Устройство для размагничивания рельса

Область техники
Полезная модель относится к области железнодорожного транспорта, а именно к устройству размагничивания, которое может быть использовано для устранения неравномерности магнитного поля рельсовых элементов, их изолирующих стыков, стрелочных переводов при производстве ремонтно-путевых работ по обеспечению безопасной эксплуатации инфраструктуры железной дороги со стыковой или бесстыковой конструкцией пути.
При работе устройства размагничивания, содержащего электромагнит, осуществляют его многократное перемещение вдоль оси железнодорожного пути, что влечет за собой многократное перемагничивание его затухающим магнитным полем, при котором осуществляется быстрая смена полярности магнитного поля в магнитном зазоре между электромагнитом и поверхностью головки рельса, которая приводит к устранению очагов намагниченности в материале рельсов.
Уровень техники
Из уровня техники известны следующие наиболее близкие технические решения.
Известен размагничиватель для рельсовых плетей и изолирующих стыков, содержащий источник электропитания и средства для магнитной обработки, установленные на раме рельсовой тележки. Рама снабжена устройством для ее перемещения и механизмом регулирования зазора между средствами магнитной обработки и обрабатываемыми рельсами. Средства для магнитной обработки выполнены в виде постоянных магнитов, например, неодимовых, закрепленных равномерно на периферии диска, установленного в одной плоскости с колесами тележки и соединенного кинематически с моторколесом, размещенным на раме тележки и подключенным к источнику электропитания через блок управления стыков (RU 184408 U1, G01G 7/00, дата публикации 24.10.2018).
Недостатками такого устройства является использование для размагничивания постоянных магнитов, а также отсутствие колебательного контура, в результате чего невозможно осуществить резонансное размагничивание, что приводит к высокой остаточной намагниченности рельса и стыков и к повышенной частоте возникновения необходимости их повторного размагничивания.
Известно устройство для размагничивания стыков рельсов, содержащее рельсовую тележку, на которой установлены средства размагничивания, выполненные в виде электромагнитов с П-образными магнитопроводами, каждый из которых содержит пластины с двумя размещенными на них катушками индуктивности, подключенными к источнику переменного напряжения, и блок конденсаторов, включенный параллельно катушкам индуктивности (RU 133532 U1, Е01В 11/54, дата публикации 20.10.2013).
Наличие колебательного контура обеспечивает осуществление резонансного размагничивания. Ток, протекающий в контуре размагничивания, благодаря резонансу превышает ток, потребляемый от электростанции. Этим обеспечивается получение сильного магнитного поля, обеспечивающее размагничивание стыков рельсов.
Данное устройство выбрано в качестве наиболее близкого аналога к заявленной полезной модели.
Недостатками данного устройства является громоздкость и низкая мобильность конструкции. Габариты опытного образца тележки-прототипа составляют 2035×2008×1350, а масса - 600 кг. Для перемещения такого устройства необходима отдельная тяговая единица. Для установки и уборки такого устройства с железнодорожного пути требуется грузоподъемное оборудование, а для проведения работ требуется технологическое окно. Также недостатком использования известного устройства является недостаточная эффективность размагничивания рельса.
Технической проблемой заявленной полезной модели является преодоление недостатков, присущих аналогам, что ведет к необходимости создания мобильного устройства, обеспечивающего эффективное устранение неравномерной остаточной намагниченности рельсов, обладающего возможностью его мобильной установки на рельсовый путь и уборки с пути как вручную, так и при помощи грузоподъемного оборудования специального подвижного состава, без закрытия перегона.
Раскрытие сущности полезной модели
Техническим результатом заявленной полезной модели является уменьшение шунтирования магнитного поля, что повышает эффективность размагничивания рельса, а также снижение габаритов устройства.
