автореферат диссертации по транспорту, 05.22.08, диссертация на тему:Методы построения путевых устройств железнодорожной автоматики на базе жидкометаллических контактов

На правах рукописи

Р Г Б ОД ОСИПОВ

Виталий Михайлович

2 1 т\ 1993

МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ ПУТЕВЫХ УСТРОЙСТВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ НА БАЗЕ ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ

05.22.08 — Эксплуатация железнодорожного транспорта (включая системы сигнализации, централизации и блокировки)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1998

Работа выполнена на кафедрах «Автоматика и телемеханика на железных дорогах» Петербургского государственного университета путей сообщения и «Автоматика, телемеханика и связь» Иркутского института инженеров транспорта.

доктор технических наук, профессор САПОЖНИКОВ Вл. В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор ДМИТРЕНКО И. Е.

кандидат технических наук, доцент РОДИН в. и.

Ведущее предприятие — Восточно-Сибирская железная дорога.

Защита диссертации состоится < ... 1998 г.

в 13 час 30 мин на заседании диссертационного совета Д 114.03.03 при Петербургском государственном университете путей сообщения по адресу: 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9, ауд. 7-320.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Университета.

Автореферат разослан м » . . . . . 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук,

Научный руководитель —

доцент

В. Б. КУЛЬТИН

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. С 80-х годов на сети дорог находят применение релейно-контактные устройства с жидкометаллическими контактами (ЖМК). Особенностью таких устройств является смачивание зоны контактирования (ЗК) электропроводной жидкостью (как правило, ртутью или ее амальгамами). Поэтому устройства с ЖМК обладают рядом преимуществ: низкой величиной и высокой стабильностью переходного сопротивления, отсутствием электрического дребезга при коммутации цепей, высоким ресурсом и не требуют регулировки в процессе эксплуатации.

В настоящее время в системах железнодорожной автоматам и телемеханики (СЖАТ) эксплуатируются десятки т'ысяч импульсных путевых приемников с язычковыми КМК (реле ИВГ.ИВГ-М). На ряде дорог также применяются экспериментальные образцы трансмиттерных герко-новых коммутаторов (реле ТГ). Опыт эксплуатации перечисленных устройств в путевых условиях СЖАТ подтверждает известное положение о высоком ресурсе и стабильности электрических параметров язычковых ЖМК. Это создает предпосылки для многократного увеличения срока службы без замены и регулировки путевых устройств на базе ЗШК и соответствующего снижения затрат на содержание СЖАТ.

Однако, наряду с положительными свойствами, наблюдается значительное число отказов, что вызывает задержки поездов.

Наличие жидкости, способной перемещаться внутри корпуса ЖМК, способствует возникновению нетрадиционных для СЖАТ отказов. К тагам отказам относятся: увеличение длительности мостового-переключения (ДМП), т.е. времени, в течение которого существует электрическая цепь между нормально-разомкнутым (НР) и нормально-замкнутым (НЗ) выводами при переключении геркона; постоянное перемыкание контактов. Эксплуатируемые на сети дорог дешифраторы кодов недостаточно защищены от таких отказов, поэтому в ряде случаев могут возникать опасные для движения поездов состояния.

Также снижают безопасность отказы устройств с ЖМК, заключающиеся в дроблении кодов при сверхнормативном увеличении уровня управляющего сигнала.

Для сокращения задержек и повышения безопасности движения поездов необходимы исследования причин возникновения и разработка путей устранения данных отказов.

В последние годы отечественной промышленностью разработаны новые виды ЖМК: язычковый МКДР-45281 и плунжерный МКАР-38201 (в дальнейшем, МКДР и МКАР), которые обладают рядом преимуществ (по сравйению с серийно выпускаемыми и эксплуатируемыми в СЖАТ контактами МКСР-45181, в дальнейшем, МКСР): более высокой коммутируемой мощностью, несвариваемостью и размыканием под действием силы тяжести. Достоинства таких ЖМК предопределяют возможность создания путевых приемников и коммутаторов с улученными характеристиками, применение которых повысит надежность и безопасность СЖАТ.

Требования по исключению опасных отказов и особенности СЖАТ, особенности и отсутствие опыта эксплуатации новых ЖМК вызывают необходимость исследований по определению совместимости их параметров с действующими устройствами и целесообразности применения. Также требуется разработка новых, более аффективных схем искрога-шения для устройств с ЖМК.

Разработка новых путевых приемников с ЖМК сдерживается отсутствием приемлемых для СЖАТ методов реализации полярной и фазовой избирательности геркона.- Внедрение таких путевых приемников позволит улучшить работу рельсовых цепей (РЦ).

Дель работы - исследование особенностей ЖМК и разработка методов построения путевых устройств СЖАТ на базе ЖМК.

Задачами диссертации являются:

1. Определение причин отказов импульсных путевых приемников с ЖМК, связанных с: а) увеличением ДМП, б) постоянным перемыкали-

ем контактов, в) выключением при сверхнормативном напряжении, и разработка рекомендаций по их устранению;

2. Разработка аналитической методики оценки ДШ язычкового КМК с капиллярной подпиткой;

3. Разработка схемных решений по стабилизации временных параметров кодов и по искрогашению на контактах устройств с ЛМК;

4. Определение причин отказов коммутаторов с ЖМК и разработка рекомендаций по их устранению;

5. Разработка методов построения приемников с полярной и фазовой избирательностью на базе ЖМК;

6. Исследование возможности применения ЗШК новых типов в

СЖАТ.

