Стрелочный электропривод
Стре́лочный электропри́вод, электромеханический переводной механизм, используемый на железнодорожном транспорте. Стрелочный электропривод применяется для заслона, переведения, регулирования позиций указателя при электрической, горочной и диспетчерской централизациях. Стрелочные электроприводы бывают магнитные, пневматические, гидравлические взрезного или невзрезного вида. Взрезные стрелочные электроприводы развивают меньшее тяговое усилие, чем невзрезные (до 3 кН). Стрелочный электропривод создаёт необходимые усилия для перевода остряков (стрелочных крестовин) стрелки из одного крайнего положения в другое или из среднего в крайнее.
Устройство электропривода
Составные части стрелочного электропривода невзрезного типа:
электродвигатель переменного или постоянного тока мощностью 0,25 или 0,3 кВт;
главный вал с шиберной шестерней;
автопереключатель;
рабочий шибер;
контрольные линейки;
муфта сцепления.
Эти узлы собираются в корпусе из чугуна, он закрывается крышкой из стали, которая защёлкивается. Вал двигателя электропривода (ось ротора) выходит на две стороны. С одной стороны она соединяется с валом редуктора (с помощью муфты сцепления); а с другой стороны хвостовик вала имеет форму квадрата 12 х 12 мм. На него надевается курбель, с его помощью можно переводить стрелку вручную. Отверстие, через которое вставляется курбель, находится напротив хвостовика оси электродвигателя. В обычном состоянии отверстие закрыто курбельной заслонкой, которая фиксируется специальным винтом с квадратной головкой 12 х 12 мм. Винт отворачивается с помощью курбеля. Специальный блокировочный контакт при опускании заслонки размыкается и отключает рабочую цепь электропривода. Включить блокировочный контакт можно только после открытия крышки электропривода. Редуктор с фрикционной муфтой, главный вал с шиберной шестернёй и рабочий шибер образуют механическую передачу стрелочного электропривода. Скошенные крайние зубья шиберной шестерни и рабочего шибера образуют внутреннее (кулачковое) запирающее устройство стрелочного электропривода. Автопереключатель представляет собой электромеханическое устройство, предназначенное для контроля окончания перевода стрелки с проверкой положения прижатого и отведённого остряков, коммутации рабочей и контрольной цепей. Автопереключатель имеет четыре группы контактов: две крайние группы коммутируют рабочую цепь, две средние группы – контрольную цепь.
Стрелочная гарнитура
Стрелочный электропривод может устанавливаться как с правой, так и с левой стороны стрелки. Для установки электропривода на стрелке применяется стрелочная гарнитура.
Стрелочная гарнитура состоит из комплекта деталей элементов соединения для установки электропривода на стрелке и присоединения его линеек (рабочего шибера и контрольных линеек) к острякам.
В состав стрелочной гарнитуры электропривода невзрезного типа входят:
фигурные угольники – 4 шт.;
фундаментные угольники – 2 шт.;
связная полоса – 1 шт.;
рабочая тяга – 1 шт.;
соединительная тяга – 1 шт.;
контрольные тяги – 2 шт.;
валики шарнирных соединений;
шарнир Гука;
комплект изоляции.
Несущий каркас стрелочного электропривода представляет собой жёсткую конструкцию, связывающую между собой рамные рельсы посредством фундаментных угольников или специальных полос, на которые крепится стрелочный электропривод. Установка электропривода производится на специальную гарнитуру с правой или левой стороны стрелочного перевода. Стрелочный электропривод осуществляет надёжное замыкание шибера в крайних положениях в сторону, противоположную предшествующему движению и свободное перемещение шибера в противоположную сторону (при одношиберном электроприводе). Также он обеспечивает постоянство силовых факторов замкнутого шибера в статическом (пассивном) режиме эксплуатации. Стрелочный электропривод осуществляет постоянный и достоверный контроль положения остряков стрелки, механизма замыкания шибера, состояния взрезного устройства, исправности силовой, контрольно-механической связей и электрических цепей, целостности узлов и деталей.
Электропривод обеспечивает работу в трёх режимах: нормальном, когда стрелка переводится из одного положения в другое и даёт контроль каждого положения; недохода остряка стрелки на 4 мм и более при случайном препятствии между остряком и рамным рельсом; взреза стрелки, когда происходит принудительный перевод остряков стрелки под действием скатов поезда.