Технический результат достигается за счет создания устройства для размагничивания рельса, содержащего раму, на которой установлены источник переменного напряжения, соединенный с ним блок управления, а также электромагнит переменного тока и батарея согласующих конденсаторов, которые подключены к источнику переменного напряжения через блок управления. Устройство содержит опоры для перемещения его по рельсам. Опоры закреплены на каркасе по обе стороны от электромагнита для установки устройства на рельсы. Также устройство содержит механизм регулировки зазора между электромагнитом и поверхностью головки рельсов. Причем рама выполнена из парамагнитного материала, а опоры выполнены из электроизолирующего материала.
Батарея параллельно подключенных конденсаторов предназначена для введения нагрузки в режим резонанса и снижения рабочего тока установки.
За счет наличия в составе заявленного устройства электромагнита обеспечивается генерирование сильного переменного магнитного поля, плавно убывающего вдоль рельса.
За счет использования электромагнита переменного тока, по сравнению с постоянным магнитом, обеспечивается возможность более эффективного намагничивания из-за более сильного магнитного поля, обеспечивается возможность управления силой магнитного поля, его включением и отключением, а также возможность самоочистки магнитных поверхностей после отключения агрегата при исчезновении магнитного поля после отключения установки, из-за чего металлический мусор падает под действием силы тяжести вниз с поверхности магнитопровода. В частности, в устройстве-аналоге RU 184408 U1 напряженность магнитного поля снижается вдвое за один проход при использовании постоянного неодимового магнита, тогда как при использовании электромагнита напряженность магнитного поля снижается в 5 раз (журнал «Автоматика, связь, информатика», январь 2010 г., стр. 32-33, статья «Доработали конструкцию электромагнита», А.Г. Лычкин, Р.И. Высотин). Таким образом, использование электромагнита переменного тока приводит к высокой эффективности размагничивания и к высоким технико-экономическим показателям (низкое значение потребляемого тока установки, и соответственно низкий вес источника переменного напряжения). Высокая эффективность обеспечивается резонансным принципом работы электромагнита в совокупности с батареей конденсаторов за счет компенсации индуктивного сопротивления электромагнита батареей конденсаторов.
Рама устройства выполнена в виде каркаса и является несущим опорным элементом устройства, на который монтируется оборудование устройства.
За счет выполнения рамы из парамагнитного материала и опор из электроизолирующего материала обеспечивается повышение эффективности размагничивания рельса за счет уменьшения шунтирования магнитного поля, что повышает коэффициент передачи магнитной индукции в рельс.
Также выполнение рамы из парамагнитного материала, а опор из электроизолирующего материала позволяет располагать опоры в непосредственной близости от магнитопровода электромагнита, что уменьшает габариты установки.
В частном случае реализации полезной модели заявленное устройство может содержать средство для присоединения к другому аналогичному устройству (например, жесткой сцепкой) с целью одновременного размагничивания двух рельсов одновременно (одно устройство применяется для размагничивания левого рельса, а другое - для правого рельса).
Опоры для перемещения устройства по рельсам могут быть выполнены подвижными, а именно в виде роликов или гусениц. Опоры могут быть выполнены из капролона или текстолита, или стеклолита, что дополнительно повышает эффективность размагничивания рельса, позволяет проводить работы по размагничиванию без нарушения работы цепей СЦБ (цепи системы централизованной блокировки), а также обеспечивает ориентирование тележки на рельсе и по оси пути.
Механизм регулировки зазора между электромагнитом и поверхностью головки рельсов выполнен с возможностью изменения положения опор (роликов, гусениц) по высоте для обеспечения возможности дополнительного повышения эффективности размагничивания рельса за счет возможности настройки собственной частоты колебательного контура электромагнит-батарея конденсаторов, соответствующей частоте источника переменного напряжения. Расчетный оптимальный зазор может меняться в зависимости от параметров рельса, износа и т.д.
К раме устройства (тележки) может быть присоединена перекидная ручка для изменения его направления движения на противоположное без его разворота, что обеспечивает возможность осуществления нескольких циклов размагничивания при прямом и обратном перемещении устройства вдоль оси железнодорожного пути для более эффективного размагничивания головки рельса, чем в прототипе. Ручка может фиксироваться болтом. При этом на перекидной ручке может быть закреплен пульт для управления блоком управления. На пульте дополнительно может быть установлен амперметр для контроля оператором параметров резонанса и для использования при настройке магнитного зазора дросселя (воздушного зазора между головкой рельса и магнитопроводом электромагнита) для наименьшего значения потребляемого тока с целью обеспечения резонансного режима работы установки.
