Устройство для определения схода колесных пар подвижного состава или волочащейся металлической детали и датчик контроля схода подвижного состава
DEVICE FOR DETERMINING THE DERAILMENT OF WHEEL PAIRS OF ROLLING STOCK OR A DRAGGING METAL PART AND A SENSOR FOR MONITORING THE OBLIQUITY OF ROLLING STOCK

Заявляемое изобретение относится к средствам обеспечения безопасности на железнодорожном транспорте, а именно к средствам автоматического контроля технического состояния подвижного состава в пункте контроля схода и предназначено для обнаружения схода колесных пар, волочения металлических деталей подвижного состава или элементов закрепления грузов.
Известно устройство контроля схода подвижного состава (УКСПС), используемое для автоматического обнаружения деталей, которые выступают за пределы нижнего габарита в железнодорожном составе. Устройство содержит установленные внутри и снаружи рельсовой колеи датчики, соединенные в единую электрическую цепь и подключенные к кабельным концевым муфтам. Датчики установлены на общей платформе и закреплены на ней с помощью кронштейнов. Датчики выполнены из токопроводящего материала в виде единого целого элемента, имеют зоны разрушения при сверхнормируемых усилиях нагружения. Платформа расположена в межшпальном пространстве и имеет возможность крепления к шпалам (патент RU №180712, опубликовано 21.06.2018, Бюл. №18).
Принцип действия УКСПС - при разрушении датчика волочащимися деталями или вследствие схода колесной пары электрическая цепь разрывается и воздействие передается на устройства ЭЦ, АБ, мостовой или тоннельной сигнализации.
Недостатками данного устройства являются разрушение датчика и необходимость последующей замены датчика после каждого срабатывания, необходимость ручного восстановления устройства после определения факта схода/волочения, высокая вероятность ложных срабатываний, а также низкая вандалоустойчивость.
Известно устройство контроля схода колесной пары с рельсов, состоящее из нескольких датчиков контроля бесконтактного типа (электромагнитных датчиков), соединенных между собой в единую электрическую цепь. Датчики размещены в корпусе, выполненном из диэлектрического материала. Корпус закреплен на поверхности основания с помощью креплений. Датчики находятся как внутри, так и снаружи рельсовой колеи. Основание устройства расположено между шпалами рельсошпальной решетки и заглублено в балластном слое верхнего строения пути. Электрическая цепь датчиков соединена с контрольной аппаратурой дежурного по станции и с аппаратурой управления входным светофором. (патент RU №185444, опубликовано 05.12.2018 Бюл. №34). Данное устройство принято за прототип.
Выполнение датчиков прототипа в едином корпусе не позволяет данному устройству выполнять такие функции как определение средней скорости проследования подвижным составом пункта контроля схода/волочения и определение направления движения подвижного состава через пункт контроля схода/волочения.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое устройство, является следующее:
- обеспечение сохранения целостности датчиков при сходе колесных пар даже в случае продавливания и прорезания гребнем колеса деревянных шпал;
- повышение вандалоустойчивости;
- обеспечение возможности определения направления движения подвижного состава через пункт контроля схода/волочения;
- обеспечение возможности определения средней скорости проследования подвижным составом пункта контроля схода/волочения в (диапазоне скоростей от 0 до 350 км/ч);
согласно изобретению
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для определения схода колесных пар подвижного состава или волочащейся металлической детали содержит по меньшей мере два датчика контроля схода подвижного состава, выполненных в виде индуктивных датчиков, соединенных с блоком обработки сигналов и размещенных в балластной призме между шпалами внутри и снаружи рельсовой колеи так, что полностью охватывают область контроля возможного схода подвижного состава,  датчики контроля схода подвижного состава размещены в балластной призме соседних межшпальных промежутков.
Датчики контроля схода подвижного состава размещены в балластной призме ниже максимальной глубины, на которую колесо сошедшей с рельс колесной пары может погрузиться в балластный слой межшпального промежутка.
Согласно изобретению каждый датчик контроля схода подвижного состава содержит корпус, выполненный в виде полой рамки с размещенной в ней обмоткой из проводника и изолятора между витками проводника.
Витки проводника могут быть выполнены в виде жил кабеля, а изолятор - в виде изоляции жил кабеля.
Использование бесконтактного (индуктивного) метода обнаружения схода/волочения обеспечивает неразрушаемость устройства, поскольку отсутствует необходимость механического контакта датчиков с колесной парой, сошедшей с рельс, или волочащейся металлической деталью и датчики контроля схода подвижного состава размещены ниже уровня поверхности шпал на глубине, исключающей ударное воздействие колесной пары на датчик при ее движении по шпалам после схода с рельсов.
Выполнение датчиков в корпусе в виде полой рамки с размещенной в ней обмоткой из проводника и изолятора между витками проводника позволяет получить очень близкие параметры катушек от датчика к датчику, обеспечить легкость конструкции, а также обеспечить дополнительную защиту датчику при сходе подвижного состава в случае если величина заглубления датчиков в балластном слое будет меньше необходимой, поскольку контакт гребня колеса и датчика будет минимальной.