Режимы работы стрелочных электроприводов железнодорожной автоматики
Стрелочные электроприводы железнодорожной автоматики работают в четырёх режимах. 1. Режим перевода стрелки (активный режим): а) включение в работу электродвигателя и начало движения силового механизма; б) потеря контроля положения стрелки и размыкание шибера (шиберов) электропривода; в) перевод шибера (шиберов) остряков стрелки из одного крайнего положения в другое; г) замыкание шибера (шиберов), отключение электродвигателя и получение контроля стрелки. 2. Статический (пассивный) режим работы: характеризуется обеспечением постоянства усилий замыкания или удержания шибера (шиберов) при обеспечении непрерывного контроля положения стрелки. 3. Динамический режим работы: выполняет те же функции, что и статический режим работы, но в условиях прохождения подвижного состава по стрелке; характеризуется дополнительным восприятием динамических воздействий вибраций, усилий, ударов, упругих деформаций и пр. 4. Режим взреза стрелки: появляется при прохождении подвижного состава в пошёрстном направлении по стрелке, не обеспечивающей данный маршрут движения; взрез происходит крайне редко и, как правило, является результатом нарушения организации движения поездов.
Стрелочный электропривод выпускается с двигателем постоянного или переменного тока, с контактным или бесконтактным автопереключателем и, соответственно, с прямым или косвенным управлением. Назначение определяет конструкцию и алгоритм работы механизма замыкания шибера (шиберов) и стрелочной гарнитуры.
В настоящее время в России эксплуатируется более 150 тыс. стрелочных переводов, управляемых при помощи телемеханики. От технического состояния устройств автоматики и телемеханики, а также их исправности зависит выполнение перевозочного процесса. Начиная с 1957 г., когда был создан невзрезной стрелочный электропривод типа СП-1 с одним шибером и внутренним замыкателем, электропривод неоднократно модернизировался, однако кинематика, синтез силового и контрольного механизмов остались неизменными.
Механическая передача электропривода обеспечивается за счёт взаимодействия редуктора, рабочего вала и основного шибера. Автоматический переключатель имеет четыре контакта, которые создают цепи работы и контроля. Электрический ток движется по обмотке двигателя, ротор начинает оборачиваться вследствие замыкания всех рабочих звеньев в цепь. Обороты роторов передают сцепляющие муфты к входу редукторов, что подают энергию вращения основному шестиконечному шиберу, связанному с рабочими валами. Последние компоненты формируют реечную трансляцию, обусловливающую трансформацию вращения основного вала в поступательные движения шибера и стрелочных остриёв.
Стрелочные электроприводы могут функционировать в режиме холостого хода при отсоединении контролирующего реле в момент запуска двигателя.
Вследствие включения электрического двигателя кинетическая энергия его якоря и прочих элементов идет на спад с помощью фрикционной муфты и трения в рабочих узлах.
Неполный оборот рабочего шибера на 280° осуществляется во время перевода стрелки. В этот период подготавливаются резервные электрические цепи, что обеспечивает возможность возвращения стрелки в исходные позиции.
Запирающий механизм
Механическое запирание остряков осуществляется внутренним запирающим устройством стрелочного электропривода, состоящим из двух кулачковых пар. Запирающие кулачковые пары образованы крайними срезанными (скошенными) зубьями шибера и шиберной шестерни, которые по окончании перевода остряков заклинивают шибер, исключая его перемещение внутрь колеи, т. е. отведение прижатого остряка к рамному рельсу.
Запирающий механизм, являясь рабочим органом электропривода, в зависимости от назначения последнего призван выполнять следующие функции: 1) в рабочем режиме электропривода осуществляет отпирание, перевод из одного крайнего положения в другое крайнее, из среднего – в любое крайнее, замыкание и надежное удержание шибера в статическом и динамическом режимах работы электропривода; 2) в рабочем режиме электропривода осуществляет отпирание замкнутого шибера, перевод из одного крайнего положения в другое крайнее положение обоих шиберов, из среднего положения – в любое крайнее, замыкание шибера, прижатого к рамному рельсу остряка с усилием 50 кН и удержание шибера отведённого остряка с усилием взреза; 3) надежное удержание обоих шиберов в статическом и динамическом режимах работы электропривода. В режиме взреза электропривода осуществляется отпирание шибера прижатого остряка при движении шибера отведённого остряка в сторону своего рамного рельса и перевод обоих шиберов в другое крайнее положение под действием внешних силовых факторов. В этом режиме силовой механизм электропривода участия не принимает; в рабочем режиме электропривода осуществляет отпирание, перевод из одного крайнего положения в другое, а также из среднего – в любое крайнее, запирание с усилием взреза шибера, его надёжное удержание с этим усилием в статическом и динамическом режиме работы электропривода. В режиме взреза электропривода осуществляет отпирание шибера и дальнейший его свободный перевод в другое крайнее положение под действием внешних силовых факторов. В этом режиме силовой механизм электропривода участия не принимает.