Устройство может содержать дополнительные откидные ручки для его ручной переноски, закрепленные на раме.
Каркас (рама) может быть выполнен из алюминия или из нержавеющей стали или из парамагнитной стали аустенитного класса для эффективного снижения шунтирования магнитного потока.
В качестве источника переменного напряжения может быть использован генератор или блок аккумуляторов, снабженных инвертором для получения переменного напряжения.
Каждая опора предпочтительно содержит реборду для установки на рельсе и может быть снабжена стопором. За счет наличия механических стопоров предотвращается самопроизвольное перемещение тележки, что повышает безопасность ее использования.
Электромагнит может быть выполнен в виде медного провода прямоугольного сечения на текстолитовом каркасе, размещенного на П-образном сердечнике. Возможно также выполнение сердечника Ш-образной формы. Сердечник выполнен со скошенными краями под уклоном 1:4 для обеспечения неравномерной величины магнитной индукции.
Блок управления предпочтительно должен быть размещен в защитном корпусе, что обеспечивает защиту электрооборудования устройства от атмосферного воздействия и случайного прикосновения к токоведущим цепям.
Блок управления может быть подключен к генератору кабелем с быстроразъемным соединением, что позволяет производить оперативное отсоединение генератора для транспортировки устройства.
Дополнительно устройство может содержать вентилятор для охлаждения Обмоток электромагнита устройства при его работе.
Краткое описание чертежей
Заявленная полезная модель поясняется следующими чертежами:
Фиг. 1 - общий чертеж конструкции устройства для размагничивания рельса;
Фиг. 2 - чертеж устройства для размагничивания рельса, вид прямо;
Фиг. 3 - чертеж устройства для размагничивания рельса, вид сверху;
Фиг. 4 - схема расположения двух несцепленных устройств для размагничивания рельса на железнодорожном пути, вид прямо;
Фиг. 5 - схема расположения двух несцепленных устройств для размагничивания рельса на железнодорожном пути, вид сверху;
Фиг. 6 - схема расположения двух сцепленных устройств для размагничивания рельса на железнодорожном пути, вид прямо;
Фиг. 7 - схема расположения двух сцепленных устройств для размагничивания рельса на железнодорожном пути, вид сверху;
Фиг. 8 - распределение магнитного поля в пространстве.
Позициями на чертежах обозначены следующие элементы:
1 - алюминиевая рама,
2 - генератор,
3 - блок управления,
4 - батарея согласующих конденсаторов,
5 - электромагнит,
6 - ролики,
7 - вентилятор,
8 - перекидная ручка,
9 - пульт,
10 - откидная ручка для переноски.
Устройство для размагничивания рельса, выполненное в виде тележки, содержит алюминиевую раму 1, на которой установлены генератор 2, соединенный с ним блок управления 3, батарея 4 согласующих конденсаторов, подключенная к генератору 2 через блок управления 3, электромагнит 5, а также ролики 6, закрепленные снизу на раме 1 по обе стороны от электромагнита 5 для установки их на рельсы. Электромагнит 5 подключен к генератору 2 через блок управления 3. Устройство содержит механизм регулировки зазора между электромагнитом 5 и поверхностью головки рельсов, а также вентилятор 7 и перекидную ручку 8 для изменения направления его движения с пультом 9 для дистанционного управления блоком управления 3 и откидные ручки 10 для переноски. Каждый ролик 6 снабжен стопором.
Осуществление полезной модели
Использование одной тележки для размагничивания одного рельса
На посадочные места в крепежные пазы каркаса тележки устанавливают генератор 2, закрепляют фиксаторами к раме 1 (каркасу), затем заправляют его топливом.