Методы исследования осноеэны на применении: теории дифференциального исчисления; методов численного интегрирования; математического моделирования и натурных экспериментов процессов движения жидкости в ЛйК и процессов в электрических и магнитных цепях.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана математическая модель процесса движения жидкости в язычковом ЖМК с капиллярной подпиткой; предложена гидро-калиллярная методика оценки ДМП;

- разработана математическая модель для расчета перераспределения сил в ЗК импульсного путегого приемника с ЖМК при сверхнормативном увеличении уровня управляющего сигнала;

- разработаны метод построения входной цепи импульсного путевого приемника, повышающей безопасность и стабильность временных параметров кодов; метод построения выходной цепи, обеспечивающей искрогашение на НР и НЗ контактах;

- предложен метод расчета параметров герконовых реле, включаемых на выпрямленное напряжение, обеспечивающий устойчивое замыкание контактов; метод расчета параметров гершнового коммута-

тора с синхронным отключением РЦ,-уменьшающий эрозию контактов;

- предложены метод построения герконового путевого приемника, обеспечивающий фазовую избирательность и метод построения герконового путевого приемника, обеспечивающий полярную избирательность .

Достоверность научных положений и результатов диссертации подтверждена их экспериментальной проверкой и практической реализацией на заводе-изготовителе ШК» Петербургском электротехническом заводе МПС, дистанциях сигнализации и связи.

Практическая ценность работы состоит в создании инженерной методики, позволяющей оценить ДМП язычкового ЖМК с капиллярной подпиткой для различных конструктивных факторов и прогнозировать ее изменение в процессе эксплуатации; в определении причин возникновения отказов импульсных путевых приемников, связанных с увеличением ДМП, постоянным перемыканием контактов, изменением числовых признаков кодового сигнала, отказов коммутаторов ТГ, связанных с интенсивной эрозией контактов. Результаты исследований позволили разработать методы устранения отказов и совершенствования существующих ЗШК и устройств на их основе, а тагае позволяют создавать новые устройства с улучшенными характеристика*,«!.

Реализация результатов работы. Диссертационная работа направлена на выполнение Программы развития и совершенствования средств автоматики, телемеханики и связи на железнодорожном транспорте на 1984-1985 г.г. и на период до 1990 года, утвержденной приказом министра путей сообщения N 2355 от 31.10.83, и Программы разработки и внедрения средств СЦБ, связи и вычислительной техники на железных дорогах России на период до 2000 г., утвержденной указом министра путей сообщения N 152-у от 01.07.93.

Рекомендации и результаты работы используются: заводом-изготовителем ШК для совершенствования их конструкции, технологии

производства, выходного контроля; Петербурга™ электротехническим заводом МПС для совершенствования входного контроля ЖМК, конструкции, технологии производства, выходного контроля устройств с ЗШК.

Результаты работы использованы ПГУ ПС при проведении научных исследований по темам: "Тралсмиттерное и импульсное реле с использованием герконов нового поколения МКДР, МКС-(Р), МКА, "Биплан"" (N г.р. 01860044328) и "Разработка и исследование коммутационных приборов и устройств электрической централизации и автоблокировки" (N г.р. 01860050134).

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на: Всесоюзной научно-технической конференции "Ускорению научно-технического прогресса на железнодорожном транспорте - энергию и творчество молодежи" (Москва, 1986 г.); XXXVII научно-технической 'конференции, посвященной 30-летию УЭМИИТа (Свердловск, 1986); XXXXVII Студенческой научно-технической конференции с участием мйяодых ученых и специалистов "Неделя науки - 87" (Ленинград, 1987); Региональной научно-технической конференции "Достижения радиоэлектроники и автоматики - прогрессу производства и научных исследований" (Свердловск, 1987); XV, XVIII, XX научно-технических конференциях сотрудников ИрИИТа и специалистов эксплуатации и строительства железных дорог (Иркутск, 1990, 93, 95 г.).

Публикации. Материалы исследований опубликованы в 20-ти печатных работах (включая 5 изобретений).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 14S страницах машинописного текста, иллюстрируется рисунками на 45 страницах, содержит 21 приложение на 33 страницах. Библиография включает 1.19 наименований.

основное: содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, проводится краткий обзор литературы и разработок по совершенствованию путевых элементов СЖАТ, выбраны научные проблемы, которые подлежат решению.

В первом разделе проведен анализ работы в эксплуатационных" условиях СЖАТ устройств с ШК, на основании которого поставлены задачи диссертационного исследования.

Обзор данных по работе приемников ИВГ, собранных представителям ПТУ ПС, дорог и отделом надежности ЦШ МПС показал, что имеет место низкое качество производства и транспортировки. По сведениям 13-ти дорог за 86 г. из 13600 приемников ИВГ у 147 были отказы, что несколько превышает число отказов у такого же числа приемников традиционного типа с открытой контактной системой. Отказы имеют место как у приемников с ¡ШК первой серии, так и -еторой серии выпуска (соответственно, до 84 г. и после 84 г.).

Наибольшее число отказов приемников ИВГ за 86-89 г.г. происходило по причине постоянного перемыкания контактов. Такие отказы возникали, как правило, в течение первого года эксплуатации. Согласно указан;® ЦШ МПС в 1986 г. работниками дорог проводилась проверка ДМП у приемников ИВГ выпуска 83 84 г., находящихся в эксплуатации не менее года. В результате проверки 886 приемников на 21 дороге у 77 было отмечено увеличение .НМЛ. У приемников с ЗШК второй серии увеличение ЯШ не наблюдалось. Кроме того имели место отказы, связанные с: дроблением гадов при сверхнормативном увеличении питающего напряжения; свариванием, замерзанием, разрушением корпуса ЖМК; незамыканием НЗ контакта и другими причинами.

По данным Восточно-Сибирской к.д. в 95 г. зафиксировано 18 отказов (эксплуатировалось 1590 приемников), что меньше аналогичного показателя за 94 год (27 отказов). Наиболее вероятной, по

тению работников дистанций, причиной отказов является перемыкание контактов, что наблюдается и у приемников выпуска после 90 г.

При эксплуатации экспериментальных образцов коммутаторов ТГ имели место отказы, связанные, как правило, с неразмыканием или перемыканием ЖМК, включенных в схему РЦ.

Учитывая, высокую стабильность электрических параметров эксплуатируемых устройств с ЖМК, улучшенные характеристики, возможность многократного увеличения срока службы без замены и регулировки (по сравнению с традиционными для СЖАТ реле) и наличие отказов, вызывающих задержки поездов и повышающих вероятность возникновения опасных состояний, можно сделать вывод о необходимости совершенствования устройств с ЖМК.