Устройство может использоваться на всех видах железнодорожных полотен, при любых типах шпал, а также любых типах вагонов и локомотивов.
Заявляемое изобретение поясняется чертежами, где:
Фиг. 1 - схема размещения устройства для определения схода колесных пар подвижного состава или волочащейся металлической детали на железнодорожном полотне;
Фиг. 2 - датчик контроля схода подвижного состава;
Фиг. 3 - расположение сошедшего с рельс колеса;
Фиг. 4 - схематичное изображение расположения колеса во время схода;
Фиг. 5 - схематичное изображение расположения колеса во время схода с дополнительными точками.
Устройство для определения схода колесных пар подвижного состава или волочащейся металлической детали (фиг. 1) содержит два датчика 1 контроля схода состава подвижного состава (ДКС) и блок 2 обработки сигналов (БОС).
ДКС 1 (фиг. 2) представляет собой индуктивный датчик со схемами управления и контроля исправности. Назначением ДКС является формирование электрических сигналов при проходе подвижного состава и передачи их БОС 2.
ДКС 1 располагаются в грунте между шпалами рельсошпальной решетки внутри и снаружи рельсовой колеи, что позволяет полностью охватывают область контроля возможного схода подвижного состава и увеличивает вандалоустройчивость датчиков. ДКС 1 размещаются в балластной призме соседних межшпальных промежутков (фиг. 1) ниже максимальной глубины, на которую колесо сошедшей с рельс колесной пары может погрузиться в балластный слой межшпального промежутка.
ДКС 1 содержит корпус 3, выполненный в виде полой рамки, размеры которой позволяют укладывать ДКС в балластный слой внутри шпального ящика. В корпусе 3 размещается обмотка из проводника 4 и изолятора между витками проводника, т. е. полая рамка 3 формирует катушку ДКС 1. Витки проводника 4 могут быть выполнены в виде жил кабеля, а изолятор - в виде изоляции жил кабеля. ДКС 1 также содержит корпус для электроники 5, в котором располагается плата, и кабель 6 для подключения к БОС 2.
Плата предназначена для получения ДКС 1 управляющих импульсов от БОС 2, формирования аналогового сигнала, выделения из него импульсного индуктивного отклика от прохождения колеса или волочащейся детали подвижного состава, его усиления и передачи в виде аналогового сигнала на БОС 2. Управляющие импульсы, подаваемые на ДКС, позволяют производить подстройку выходного сигнала ДКС для исключения влияния климатических (температурных) условий окружающий среды, а также производить проверку исправности датчиков.
БОС 2 предназначен для обработки сигналов, полученных от ДКС 1, формирования признака схода состава и располагается в путевом ящике рядом с местом установки ДКС 1.
На посту ЭЦ может располагаться блок интерфейсный (БИ) (на чертеже не показан), предназначенный для организации электропитания БОС 2, приема информации (в том числе диагностической информации о состоянии ДКС 1 и БОС 2) от БОС 2 и её дальнейшей передачи постовым релейным или микропроцессорным системам ЖАТ.
Электропитание ДКС 1 формируется БОС 2, питаемым от местного источника электропитания 12 В и имеющим DC/DC повышающий/понижающий преобразователь. Также электропитание напольного оборудования - БОС и ДКС - может осуществляться от токовой петли, формируемой при помощи БИ, питаемого от станционной батареи 24 В.
Предлагаемое устройство для определения схода колесных пар подвижного состава или волочащейся металлической детали и датчик контроля схода подвижного состава работают следующим образом.
При проходе подвижного состава над ДКС 1 изменяется магнитное поле индуктивного датчика, вследствие чего происходит изменение амплитуды выходного сигнала ДКС 1, посылаемого в БОС 2.
БОС 2 осуществляет свою работу по сигналам, поступающим от датчиков ДКС 1. Модули центрального процессора БОС 2 выполняют обработку сигнала от датчиков ДКС 1 и реализуют основные функции БОС 2 и устройства в целом, а именно - определение схода подвижного состава или волочения металлической детали на составе и управление контрольным реле первого класса надежности. На основе обработки сигналов датчиков определяется наличие схода/волочения.
БОС 2 имеет два независимых канала, при этом каждый из них осуществляет обработку сигналов и от первого ДКС 1 и от второго ДКС 1 с перекрестным сравнением полученных результатов, и переходом в защитное состояние при несовпадении результатов сравнения. Управление каждым ДКС 1 производится по одному из каналов БОС 2.
БОС 2 при местном электропитании 12 В позволяет управлять контрольным реле первого класса надёжности. При этом не осуществляются функции передачи диагностической информации (о стороне, номере тележки, направлении движения, скорости, а также диагностической информации об исправности ДКС и БОС) на пост ЭЦ, так как в данной конфигурации БИ не используется).