Подключают электромагнит 5. На блоке конденсаторов 4 установлен ограничивающий резистор для ограничения тока заряда конденсаторов при включении.
Откидные ручки 10 монтируют к каркасу (раме) 1.
Устанавливают тележку на железнодорожный путь, соблюдая расположение электромагнита 5 относительно пути. Подключают кабель питания к генератору 2 и подключают к нему блок управления 3. Подключают вентилятор 7.
Запускают генератор 2, контролируя включение соответствующего индикатора на пульте. Включают вентилятор 7. Запускают работу тележки на пульте дистанционного управления 9. Убеждаются в нахождении рабочего тока тележки в необходимых пределах 0-5 А по амперметру на пульте 9. При превышении рабочего тока в 5 А производят регулировку рабочего зазора до оптимального значения (например, с 3 до 10 мм). Для этого ослабляют болты крепления опоры (ролика) к корпусу и вращением упорных винтов выставляют зазор, добиваясь минимального значения рабочего тока.
После включения тележки электромагнит 5 генерирует переменное магнитное поле, плавно убывающее вдоль рельса. Величина генерируемой магнитной индукции в зоне магнитопровода электромагнита составляет 200-1000 мТл при исходной намагниченности рельса 1-10 мТл.
Прижатие реборды роликов 6, установленных на каркасе по обе стороны от электромагнита 5, обеспечивается силой притяжения электромагнита 5 и весом тележки.
Осуществляют прокатывание тележки одним человеком по рабочему пути с минимально возможной скоростью до 5 км/ч (скорость определена временем работ). При работе тележки в магнитном зазоре происходит быстрая смена полярности магнитного поля с убывающей амплитудой, которая приводит к устранению очагов намагниченности в материале рельса. Ширина зоны размагничивания характеризуется градиентом уменьшения магнитной индукции.
Для дополнительного повышения эффективности обработки можно повторить операцию несколько раз, двигаясь в прямом и обратном направлении. Для смены направления работы на противоположное без разворота тележки осуществляют перекидывание ручки 8 на оси и фиксируют ее болтом.
При работе в случае засорения воздушных зазоров металлическим мусором, находящимся на путях вдоль линии рельса, производят очистку путем выключения тележки и механическую очистку воздушного зазора. Затем работу продолжают.
После окончания размагничивания конечная намагниченность рельса составляет 0,05-0,1 мТл. Тележку отключают при нажатии соответствующей кнопки на пульте управления 9. Затем дают поработать генератору 2 на холостом режиме для охлаждения электромагнита 5 вентилятором обдува 7. Степень охлаждения контролируют по температуре выходного воздуха. После этого заглушают генератор 2 и отсоединяют питающий кабель. Снимают генератор с рамы 1 тележки, убирают тележку и генератор 2 с рельсового пути.
Использование двух тележек, сцепленных между собой жесткой связкой, для размагничивания левого и правого рельсов одновременно
Устанавливают две аналогичных тележки на железнодорожный путь, соблюдая расположение магнитов 5 относительно пути. Устанавливают скрепляющее устройство (жесткую связку). Проверяют положение ручек.
Каждая тележка имеет индивидуальный пульт 9, которым управляют отдельно.
Запускают генераторы 2, контролируют включение соответствующего индикатора на пультах 9. Запускают работу тележек на пультах 9.
Убеждаются в нахождении рабочего тока тележек в необходимых пределах по амперметрам.
После включения двух сцепленных тележек осуществляют их прокатывание одним человеком по рабочему пути с минимально-возможной скоростью до 5 км/ч.
После окончания размагничивания тележку отключают, дают поработать генератору 2 на холостом режиме для охлаждения электромагнита 5 вентилятором обдува 7. Затем заглушают генератор 2 и отсоединяют питающий кабель. Разделяют тележки, сняв жесткую связку, снять генераторы 2 с рам тележек, убрав фиксаторы, и убирают тележки и генераторы 2 с пути.