Поскольку эксплуатируемые устройства приема и дешифрации кодовых сигналов наименее защищены от отказов, связанных с увеличением ДМП, первоочередной задачей является изучение факторов, влияющих на эту величину, и прогнозирование возможных значений .ДМП в процессе эксплуатации. Для решения этой задачи требуется разработка аналитической методики оценки ДМП.

Во втором разделе разработана аналитическая методика оценки ДМП язычкового ЖМК с капиллярной подпиткой.

Находящуюся в баллоне жидкость можно условно разбить на следующие части (рис. 1): резервуар с областью мениска; якорь, на поверхности которого имеется система капилляров; мостики жидкости между якорем и неподвижными контакт-устройствами (к-д); капли, осевшие на внутренних поверхностях колбы геркона и выводах к-д.

Кривизна поверхности жидкости А в капиллярной системе язычкового ЖМК в состоянии покоя (до перелета якоря) зависит от высоты h расположения ЗК над верхней точкой мениска и • определяется на основании известной формулы:

A(h)=(a2 sin Q3 ■ 0.5 hi - hi h)/(a2 hi), (1)

- а -

Рис. 1

и.. 10

8

6

4

2

мм/с

Рис. 2

Рис. 4

Рис. 3

п >/0ТТ01 с ш ЗК

\

Г~притс ж в ЗК

О 0.003 0 0.12 0.24 0.36 0.48 0.6 I, с Рис. 5

где a=H5/(pg) - капиллярная постоянная жидкости, м; б - поверхностное натяжение, н/м; р - плотность жидкости, кг/м3; g - ускорение свободного падения, м/с2; Оз - угол смачивания на границе жидкость-стекло, рад;, hi-высота мениска, м.

Искривленный поверхностный слой жидкости создает отрицательное давление молекулярного происхождения Р=2бА, уравновешивающее вес жидкости в капиллярах и области мениска.

Будем считать, что кривизна поверхности жидкости между якорем и неподвижной к-д и внутреннее давление жидкости в мостике соответствуют кривизне и давлению жидкости в капиллярах на уровне ЗК, и пренебрегать влиянием массы на форму поверхности мостика.

Форма поверхности и количество жидкости в ЗК определяется по

уравнению капиллярности Лапласа, . которое., приводится к системе

обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка:

dr с!ф cos Ф dz dV 2

— = sin Ф, — = - - Л, — = cos ф, — = it г cos ф, (2)

di di г di di

где 2 - координата в направлении оси мостика, м; г - радиус кривизны поверхности мостика в плоскости, перпендикулярной его оси, м; 1 - длина образующей мостика, м; Ф - угол наклона касательной к образующей к оси oz, рад; V - объем мостика, м3.

Установлено, что объем жидкости в ЗК существенно зависит от ее размеров (в частности, длины и диаметра насадки, площади пятна смачивания неподвижной к-д). Объем жидкости в ЗК при существовании мостика между якорем и насадкой, находящейся на неподвижной к-д, составляет 0.005-10.01 мм3 и может увеличиваться до 1*2 мм3 при существовании мостика между якорем и неподвижной к-д.

Причем, для заданных формы насадки и X(hk) существует критическая длина, при которой возможно заполнение жидкостью всего пространства'между якорем и неподвижной к-д.

После перелета якоря мостик принимает новую форму, соответствующую минимуму свободной энергии. Новая кривизна Л и внутреннее давление в мостике р' уже не компенсируют вес жидкости в капиллярной системе, что приводит к оттоку жидкости из ЗК.

Промежуточные мостики в процессе движения якоря и оттока жидкости из ЗК находятся в равновесных состояниях и могут быть рассчитаны по (2).

В таблице приведены начальные, граничные условия и варьируемые параметры для расчета кривизны поверхности и объема жидкости в ЗК. При этом можно выделить 4 различных стадии существования мостика (рис. 2).

Стадия Начальные условия Граничные условия Варьируемый параметр

1 2 3 4 Г1 = Гнас <!>1 = 0 <!>1 = - Я/2 Г1 - Гсмач гг ^ Гщах Ф2= л/2 Г2= Гшах 2=2Гр У=УГр а, А Г1, Л Ф1, X

Индексами 1 и 2 обозначены параметры соответственно на неподвижной и подвижной к-д, Гщах - максимально допустимое размерами якоря значение радиуса основания мостика. Для длительно замкнутого контакта величина п не превышает радиуса пятна смачивания неподвижной К-д (Гсыач).

При оттоке жидкости и уменьшении размеров мостика образующая его поверхности касается поверхности насадки. Часть жидкости остается между насадкой и неподвижной к-д (показано пунктиром). Причем, в зависимости от конструктивных размеров ЗК возможно касание как боковой поверхности, так и основания насадки. Решая (2) можно определить последовательные состояния мостиков и для насадок другой заданной формы.

Когда объем мостика уменьшается настолько, что не существует удовлетворяющего начальным и граничным условиям решения уравнения мостика, происходит его обрыв.

Процесс оттока избыточного количества жидкости из ЗК начинается из состояния покоя и сопровождается изменением кривизны поверхности мостика и внутреннего давления в верхнем створе капиллярной системы. Поэтому движение носит неустановившийся характер.

В процессе изменения кривизны поверхности мостика и оттока жидкости по капиллярам, изменяется лишь форма свободной поверхности, что незначительно влияет на размеры живых сечений потока ь>. Считая сечения постоянными можно применить уравнения Бернулли.

Уравнения Бернулли для неустановившегося движения вязкой несжимаемой жидкости применительно к верхнему (в ЗК) и нижнему (в верхней точке мениска) сечениям якоря запишутся в виде:

2 2 Р1 ?2 0-2^2

2-у >■ — ( - = Ъг +---+ + Ги, (3)

рг 2г р^

где Ъ - геометрический напор относительно горизонтальной плоскости сравнения, м; Р - дазление, Н/м2; а - коэффициент Кориолиса; и - средняя скорость в рассматриваемом живом сечении, м/с; - потеря напора, м; {ц - инерционный напор, м; а индексами 1 и 2 отмечены величины, относящиеся соответственно к верхнему и нижнему сечениям. Плоскость сравнения удобно провести в верхней точке мениска, тогда 22-0, а 21 определится через разность членов Р/(р^) в состоянии покоя (остальные слагаемые равны нулю).