Механизм запирания выполняет конкретные операции и является сложным кинематическим узлом, в который входит множество элементов, представленных в единой оптимизированной конструкции, работающей с конкретным алгоритмом, где участие каждого элемента подчинено строгому закону движения с высокой степенью надёжности. Состояние и чёткая работа каждого элемента конструкции запирающего механизма напрямую связаны с обеспечением безопасности движения поездов.
Запирание остряков может не наступить при условии: неприлегания прижатого остряка; отставания остряка от рамного рельса на 4 мм и более; разъединения остряков; неисправности стрелочного электропривода.
На то, что запирания остряков не произошло, указывает отсутствие контроля положения стрелки на пульте электрической централизации (ЭЦ) после окончания её перевода – начинает мигать красная лампочка и звенит стрелочный контрольный звонок.
Защищённость стрелочного электропривода и его гарнитуры от опасных отказов
Рабочие органы электропривода представляют собой запирающий механизм и силовой, состоящий из электродвигателя, механического редуктора с предохранительной муфтой, который преобразует вращательное движение ротора электродвигателя в поступательное движение ведущего органа запирающего механизма со скоростью V (м/с).
Контрольное устройство электропривода является наиболее ответственным участвующим в организации движения поездов узлом и представляет собой электромеханическое устройство, состоящее из механизма сравнения и автопереключателя контактного или бесконтактного типа.
Отказы устройств стрелочного электропривода приводят к задержке поездов, срыву графика движения. Ежегодно в России задержки движения поездов по причине отказов технических средств в устройствах сигнализации, связи и вычислительной техники составляют свыше 7 тыс. часов. Среди устройств отказы стрелочных электроприводов составляют более 10 % от общего числа отказов.
Несущая способность каркаса во много раз выше предела прочности любого элемента рабочего органа гарнитуры и электропривода, в то же время элементы самого несущего каркаса являются неконтролируемыми и поэтому опасными. Однако надежность и прочность узлов крепления несущего каркаса делает его разрушение маловероятным, что при условии правильного содержания является гарантией обеспечения безопасности движения поездов. В целях исключения влияния состояния рабочих органов гарнитуры, несущего каркаса, электропривода и колеи пути на надёжность запирания остряков и удержания их в этом положении применяются внешние замыкатели остряков, каждого к своему рамному рельсу. Если рабочий и статический режимы в большей степени участвуют в подготовке и организации движения поездов, то динамический и режим взреза стрелки непосредственно связаны с обеспечением безопасного прохождения по стрелке подвижного состава – пассажиров, грузов и технических средств.
В этом случае в обеспечении безопасности участвуют, согласно структурной схеме стрелочных переводов, остряк, рамный рельс, рабочие органы гарнитуры, несущий каркас, узлы крепления и запирающий механизм стрелочного электропривода вместе с рабочим шибером (шиберами). Контрольное устройство, контрольные органы гарнитуры, силовой механизм не влияют на безопасность при прохождении подвижного состава, они участвуют только в подготовке, контроле исправного состояния и выполнении операций. Поэтому для различных элементов структурной схемы стрелочного перевода, выполняющих более узкую, локальную задачу в структуре комплекса стрелочного перевода, определяют положения безопасности.
Особую опасность представляет излом, изгиб подвижных частей гарнитуры – рабочей или связной тяги, или разъединения узлов их крепления. Если такое событие происходит, например, при проходе подвижного состава, то в этом случае снимается запирание остряков при сохранении дистанционного контроля положения стрелки, что является опасным отказом, не контролируемым системой электрической централизации. Излом, изгиб рабочей тяги или обрыв узлов её крепления во время перевода стрелки являются отказами контролируемыми, защитными, т. к. контрольные тяги останутся на месте и контроля положения стрелки не будет. В то же время обрыв узлов крепления связной тяги к остряку в процессе перевода стрелки является опасным отказом, потому что при реверсировании привода тяга вновь вернёт остряк в первоначальное положение, что приведёт к восстановлению контроля незапертой стрелки.
Защитное состояние в системе ЭЦ наступает при повреждении контрольных тяг (изгиб, излом контрольных тяг или обрыв узлов крепления к острякам или приводу), т. к. при прохождении подвижного состава исключено их влияние на состояние рабочих органов стрелочного перевода и стрелочной гарнитуры, а наличие повреждений должно контролироваться контрольной системой ЭЦ непосредственно в данный момент либо при следующем за данным событием переводе стрелки.