При использовании заявленного устройства (тележки) обеспечивается размагничивание головки рельса переменным затухающим магнитным полем при перемещении электромагнита вдоль оси пути. Устройство создает магнитное поле, распределенное в пространстве, как представлено на фиг. 8. При перемещении устройства вдоль оси 0-Х (см. фиг. 8), магнитное поле в точке рельса сначала возрастает, а затем убывает. Размагничивание осуществляют при плавном убывании магнитного поля. Плавность перехода определяет максимальную скорость перемещения.
Намагниченность рельсов характеризуется значением магнитной индукции, которая снижается от 5 мТл до нормативного значения 0,7 мТл.
Все параметры магнитного поля подбирают с целью максимально эффективного размагничивания рельса с учетом следующего условия: ширина магнитопровода должна быть согласована по ширине с шириной головки рельса, а величина генерируемой магнитной индукции (от 200 до 1000 мТл в зоне магнитопровода электромагнита) значительно (в десятки раз) должна превышать собственную намагниченность рельса (1-10 мТл).
Пример 1
Для размагничивания одного рельса, выполненного из стали М47, использовали одну тележку со следующими параметрами:
- рама (каркас) выполнена из стали 17Х18Н9 или 12Х18Н10Т, или 55Г9Н9Х3, или 50Г184;
- габариты тележки - 900×1940×1070 мм;
- габариты электрогенератора 650×500×470 мм;
- габариты батареи конденсаторов 600×400×245 мм;
- габариты шкафа электроуправления 300×300×120 мм;
- зазор между электромагнитом и поверхностью головки рельсов - от 5 до 10 мм;
- вес тележки - 120 кг.
Параметры процесса размагничивания рельса:
- исходная намагниченность рельса - 1 мТл;
- скорость перемещения тележки - 5 км/ч;
- мощность генератора тележки - 2,8 кВт,
- питание - 220 В.
- рабочая температура электромагнита - 150°С
- величина генерируемой магнитной индукции в зоне магнитопровода электромагнита - от 200 мТл во внешней зоне электромагнита до 1000 мТл во внутренней его зоне;
- частота переменного магнитного поля, генерируемого электромагнитом тележки - 50 Гц;
- воздушный зазор между электромагнитом и поверхностью головки рельсов составляет от 5 мм;
- конечная намагниченность рельса - 0,1 мТл.
При работе в резонансном режиме ток составлял 3 А, тогда как ток, протекающий через цепи резонансного контура - 47 А. Таким образом, достигалась максимально эффективная работа устройства при минимальных габаритах тележки и ее элементов.
Для размагничивания осуществляли 50 циклов перемагничивания, соответственно время нахождения рельса в зоне размагничивания должно составлять порядка 1 секунды.
Пример 2
Использовали две тележки, сцепленные друг с другом в одно устройство жесткой связкой, со следующими параметрами:
- габариты тележки: 1830×1940×1070;
- вес двух тележек - 240 кг;
- зазор между электромагнитом и поверхностью головки рельсов - 10 мм.
Параметры процесса размагничивания рельса:
- исходная намагниченность рельса - 10 мТл;
- скорость перемещения тележки - 4 км/ч;
- мощность генератора на каждой тележке 2,5 кВт;
- питание - 220 В;
- рабочая температура электромагнита - до 200°С;
- величина генерируемой магнитной индукции в зоне магнитопровода электромагнита - от 200 мТл во внешней зоне электромагнита до 1000 мТл во внутренней его зоне;
- частота переменного магнитного поля, генерируемого электромагнитом - 50 Гц;
- воздушный зазор между электромагнитом и поверхностью головки рельсов составляет 10 мм;
- конечная намагниченность рельса - 0,05 мТл.
Для размагничивания осуществляли 50 циклов перемагничивания, соответственно время размагничивания составляло порядка 1 секунды.
Таким образом, заявленное автономное резонансно-размагничивающее устройство с режимом непрерывной работы без подключения к электрической сети обеспечивает безопасную эксплуатацию на железной дороге со стыковой или бесстыковой конструкцией пути.