При изучении нестационарных гидродинамических процессов обычно считается, что характеристики сопротивлений стационарных движений сохраняются и для нестационарных. Учитывая, что при движении жидкости по капиллярным путям язычкового геркона имеет место ламинарный режим, и что при переходе от 1-го к 2-му сечению

изменяется лишь кривизна свободной поверхности, а смоченный периметр х остается постоянным, 64 V Ь иСр

^ = ~ * ,

можно определить , (4 Ыср/х)

где V - кинематическая вязкость, м2/с; Ь - длина расчетного участса между сечениями 1 и 2, м; иСр=0.5(и1+112) - средняя скорость на участке между сечениями 1 и 2, м/с; ыср=0.5(«1+ы2) -среднее значение живого сечения потока на расчетном участке, м2.

Инерционный напор рассматриваемого 1 йиСр

1и= — • - • Ь,

отсека жидкости определяется по формуле: г с^

и является положительной величиной для ускоренного и отрицательной для замедленного движения.

Объем жидкости, дополнительно поглащаемой капиллярной системой за счет изменения кривизны свободной поверхности в процессе оттока, пренебрежимо мал по сравнению с общим объемом жидкости, протекающим из ЗК в резервуар. Тогда считаем, что расходы жидкости в первом и втором сечениях равны: иц^игадг- Используя замену 112= «1/Ы2, принимая для ламинарного потока «=2, пренебрегая изменением ь>, и обозначая кривизну поверхности жидкости в верхнем и нижнем сечениях XI и Хг, получим из (3) уравнение:

<Ш1 - 2О>2 В

2 иг

2 0)1

"2 " 1 4

2

+

г(<01+4)2)2

«1 ц —

«2

2б(Х2-А1)

+2г-21+---

р е

. (4.)

Общая площадь живого сечения потока жидкости по поверхности якоря и состоит из двух частей: площади потока по полукапиллярам «л и площади потока по шероховатой поверхности якоря <%.

Площадь живого сечения потока по одному прямоугольному полукапилляру (рис. 3) выразим через разность полного сечения полукапилляра и кругового сегмента радиуса И:

В

«л= С В - (?2 агсзт — + — /"]£

+• — V к2 - 0.25 В2

2 И 2

где С-глубина полукалилляра, м; В-шрина полукалилляра, м.

Будем рассматривать движение потока по шероховатой поверхности якоря как движение по независимым полукапиллярам, образованным разносторонними треугольниками стороной Д (рис. 4). Тогда живое сечение потока по шероховатой поверхности якоря выразится:

Ш ГД2^~ 1 Ар--я _ Д i

())ш= — -+ - Д i/R<4).25 Д - R¿ arcsln -

Д L 4 2 2 R J

где Ш- ширина шероховатой поверхности якоря, м.

Значение радиуса кривизны поверхности жидкости в капиллярах (в плоскости перпендикулярной якорю) в состоянии покоя будем определять на основании известной формулы:

а2 2 a2 hi

R -----я-s- • (5)

h + h 2 a sin Оз - h^

В процессе оттока жидкости изменяется А, а значит и R. Выражая из (1) h и подставляя в (5) получим зависимость R от Л:

R =

2 a2 hi 2 a2 hi

h2 + 2 a2 sin Qg -2 a2 ty А 2 а2 sin Qg- h2

позволяющую определить живые сечения потока в верхнем сечении в процессе оттока жидкости из ЗК.

Давление в точках поверхности струи несжимаемой жидкости, истекающей в несжимаемую жидкость, равно давлению окружающей жидкости в этих точках. Поэтому величину А} считаем постоянной и равной кривизне в верхней точке мениска в состоянии покоя.

Таким образом, известны все величины для решения (4) и определения параметров движения жидкости. Уравнение (4) применимо и для определения параметров притока жидкости и позволяет совместно с (2) рассчитать время полного накопления жидкости в ЗК.

Уменьшение скорости в последней части процесса оттока жидкости (рис. 5) вызвано изменением х мостика и начинается после касания образующей мостика поверхности насадки. В этот момент 3-я стадия существования мостика изменяется на 1-ю.

Уменьшение скорости в последней части процесса притока жидкости начинается в тот момент, когда увеличивающийся радиус основания мостика на НР к-д становится равным радиусу пятна смачивания НР к-д. При этом 3-я стадия существования мостика изменяется на 4-ю и начинается уменьшение IXI|.

Формы кривых скорости зависят от конструктивных размеров ЗК и площадей смачиваемых поверхностей, что определяет закон изменения А1 при изменениях V и соответствующий закон изменения давления в верхнем створе капиллярной системы.

Если длина насадки больше критической или неподвижная к-д не смачивается жидкостью, то существуют 1 и 2-я стадии мостика. Тогда существенно уменьшается количество жидкости в ЗК и ДМП.

Для определения точности гидрокалиллярной методики проведен цикл экспериментальных измерений и расчетов ДМП для длительно замкнутого ЖМК при различных углах наклона. Хорошее совпадение характера изменения ДМП при наклоне ЖМК для расчетных и экспериментальных кривых подтверждает правильность положений, принятых при разработке гидрокапиллярной методики. Расчетные и экспериментальные значения углов а, при которых не происходит обрыв мостика между НР к-д и якорем, отличаются незначительно (на 1*3 что подтверждает правильность положений, принятых при определении параметров мостиков и величине А на уровне ЗК при наклоне ЖМК.

Относительная погрешность методики составила 23 %, что можно считать хорошим показателем для оценочных гидрокапиллярных расчетов. Такая точность позволяет оценить величину ДМП, ее соотношение с временными параметрами кодовых реле, и определить влияние

конструктивных параметров ЖМК на значения ДМП.