Контрольное устройство привода является наиболее ответственным узлом и представляет собой электромеханический компаратор, состоящий из механизма сравнения и автопереключателя с электрическими контактами. Механизм сравнения (стрелочных электроприводов серии СП) срабатывает в конце перевода стрелки, переключая ножевой рычаг автопереключателя. Ножевой контакт занимает контрольное положение только в случае одновременного совпадения двух событий: западания, во-первых, ролика переключающего рычага в вырез шайбы главного вала, что свидетельствует об окончании перевода стрелки двигателем привода и её запирании, и, во-вторых, зуба ножевого рычага в совмещённые вырезы контрольных линеек, что фиксирует фактическое перемещение остряков на заданное расстояние.
Контрольное устройство, работающее как электромеханический прибор с запоминанием каждого состояния контролируемого объекта (стрелки), не обеспечивает размыкание электрической контрольной цепи при изломе любого элемента стрелочного перевода и стрелочной гарнитуры, происшедшем в их статическом режиме работы. Это противоречит главному принципу конструирования ответственных приборов и устройств ЭЦ, в частности реле, заключающемуся в обеспечении заграждающегося положения устройства при внезапно возникшей неисправности.
Отказ типа «разрыв» любого элемента запирающего механизма является неконтролируемым, поэтому такое состояние является опасным. Наиболее опасными являются неконтролируемые отказы, возникающие при работе электропривода в статическом и динамическом режимах, вызванные внешними силовыми факторами, усталостью материала или его деформацией. Такие отказы могут быть вызваны вибрацией, следствием которой может быть не только возрастание горизонтальных и вертикальных динамических нагрузок, приводящих к деформациям и изломам, но и к самопроизвольным отпираниям шибера, самовзрезам, нарушениям жёсткости системы.
Основные требованиями к стрелочным электроприводам определены Правилами технической эксплуатации Российской Федерации. Стрелочные электроприводы всех видов должны обеспечивать при крайних положениях стрелки плотное прилегание прижатого остряка к рамному рельсу, не допуская замыкания стрелки при зазоре между остряком и рамным рельсом 4 мм и более, отводить другой остряк от рамного рельса на расстояние не менее 125 мм. Эти положения являются исходными для определения требований к синтезу запирающих механизмов.
Требования к запирающим механизмам с учётом мер безопасности движения поездов должны формулироваться исходя из трёх основных критериев: обеспечение выполнения силовых факторов, действующих в стрелочном переводе и воспринимаемых электроприводом; надёжное выполнение алгоритма режимов работы электропривода; контролируемость состояний механизма и предупреждение опасных отказов.
Разработанные на базе кулачковых механизмов замыкания рабочего шибера стрелочные электроприводы ВСП-150, ВСП-2х150, ВСП-220 в сравнении с серийным электроприводом СП-6 имеют существенные преимущества:
Повышенный уровень безопасности движения поездов за счёт: а) новой, более надёжной системы механизма запирания и удержания шибера (шиберов) в замкнутом состоянии; б) гашения электроприводом кинетической энергии остряков (подвижных сердечников крестовин) в конце перевода путем снижения скорости довода остряков; в) безударного гашения кинетической энергии вращающихся и поступательно двигающихся масс (деталей силового механизма) внутри привода путем наличия демпфирующих устройств; г) защищённости электропривода при взрезе; д) наличия узла фиксации взреза врезных электроприводов; восстанавливаемости электропривода после взреза; е) независимой контрольной системы следящего типа с обеспечением контроля прижатого, отведённого остряков контроля взреза и вырыва контрольных линеек из электропривода, контроля замкнутого (разомкнутого) положения шибера (шиберов); ж) блочности конструкции, позволяющей узлам выполнять свои функции независимо от состояния и наличия смежных узлов электропривода; з) более устойчивого крепления электропривода на стрелке, уменьшения вдвое числа изоляционных точек, снижения уровня воздействия динамических усилий на электропривод при прохождении подвижного состава; и) отсутствия необходимости сверления отверстий в рамных рельсах для крепления гарнитуры.
Снижение эксплуатационных затрат за счёт: а) увеличения сроков периодичности обслуживания электропривода; б) снижения норм времени на обслуживание и проведение регламентных работ; в) уменьшения расхода материалов, электроэнергии; г) наличия возможности контроля технического состояния электропривода автоматизированной системой управления путем тестирования и передачи информации на автоматизированное рабочее место дежурного электромеханика системы централизации и блокировки; д) увеличения срока службы электропривода.
Экономическая целесообразность применения за счёт: а) снижения эксплуатационных затрат; б) экономии приведённых затрат, наличия экономической эффективности; в) окупаемости затрат в сроки, не превышающие 4–5 лет.