УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИМ ГРЕБНЕСМАЗЫВАТЕЛЕМ

Полезная модель относится к вспомогательному железнодорожному оборудованию, а именно к устройствам управления нанесением смазки на гребни колес тягового и мотор-вагонного подвижного состава. Острота проблемы бокового износа гребней и бокового износа рельсов на железных дорогах МПС РФ достигла своего пика в середине 90-х годов прошлого века. Срок службы колесных пар и рельсов снизился в 4-6 раз. Для снижения износа рельсов и гребней применяют различные способы. Как показывает практика, наиболее эффективным способом повышения срока службы гребней колес и рельсов является нанесение смазки на гребни и рельсы. Для нанесения смазочного материала на рабочую поверхность гребней колесных пар известны локомотивные гребнесмазыватели контактного и бесконтактного типа. Наибольшее распространение на сети дорог МПС РФ получили бесконтактные автоматические гребнесмазыватели. В связи с этим существует необходимость развивать более эффективные средства автоматического управления гребнесмазывателями, в частности, устройства управления, которые учитывают не только показатели скорости, но и центростремительного ускорения.
2
Из уровня техники известен «Способ и система управления устройством для нанесения смазки на рельсы» (патент RU №2309075, МПК В61К 3/02). Изобретение заключается в том, что устанавливают устройство для нанесения смазки на рельсы на подвижном составе. Подвижной состав в начале и в конце по ходу его движения оборудуют соответственно радиомаяком, излучающим радиосигнал, и радиопеленгатором с электронным блоком управления, к которому подключают датчик скорости. Фиксируют радиопеленгатором в зависимости от формы кривизны рельсовой колеи участка пути угловое отклонение радиосигнала влево или вправо от продольной оси рельсовой колеи. Выдают через электронный блок управления команду на работу левого или правого устройства нанесения смазки на рельсы и измеряют на участке рельсовой колеи в каждое мгновение с помощью радиосигнала угол α между векторами скорости начала и конца подвижного состава, вычисляют в электронном блоке управления радиус R кривизны рельсовой колеи из соотношения R=(L/2)√ tgα+1, где
L - расстояние между радиомаяком и радиопеленгатором, выбираемое с необходимым упреждением начала смазки до вхождения устройства для нанесения смазки на рельсы на смазывание рельсов и дозировку смазки в зависимости от радиуса кривизны рельсовой колеи и скорости подвижного состава.
Система управления устройством для нанесения смазки на рельсы содержит радиомаяк для излучения сигналов, радиопеленгатор для приема радиосигналов с электронным блоком управления и датчиком скорости подвижного состава, при этом подвижной состав оборудован в начале и в конце по ходу его движения соответственно упомянутыми радиомаяком и радиопеленгатором для измерения угла α отклонения радиосигнала между векторами скоростей начала и конца подвижного состава, вычисления в электронном блоке управления радиуса R кривизны рельсовой колеи из упомянутого соотношения и подачи с помощью электронного блока управления команды на устройство для нанесения смазки на рельсы на смазывание рельсов и дозировку смазки в зависимости от радиуса кривизны рельсовой колеи и скорости подвижного состава.
Существенным недостатком известного технического решения является то, что оно работает при условии: L>50 м. Данное условие не распространяется на железнодорожный подвижной состав для транспортировки грузов, поскольку длина локомотива менее 50 м. Невозможно установить радиопеленгатор и устройство для нанесения смазки в конце хвостовой части подвижного состава, так как в конце по ходу движения находится обычный грузовой вагон, который не оборудован ни устройствами электропитания, ни баком для смазочного материала. Кроме того, устройство для нанесения смазки в известном техническом решении расположено в конце хвостовой части подвижного состава. Это означает, что смазывание рельсов происходит по сути после прохождения подвижного состава, на котором установлено данное устройство. Другим недостатком является то, что расчеты, производимые по формуле, представленной в известном техническом решении, не верны. Это можно доказать на примере. Пример поясняется схемой (см. приложение к разделу описания «Уровень техники»).
Пример. Грузовой состав длиной 1000 м, весом около 1000 тыс. тонн, после продолжительной прямой въезжает в кривую радиусом 601 м и длиной 544 м. Когда первый вагон подвижного состава 1 дойдет до конца криволинейного участка 3, сложится следующая ситуация: примерно половина состава будет находиться в кривой, а вторая половина, с системой управления рельсосмазывателем, установленной на последнем вагоне 2, еще на прямой. В данном случае угол альфа составит 51,85 градуса. Радиус, вычисленный по формуле прототипа, будет равен 809 м. Таким образом, ошибка в вычислении радиуса равна 34%. В результате устройство начнет подавать смазку до того, как вагон, на котором оно установлено, войдет в кривую, а при выходе из нее прекратит подачу смазки, не достигнув конца кривой.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемой полезной модели можно считать блок управления автоматическим гребнесмазывателем АГС 8.10 М2 производства компании «Сармат» (см. сайт компании по ссылке: http//www.nppsarmat.ru). Электронный блок управления состоит из корпуса, который содержит микроконтроллер, блок формирования выходных сигналов, выход которого связан с входом в микроконтроллер, блок преобразователя входных сигналов, выход которого связан с входом в микроконтроллер, блок диагностики устройства для нанесения смазочного материала, вход которого связан с выходом блока формирователя выходных сигналов, а выход связан с входом устройства для нанесения смазочного материала, блок питания, выход которого связан с входом микроконтроллера.