Третий раздел посвящен определению причин отказов и путей повышения надежности импульсных путевых приемников с ЖМК.

В большей степени снижают безопасность движения отказы, связанные с увеличением ДМП. Такие отказы имели место в эксплуатационных условиях у ЖМК первой серии. У ЖМК второй серии после 1-2х годичной эксплуатации увеличения ДМП не наблюдалось. Для прогнозирования возможных значений ДМП при большей наработке проводились ускоренные испытания ЖМК. При этом контакты размыкали повышенную нагрузку постоянного тока мощностью 200 Вт, замыкание цепи происходило в бестоковом состоянии. У большинства ЖМК первой серии происходило существенное увеличение ДМП. У ЖМК второй и третьей серии увеличение ДМП не наблюдалось.

В результате обследования испытанных герконов установлено, что в процессе наработки происходит разрушение защитного покрытия плоской части НР контакта. При этом вокруг насадки образовывается смоченное жидкостью пятно круглой формы, радиус которого постепенно увеличивается. У контактов, характеризующихся значительным увеличением ДМП, после срабатывания происходит заполнение жидкостью всего смоченного пространства между НР и подвижной к-д. У остальных ЖМК хотя и происходит амальгамирование неподвижной к-д, ДМП практически не изменяется.

Установлено, что длина насадки у ЖМК, подверженных существенному возрастанию ДМП в процессе наработки, значительно меньше конструктивной. Для таких контактов существует решение уравнения мостика (2), длина которого равна длине насадки, а кривизна поверхности - кривизне жидкости в полукашшшрах на уровне ЗК.

В результате расчетов по разработанной в разделе 2 методике установлено, что и у ЖМК второй серии в случае несоблюдения длины насадки и увеличения пятна смачивания неподвижной к-д величина

ДМП превысит допустимую норму (20 мс при разовых перешюченях).

Этот вывод подтвержден и экспериментально: при наклоне гер-кона второй серии и разрушении защитного покрытия НР к-д значи- • тельно возрастает количество жидкости в ЗК. Разрушение защитного-,, покрытия НР к-д может вызывать, при невыполнении длины насадки, увеличение ДМП и у ЖМК третьей серии. Установлено, что ДМП у ЖМК третьей серии, измеряемая после переворачивания включенного гер-кона и возвращения его в вертикальное положение, существенно увеличилась после 1125 циклов отключения активной нагрузки мощностью 390 Вт (от 0.42-Ю-3 с до 1.44 с).

Поэтому необходимы мероприятия по повышению стабильности ДМП. В частности, рекомендовано усовершенствовать покрытие НР к-д, производить проверку ДМП при наклоне приемника, дополнить контроль ЖМК операцией проверки фактических размеров ЗК. Для контроля размеров насадки разработан диалроекционный метод (изображение ЗК проецируется на экран с помощью диапроектора).

Одна из особенностей работы путевого приемника СЖАТ заключается в широком изменении напряжения на его обмотке. При неправильной регулировке РЦ и неисправностях элементов релейного конца напряжение на обмотке приемника ИВГ может в несколько раз превышать напряжение срабатывания.

При массовом производстве приемников ИВГ обнаружилось, что некоторые образны после срабатывания и 5*10 кратного повышения напряжения размыкают НР и замыкают НЗ контакты. При последующем уменьшении напряжения происходит срабатывание, а затем - выключение приемника. Импульсное питание такого приемника повышенным напряжением приводит к дроблению кода, так как геркон успевает срабатывать в процессе нарастания и в процессе спада управляющего тока. Данный отказ при соответствующем уровне управляющего сигнала может привести к опасному состоянию.

Исследования показали» что причиной выключения приемника при повышенном напряжении является некачественное изготовление герко-на. При соответствующем расположении такого ЙМК в магнитной системе происходит насыщение НР к-д за счет паразитного магнитного потока, протекающего с нижней втулки на НР к-д минуя рабочий зазор. В результате увеличивается магнитное сопротивление НР к-д и часть потока с подвижной к-д ответвляется на неподвижную НЗ к-д» что приводит к выключению геркона. При уменьшении напряжения НР к-д выходит из режима насыщения и ЖМК срабатывает.

Явление дробления кодов не обнаруживается при контроле параметров герконов в измерительной катушке, т.к. в этом случае практически отсутствует магнитный поток, протекающий через расплющенную часть НР к-д минуя рабочий зазор. Поэтому проверку ЖМК на способность к дроблению кодов целесообразно проводить в специальной магнитной системе, которая может быть аналогична магнитной системе приемника ИВГ.

Приемники, допускающие дробление кодов при повышенном напряжении, могут быть перерегулированы путем поднятия и разворота геркона. При этом целесообразно обеспечить стабильность положения ЖМК относительно магнитной системы.

Расчеты показывают, что изменение параметров магнитной цепи геркона (например, увеличение сечения НР к-д и увеличение длины антимагнитной насадки на НЗ к-д) позволяет, и для неблагоприятного расположения ЖМК в магнитной системе приемника, существенно увеличить напряжение дробления кодов или устранить это явление.

Наиболее распространенным отказом приемника ИВГ является перемыкание на длительное время НР и НЗ контактов. После переворачивания или просто снятия приемника оно устраняется, поэтому выявить место этого отказа в напольных условиях практически невозможно. В результате ускоренных испытаний получены перемыкания в

лабораторных условиях. При осторожном извлечении и наклоне герко-нов иногда удается (за счет смывания капель с внутренней поверхности колОы находящейся в резервуаре жидкостью), сохранив перемыкание, обеспечить обзор пространства между к-д. Определено, что перемыкание происходит над ЗК между плоскими частями НР и НЗ к-д.

Причиной перемыкания является соприкосновение капель, осевших на противоположных к-д. Микрочастицы разбрызгиваемой и частично испаряемой при коммутации жидкости попадают на к-д и находящиеся на них капли. В результате происходит образование новых и увеличение размеров существующих капель. Образованию крупных капель также способствует соединение соседних капель (при увеличении их объема) и сползание капель вниз (из-за вибрации и увеличения веса капель). При соприкосновении находящихся на разных к-д капель образуется перешеек, удерживающийся на к-д за счет молекулярных сил. При дальнейшем увеличении размеров перешейка он может снижаться, и после касания с якорем стекает в резервуар.