Подключение БОС 2 к БИ происходит с помощью линейной цепи, представляющей из себя физическую пару проводов. По ней БОС 2 при электропитании от токовой петли одновременно получает питание и передает сообщение импульсами тока, в том числе информацию для включения/выключения реле на посту ЭЦ.
На станциях, оборудованных микропроцессорными системами обеспечения безопасности, БИ подключается к ним по интерфейсу EIA-485 и по запросу отправляет пакет данных, полученный от БОС 2 по линейной цепи, или данных о внутреннем состоянии БИ. Эта же информация отображается на индикаторах БИ.
На станциях, оборудованных релейными системами обеспечения безопасности, к БИ подключают реле первого класса надежности, которое обесточивается на 10-20 секунд при обнаружении факта схода/волочения.
Наличие БИ позволяет напольному оборудованию передавать информацию постовым устройствам ЖАТ.
Расположение двух ДКС 1 в соседних межшпальных промежутках позволяет определить направление движения подвижного состава, его скорость, а также предусматривать возможность отката тележки при определении ее номера. Датчики ДКС 1 установлены таким образом, что каждый из них контролирует свою половину зоны контроля (правее и левее оси пути), а также ось пути, за счёт установки с перекрытием чувствительных областей датчиков, что позволяет определить сторону схода/волочения и определять сход по всей ширине рельсовой колеи. Из-за того, что датчики ДКС 1 расположены на некотором расстоянии друг от друга, поезд (тележка) заходит сначала на один датчик, затем на второй. Это позволяет определить скорость, проконтролировав время от фиксации тележки одним датчиком до фиксации вторым датчиком. Направление движения определяется за счёт того, что фиксация происходит сначала одни датчиком, затем вторым. Если сработал тот, который ближе к станции, то фиксируется отправление состава, если сработал тот, который дальше от станции, - приём.
Возможность определения порядкового номера тележки (начиная с головы поезда), рядом с которой обнаружен сход/волочение, с учетом возможного изменения направления движения при проследовании пункта контроля схода/волочения, обеспечивается путем фиксации перекрытия сигналов обнаружения тележки одного датчика и второго.
Выбор величины заглубления датчиков ДКС 1 в балластный слой межшпальных промежутков между шпалами 8 производится исходя из следующего.
Максимальная глубина, на которую колесо сошедшей с рельсов колесной пары 9 может погрузиться в балластный слой межшпального пространства, достигается при следующих условиях: максимальное расстояние между шпалами 8, минимальный диаметр колеса, деревянные шпалы, которые сошедшее с рельс колесо прорезает на глубину, равную высоте гребня 10 колеса 9. Датчик, чтобы избежать повреждений, должен располагаться ниже этой глубины.
Расположение сошедшего с рельс колеса представлено на Фиг. 3.
Схематичное изображение расположения колеса во время схода представлено на Фиг. 4, где:
a - максимальное расстояние между шпалами 8;
b - минимальный радиус колеса вагонной колесной пары 9 по кругу катания;
с - максимальная высота гребня 10 колеса вагонной колесной пары 9, который прорезал деревянную шпалу;
x - минимальная глубина расположения ДКС 1.
Схематичное расположения колеса во время схода с дополнительными точками представлено на Фиг. 5, где:
AB=BC=BE=b - радиусы колеса.
EF=c - высота гребня колеса.
AC=a - расстояние между шпалами.
DF=x - глубина расположения ДКС.
DF=DE+EF=BE-BD+EF.
BD - высота равнобедренного треугольника ABC.
- минимальная глубина расположения ДКС относительно верхней границы шпалы.
Максимальное расстояние между шпалами (a) получается при минимальной ширине шпалы (Шр) и минимальной плотности шпал (Пл), т.е количества шпал на 1 км пути.
Минимальная ширина шпалы - ширина верхней грани деревянной шпалы 3-го типа согласно ГОСТ Р 58615-2019 равна 140 мм. Минимальная плотность шпал равна 1840 штук на 1 км пути.
Вместо минимального радиуса колеса по кругу катания (b) взят средний радиус по ГОСТ 10791-2011. Радиус равен 478,5 мм.
Вместо максимальной высоты гребня (c) взята средняя высота по ГОСТ 10791-2011. Высота равна 28 мм.
Используя выведенную ранее формулу, получаем:
В результате получается, что минимальная глубина расположения датчика ДКС, исключающая ударное воздействие колесной пары при ее движении по шпалам после схода с рельсов, равна 72,4 миллиметра.
Таким образом, заявляемые устройство для определения схода колесных пар подвижного состава или волочащейся металлической детали и датчик контроля схода подвижного состава позволяют не только обеспечить сохранение целостности датчиков при сходе колесных пар и повысить их вандалоустойчивость, но и обеспечить выполнение таких функций как определение направления движения подвижного состава, определение средней скорости проследования подвижным составом пункта контроля схода/волочения, а также определение порядкового номера тележки (начиная с головы поезда), рядом с которой обнаружен сход/волочение, с учетом возможного отката тележки и изменения направления движения при проследовании пункта контроля схода/волочения.