на входе блока сравнения 7 появляется сигнал n. На его выходе появляется разностный сигнал p сигналов e и n, импульсы которого имеют длительность 3t. Далее сигнал p через блок памяти 10 поступает на второй вход блока световой индикации 11 и, одновременно через фильтр нижних частот 12 и блок логики 13, поступает на вход блока звуковой индикации 14, формируя прерывистые световой и звуковой сигналы и определяя тем самым местонахождение обрыва в цепи датчиков.
При коротком замыкании плюсового провода датчика на корпус сигнал с выхода масштабного импульсного усилителя 6 поступает на вход блока короткого замыкания на корпус 15 и с его выхода подается на блок световой индикации 11, определяя аварийное состояние соответствующего датчика и его местонахождение. При этом управление прерывистой звуковой индикацией осуществляется подачей сигнала по цепи - датчик 1, входной контур 4, преобразователь амплитуды импульсов 5, масштабный импульсный усилитель 6, блок сравнения 7, блок памяти 10, фильтр нижних частот 12, блок логики 13 и блок звуковой индикации 14.
При коротком замыкании минусового провода датчика на корпус присутствует только световая индикация блока 11 за счет сигнала по цепи - датчик 1, входной контур 4, преобразователь амплитуды импульсов 5, масштабный импульсный усилитель 6, блок короткого замыкания на корпус 15, третий вход блока световой индикации 11.
Введение дополнительных элементов в виде блока контроля изменения температуры, линии задержки, блока индикации, преобразователя амплитуды импульсов, масштабного импульсного усилителя, входного контура и датчиков в виде ферритовых магнитопроводов позволяет расширить функциональные возможности устройства путем контроля процесса изменения температуры и скорости нагрева буксы вагона, что позволяет в свою очередь прогнозировать во времени момент достижения критической температуры буксы. Помимо этого повышаются помехоустойчивость системы, ее чувствительность и точность, а также снижается стоимость устройства.