Перемыкания исключаются конструктивной доработкой ЖМК, например: а) амальгамированием поверхностей пластин к-д, б) увеличением расстояния, уменьшением площади перекрытия между пластинами НР и НЗ к-д, в) покрытием поверхностей пластин диэлектриком.

Расчеты по разработанной в разделе 2 методике показывают, что падение капли на насадку непосредственно перед перелетом якоря приводит к разовому увеличению ДМП в этом кодовом цикле (так как увеличился объем жидкости в ЗК), а значит, может нарушить правильную дешифрацию принимаемого кода. Например, для ЖМК второй серии и объема капли 0.44 и 0.54 мм3 расчетная величина ДМП соответственно составила 30.5 и 75.8 мс. Это также обуславливает необходимость конструктивного совершенствования ЖМК.

Кроме рассмотренных, в работе предложены схемные методы совершенствования импульсного путевого приемника с ЖМК. Построение

входной цепи из четырех, соединенных по мостовой схеме стабилитронов исключает (как в исправном состоянии, так и при отказах элементов) возможность появления на обмотке повышенных напряжений постоянного тока и связанных с этим опасных состояний, а также повышает стабильность временных параметров кодов.

Построение выходной цепи с искрогасящей цепочкой, включенной между НР и НЗ выводами позволяет, благодаря наличию мостового контакта, осуществить защиту НР и НЗ контакта.

В четвертом разделе исследовалась возможность применения язычковых ЖМК (МКСР, МКДР) в схемах кодирования Щ. Контакты в таких схемах коммутируют мощности до 600 В-А (в зависимости от вида тяги, длины, схемы РЦ), что превышает рекомендуемые техническими условиями на ШК значения.

Испытания ШК при коммутациях сверхнормативной мощности показали, что помимо известных жесткого сваривания двух к-д и амальгамирования участков внутренней боковой поверхности баллона геркона возможны новые виды отказов: 1) Тройняковое сваривание -когда соединяются вместе все три к-д (НР, НЗ, подвижная); 2) Изменение формы, сопровождающееся увеличением длины и уменьшением площади торцевой части насадки на неподвижной к-д. В этом случае уменьшается зазор между якорем и насадкой. Поэтому, после перелета якоря становится возможным существование между якорем и другой насадкой устойчивого мостика жидкости с величиной X, равной Х(Ьк). Таким образом, имеет место постоянное электрическое соединение общей и одной из неподвижных к-д, с периодическим подсоединением (после перелета якоря) другой неподвижной к-д.

Для цепей переменного тока разработаны схемы искрогашения, содержащие две конденсаторно-диодных цепочки, каждая из которых включена параллельно защищаемому контакту и предназначена для искрогашения в соответствующую полуволну. Параллельно кондесато-

рам или диодам включены резисторы, обеспечивающие разряд коденса-торов. Низкое сопротивление искрогасящих цепей (ввиду низкого сопротивления диодов в прямом направлении) и практическое отсутствие добавочного тока разряда конденсатора через замыкающийся контакт (сопротивление резисторов велико) обеспечивает эффективное искрогашение. Схемы рекомендованы для цепей низкой мощности (до 100 В-А). Для других цепей лучшие результаты дает применение схемы синхронного отключения нагрузки при протекании тока через нулевое, или близкое к нему, значение.

Установлено, что в устройствах синхронного отключения нагрузки существуют неблагоприятные моменты поступления команды на отключение - когда размыкание контактов происходит в начале полупериода. В этом случае процесс перелета якоря, оттока жидкости и обрыва мостика сопровождается быстрым увеличением мгновенных значений тока через контакт. В результате разрыв цепи происходит при большом значении тока (в несколько раз превышающем ток срабатывания геркона по элементу синхронизации 1сс), что сопровождается интенсивным разбрызгиванием и испарением жидкости, а также эрозией поверхностей к-д. Предложен метод определения числа витков синхронизирующих обмоток из уравнения:

1К = 1т-з1п [агс5т(Рср/№с- 1т)) < сЛсд.1, где РСр - намагничивающая сила срабатывания геркона по обмотке синхронизации, 1Сд ■• динамическое время срабатывания (от момента пересечения формой тока прямой 1сс до механического соединения якоря и НР к-д). При расчете из этого уравнения разрываемый контактом ток не превысит величину и для неблагоприятных моментов поступления команды на отключение (если не произошло обрыва жидкостного мостика между НР к-д и якорем до момента, когда мгновенное значение тока равно 1к, то якорь присоединяется к НР к-д и сохраняет цепь замкнутой до окончания полуволны).

При включении обмотки герконового реле на двухполупериодное выпрямленное напряжение, в зависимости от угла включения, возможно кратковременное размыкание ¡SMK в процессе срабатывания реле. Это явление происходит из-за пульсаций тока и высокого быстродействия язычкового ¡HMK и, при определенной коммутируемой мощности, может приводить к осушению ЗК и свариванию к-д (при последующем их замыкании).

Предложен метод расчета параметров реле, обеспечивающий устойчивое замыкание к-д и при неблагоприятных моментах поступления команды на включение. Метод основан на численном решении уравнения тока переходного процесса включения обмотки:

i = U¡n/ / R2+(«L)2 • ¡"sin(tótH-Jí(n-l)-íp)-sin(4.-ip)-expí-t/t) + 2-sin t?

^exp(№(n-l)-ut-i|>)/(wt))-exp((-wt-^)/(tót))jJ,

1-ехр(-я/(ш:))

где ит - амплитудное значение питающего напряжения, В; й - активное сопротивление обмотки. Ом; ы - круговая частота питающего напряжения, рад/с; - индуктивность обмотки управления, Гн;

V/ - число витков обмотки; 6 - проводимость магнитной цепи, Гн; Ь - время, с; ф - угол включения, рад; п=1пЬ((иЛ+Ф)/я)+1 - номер полупериода, п=1,2,3...; ^ап^г^/Ю - угол сдвига по фазе между напряжением и током, рад; г=1.,/й - постоянная Еремени цепи, с.