Смазка осуществляется циклами, состоящими из времени подачи смазочного материала и времени паузы. Время паузы рассчитывается по формуле t=s/v
где t - время паузы между импульсами подачи смазочного материала,
S - фиксированное значение пути, заданное пользователем данного прибора.
v - скорость электровоза, полученная с датчика путевой скорости электровоза.
Существенным недостатком данного технического решения является то, что в нем не учитывается количество смазочного материала, поданного на гребень колеса во время прохождения электровозом криволинейных участков пути, когда происходит самый интенсивный износ гребней, устройством, ни радиус кривизны пути, ни направление поворота кривой. То есть удельное количество смазочного материала приходящееся на один километр пути - величина постоянная, выбранная пользователем данного устройства. Сила трения пары «гребень бандажа - рельс» прямо пропорционально зависит от силы, приложенной к гребню бандажа. Эта сила максимально возрастает в криволинейных участках пути, повышая износ гребней, и вызвана центростремительным ускорением. В результате, устройство расходует одно и то же количество смазочного материала и на прямых участках, когда величина износа гребней минимальна, и в кривых, когда величина износа гребней имеет максимальное значение.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в повышении эффективности работы устройства управления автоматическим гребнесмазывателем за счет обеспечения дозированной циклической подачи смазочного материала на гребни колес в криволинейных участках пути с учетом величины центростремительного ускорения.
Сущность заявляемой полезной модели заключается в том, что в известном устройстве управления автоматическим гребнесмазывателем подвижного состава, включающем корпус, который содержит микроконтроллер, три входа которого соединены с выходами блока формирования выходных сигналов, блока преобразования входных сигналов и блока питания, при этом выход блока формирования выходных сигналов соединен с входом блока диагностики устройства для нанесения смазочного материала на гребни колес, расположенных с одной из сторон подвижного состава, а блок преобразования входных сигналов содержит входы для приема сигналов от устройства подачи сигнала «песок» и блока сопряжения датчиков путевой скорости, новым является то, что блок формирования выходных сигналов дополнительно содержит выход для соединения с блоком диагностики, а блок диагностики, в свою очередь, дополнительно содержит выход, предназначенный для соединения со вторым устройством для нанесения смазочного материала на гребни колес, расположенных с другой стороны подвижного состава, при этом устройство управления дополнительно содержит источник опорного напряжения, соединенный входом-выходом через блок питания с микроконтроллером, а также акселерометр, содержащий вход для соединения с источником опорного напряжения и выход для соединения через драйверы интерфейса с входом микроконтроллера, при этом поперечная ось акселерометра совмещена с поперечной осью первой по ходу движения единицы подвижного состава.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, обусловлен тем, что сила трения пары «гребень бандажа - рельс» прямо пропорционально зависит от силы, приложенной к гребню бандажа. Эта сила максимально возрастает в криволинейных участках пути и вызвана центростремительным ускорением , где
ц
2
А - центростремительное ускорение, м/с;
V - линейная скорость, м/с;
R - радиус кривой.
Сила, созданная этим ускорением,
ц
F=А·m, где
ц
2
А - центростремительное ускорение, м/с,
m - масса локомотива, приходящаяся на одну ось, кг.
2
2
2
Исходя из этого, в заявленное устройство встроен акселерометр. Акселерометр предназначен для преобразования центростремительного ускорения в широтно-импульсно модулированный сигнал. Поперечную ось акселерометра совмещают с поперечной осью первой по ходу движения единицы подвижного состава (например, локомотива), так как акселерометр в этом случае измеряет ускорения, действующие на поперечную ось локомотива, то есть сумму величин проекций центростремительного ускорения и ускорения свободного падения g, которая появляется при крене кузова. Крен кузова происходит за счет того, что в криволинейных участках пути наружный рельс имеет возвышение над внутренним, а также за счет действия центростремительного ускорения. Подачу смазки осуществляют циклами, каждый из которых состоит из интервала подачи смазочного материала и интервала паузы. Момент начала и окончания циклов во время прохождения подвижного состава по криволинейному участку пути определяли экспериментально. В условиях эксперимента было выявлено, что циклы подачи смазочного материала следует начинать при условии, что  м/с, а заканчивать при  м/с. Дозировка смазки также была определена опытным путем. Известно, что устройство для нанесения смазки имеет ограничение по времени зарядки системы воздухом. Это означает, что интервал паузы должен быть более 2 с. Также опытным путем выявлено, что  м/с, отсюда . Запрет подачи смазочного материала происходит при увеличении скорости в режиме тяги на 0,4 км/ч за 1 с или при уменьшении скорости в режиме торможения на 1,0 км/ч за 1 с, при подаче сигнала «песок», а так же при скорости менее 20 км/ч.