Задаваясь углами включения от О до я, определяем формы тока переходного процесса. Если для одного из углов включения кривая, после пересечения порога срабатывания, пересекает порог отпадания, то необходимо увеличить X (путем увеличения V, уменьшения И, увеличения й), увеличить коэффициент запаса К3 (путем уменьшения ЩС срабатывания, увеличения диаметра провода обмотки), уменьшить коэффициент возврата КБ (путем выбора геркона) и повторить цикл расчетов.

В результате расчетов получены номограммы, позволяющие определить значения г, к3, кв, при которых выполняется условие устойчивого замыкания к-д для любых углов включения.

На основе проведенных исследований разработана конструкция модернизированного трансмиттерного герконового коммутатора (ТГМ), удовлетворяющая требованиям к параметрам входной и выходной цепи. Коммутатор имеет управляющую обмотку с сердечником, магнитопро-вод, две расположенных снаружи обмотки синхронизации, внутри которых размещены ЖК, и два силовых диода. Диоды обеспечивают протекание тока РЦ через геркон и его обмотку синхронизации в одном направлении. Коммутатор отличается от известных коммутаторов РЦ с "сухими" контактами большим ресурсом и лучшей стабильностью временных параметров кодов при колебаниях питающего напряжения.

В пятом разделе исследовалась возможность применения плунжерных ЖМК для улучшения характеристик путевых приемников. Отпадание плунжера под действием силы тяжести и смачивание ЗК создает предпосылки для построения реле без опасных отказов с высоким Кв.

Исследования показали возможность снижения мощности срабатывания нейтрального приемника на базе ЖМК МКАР до уровня типовых путевых приемников СЖАТ. Кв составляет не менее 0.7.

При испытаниях приемника на механическую износостойкость обнаружено заклинивание плунжера в верхнем положении (после 1.4-106 циклов при К3--1.8). При испытании ЖМК МКАР в режиме коммутации повышенной мощности (порядка 600 В-А) после 7-Ю5 циклов обнаружено 1саплеобразное скопление жидкости в верхней части плунжера и постоянное перемыкание контактов. Поэтому для применения в СЖАТ целесообразна доработка конструкции ЖМК МКАР.

Для обеспечения фазовой избирательности геркона разработан специальный способ управления им. При этом используются два направленных встречно переменных магнитных потока, создаваемых об-

мотками путевого и местного элементов. Причем каждый поток направлен через подвижную к--д перпендикулярно ее движению вне рабочего зазора геркона. При совпадении фаз магнитных потоков, вследствие встречного их направления они отклоняются в зону рабочего зазора геркона и вызывают его срабатывание. Если потоки находятся в противофазе, то они не проходят через рабочий зазор геркона, геркон не срабатывает.

Преимуществами такого фазочувствительного приемника являются простота конструкции и высокие значения Кв (>0.7). При питании обмоток приемника токами разных частот (50 и 25 Гц) происходят периодические переключения геркона. В этом случае повторитель приемника, обладающий высокой инерционностью, не срабатывает.

При использовании постоянных магнитных потоков такой способ управления герконом обеспечивает его полярную избирательность.

Приемники, полученные при реализации данных способов управления герконом', не срабатывают при обратной фазе (полярности) входного сигнала вне зависимости от уровня входного сигнала, а также при отсутствии опорного сигнала.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе выполнения реферируемой работы получены следующие основные научные результаты:

1. Разработана аналитическая методика оценки ДМН язычкового ГОЖ с капиллярной подпиткой, позволяющая на стадии разработки ГОЖ оценить величину и зависимость ДШ от конструктивных факторов и времени нахождения кштактов в замкнутом состоянии, а также прогнозировать изменение этого параметра в процессе эксплуатации.

Б результате анализа с помощью методики оценки ДМП установлено, что основными причинами увеличения ДМП является несоблюдение размеров насадки и разрушение защитного покрытия НР к-д, что приводит к увеличению объема жидкости в ЗК. Это разработать диап-роекционный метод проверки и отбраковки герконов, подверженных увеличение ДШ - путем контроля размеров ЗК.

В результате численного моделирования процессов оттока и накопления жидкости в ЭК язычкового ЖМК с капиллярной подпиткой установлено: при падении капли насадку возможно разовое увеличение ДМП и нарушение правильной дешифрации кода, что обуславливает необходимость конструктивного совершенствования ЖМК.

2. Разработана математическая модель для расчета перераспределения сил в ЗК импульсного путевого приемника с ЖМК при сверхнормативном увеличении управляющего сигнала, применение которой позволило определить причину дробления кодов при сверхнормативном увеличении входного сигнала: перераспределение потоков в ЗК из-за насыщения НР к-д. Это позволило разработать направления конструктивного исключения этого явления дробления кодов (увеличением сечения НР к-д, увеличением длины антимагнитной насадки на НЗ к-д) и методику регулировки порога срабатывания путевого приемника.

3. Определены причины перемыкания контактов: оседание и увеличение размеров капель на пластинах к-д при разбрызгивании жидкости из ЗК с последующим соединением находящихся на противоположных к-д капель. Определены пути конструктивного исключения перемыканий: а) амальгамирование поверхностей пластин к-д, б) увеличение расстояния» уменьшение площади перекрытия между пластинами НР и НЗ к-д, в) покрытие поверхностей пластин диэлектриком.

4. Разработаны схема входной цепи путевого приемника, исключающая появление на обмотке повышенного напряжения постоянного тока и нежелательное явление дробления кода; схема выходной цепи

путевого приемника, обеспечивающая искрогашение на НР и НЗ к-д.

5. Выявлены причины интенсивной эрозии контактов коммутаторов РЦ с язычковыми ЖМК при включении: кратковременное размыкание контактов при неблагоприятном моменте поступления команды на включение из-за высокого быстродействия ЖМК и пульсаций магнитного потока. Это позволило разработать метод расчета параметров герконовых реле, включаемых на выпрямленное нзлряжение, обеспечивающий устойчивое замыкание контактов.