Для пояснения заявляемой полезной модели представлен перечень графических материалов:
Фиг.1 - структурная схема устройства управления автоматическим гребнесмазывателем подвижного состава;
Фиг.2 - график сравнения подачи смазки заявленного устройства и устройства по прототипу в зависимости от скорости и центростремительного ускорения. В целях более удобного прочтения график расположен на листе горизонтально;
Фиг.3 - таблица сравнения показателей работы заявленного устройства и устройства по прототипу.
Устройство управления автоматическим гребнесмазывателем (фиг.1), включающее корпус, который содержит акселерометр 1, имеющий выход для соединения через драйвер интерфейса 2.1, драйвер интерфейса 2.2 с микроконтроллером 3 и вход для соединения с источником опорного напряжения 8. Микроконтроллер 3 содержит входы для соединения с блоком 4 преобразования входных сигналов, блоком 5 формирования выходных сигналов и блоком 7 питания. Блок 5 формирования выходных сигналов содержит выходы для соединения с блоком 6 диагностики устройств для нанесения смазочного материала, а через него с устройством 9 для нанесения смазочного материала на гребни колес с левой стороны локомотива и с устройством 10 для нанесения смазочного материала на гребни колес с правой стороны локомотива. Блок 5 преобразования входных сигналов содержит входы для соединения с устройством 11 подачи сигнала «песок» и блоком 12 сопряжения датчиков путевой скорости. Микроконтроллер 3 содержит вход-выход для соединения через блок 7 питания с источником опорного напряжения 8. Для достижения технического результата поперечная ось акселерометра совмещена с поперечной осью первой по ходу движения единицы подвижного состава.
с
Устройство работает следующим образом: при движении локомотива акселерометр 1 измеряет сумму величин проекций центростремительного ускорения и ускорения свободного падения на поперечную ось локомотива, а так же знак ускорения (сторону левую или правую по ходу движения локомотива в которую направлено ускорение). Сигнал с акселерометра в виде широтно-импульсной модуляции поступает на драйвер интерфейса 2.1 и преобразуется в код интерфейса RS 485, что обеспечивает защиту линии связи между акселерометром и микроконтроллером, а драйвер интерфейса 2.2 осуществляет обратное преобразование сигнала, и он подается на вход микроконтроллера 3. Микроконтроллер осуществляет обработку сигнала в цифровую величину. Также на вход микроконтроллера подаются сигналы с устройства 11 подачи сигнала «песок» и блока 12 датчика скорости движения локомотива через блок 4 преобразования входных сигналов. Элементами, на которые воздействует система, являются два электропневматических клапана 9 и 10, подающие смазку на гребни колес с каждой из сторон локомотива. Воздействие на них происходит через блок 5 формирования выходных сигналов. Блок 6 диагностики устройств для нанесения смазочного материала обеспечивает защиту блока формирования выходных сигналов и электропневматических клапанов от короткого замыкания в цепи клапанов или их обрыва. При возникновении одной из этих неисправностей блок 6 формирует сигнал на отключение блока 5 формирования выходных сигналов и сигнал о неисправности. Питание микроконтроллера осуществляется через блок 7, связанный входом-выходом с источником опорного напряжения 8 для стабилизации питающего напряжения. Кроме того, источник опорного напряжения служит для питания акселерометра. Микроконтроллер в бесконечном цикле производит расчет времени паузы по эмпирическому соотношению  учитывая ограничение Т≤2 с. Знак ускорения указывает, на какую сторону (левую или правую по ходу движения) необходимо наносить смазочный материал и отдает команды на включения соответствующего электропневматического клапана. Запрет на подачу смазочного материала наступает при выполнении следующих условий:
- увеличении скорости в режиме тяги на 0,4 км/ч за 1 с
- при уменьшении скорости в режиме торможения на 1,0 км/ч за 1 с
- при подаче сигнала «песок»
- при скорости менее 20 км/ч.
Заявленная полезная модель прошла промышленные испытания в сентябре 2010 года, о чем был составлен соответствующий акт испытаний.