Выявлены причины интенсивной эрозии контактов коммутаторов РЦ с язычковыми ЖМК в процессе отключения: размыкание контактов в начале нарастания полуволны тока при неблагоприятном моменте поступления команды на отключение. Это позволило разработать метод расчета параметров герконового коммутатора с синхронным отключением РЦ, уменьшающий эрозию контактов).

Разработан модернизированный коммутатор на базе ЖМК с синхронным отключением РЦ, отличающийся от известных коммутаторов с "сухими" контактами большим ресурсом и лучшей стабильностью временных параметров кодов при колебаниях питающего напряжения.

Разработаны новые, более эффективные, схемы искрогашения для цепей переменного тока.

6. Разработаны метод реализации полярной избирательности геркона, метод реализации фазовой избирательности геркона, позволяющие создавать фазочувствительные и поляризваннне путевые при-' емники с ЖМК, обладающие высоким ресурсом и большим Кв.

7. Экономическая эффективность внедрения полученных в работе результатов достигается за счет: сокращения задержек поездов из-за отказов импульсных путевых приемников с ЖМК; увеличения стабильности временных параметров кодов и срока службы без замены и регулировки коммутаторов РЦ; снижения вероятности возникновения опасных состояний числовой кодовой АБ.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИЙ

Основные результаты опубликованы в следующих работах:

1. Осипов В.М. Применение жидкометаллических герконов в путевых элементах систем железнодорожной автоматики и телемеханики// Ускорению научно-технического прогресса на железнодорожном транспорте - энергию и творчество молодежи/ Тез. докл. науч.-техн. конф., Москва, ВНШЖТ, 24-25 сентября 1985. -М.: 1.986. -С.76-77.

2. Осипов В.М. Использование гшдкометаллических герконов для коммутирования рельсовых цепей железнодорожной автоматики и телемеханики// Достижения радиоэлектроники и автоматики - прогрессу производства и научных исследований/ Тез, докл. регион, науч.-техн. конф., Свердловск, 1987. -С.75-76.

3. Осипов В.М., Прынцов В.А. Требования к коммутационным устройствам с жвдкометаллическим контактом, применяемым в системах железнодорожной автоматики// Пути повышения качества и надежности гшдкометаллических контактов/ Семинар по теории машин и механизмов АН СССР. Каунасский филиал, тез. докл., КПИ, 21-23 апреля 1987. -Каунас, 1987. -С.41-42.

4. Назаренко В.А., Прынцов В.А., Осипов В.М. Особенности и результаты применения коммутационных устройств в системах железнодорожной автоматики// там же, -С.43-44.

5. Осипов В.М. Герконовый модуль для повышения коэффициента возврата путевьх реле// Роль молодых ученых и специалистов в ускорении научно-технического прогресса на транспорте/ Тез. докл. областной науч.-техн. конф., Свердловск, Обл. совет НТО, 8-9 декабря 1987. -Свердловск, 1987. -С.27-28.

6. Молодцов В.П., Осипов В.М. Трансмиттерное герконсвое реле для устройств железнодорожной автоматики// Применение современных

технических средств автоматики и вычислительной техники в системах управления перевозочным процессом: Сб. науч. тр./ ЛИИЖТ. -Л.: 1988. -С.76-80.

7. Прынцов В.А., Осипов В.М. Трансмиттерное герконовое реле // Информационный листок N 830-88/ ЛенЦНТИ. -Л.: 1988. -Зс.

8. Прынцов В. А., Осипов В.М. Импульсное герконовое реле// Информационный листок N 88-273/ ЛенДНТИ. -Л.: 1988. -4с.

9. A.c. 1561125 (СССР). Способ управления герконом/ Осипов В.М. Опубл. в Б.И., 1990, N16.

10. Осипов В.М. Исследование возможности применения плунжерных герконов в ответственных цепях железнодорожной автоматики и телемеханики// Тез. докл. XIV-XV науч.-техн. конф. сотрудников ИрШТа и специалистов эксплуатации и строительства ж.д. Сибири и БАМа, Иркутск, ИрИИТ, 24-26 октября 1990. -Иркутск, 1990. -С.8-9.

11. Осипов В.М. Повышение безопасности кодовой автоблокировки // Тез. докл. XVIII науч.-техн. конф. сотр. ИрШТа и специалистов эксплуатации и строительства ж.д., Иркутск, 1993. -С. 97.

12. Осипов В.М. Влияние аварийных режимов на функционирование устройств с жидкометаллическими контактами // Тез. докл. XX науч.-техн. конф. сотрудников ИрШТа и специалистов эксплуатации и строительства ж.д. Сибири., Иркутск, 1995. -С. 85-86.

13. Осипов В.М. Новый подход к выбору параметров электромагнитных герконовых реле, включаемых на выпрямленное напряжение // Микроэлектронные системы контроля и управления на железнодорожном транспорте.- Иркутск: ИрИИТ, 1995, -С.58-62.

14. Осипов В.М. Гидрокапиллярная методика оценки динамических параметров жидкометаллических герконов // Актуальные проблемы железнодорожного транспорта восточной Сибири., сб. научн.тр., вып.З." Иркутск: ИрИИТ, 1995, -С. 80-88.

15. Осипов В.М. Герконовый коммутатор переменного тока рельсовых цепей. // Микроэлектрснные системы контроля и управления на железнодорожном транспорте.- Иркутск: ИрИИТ, 1996, -С. 143-151.

16. Патент Ш 2087045 С1. Н 01 Н 51/28. Электромагнитное герконовое реле./ Осипов В.М. Опубл. 10.08.97 Бюл. N 22.

17. Положительное решение от 9 июля 96 г. по заявке 95111967/07(020490) "Устройство.для синхронного отключения нагрузка/Осипов В.М./ Н 01 Н 47/00, Н 01 Н 51/28.

18. Патент Ш 2094881 С1. Н 01 Н 9/30. Схема искрогашения для мостового контакта./ Осипов В.М. Опубл. 27.10.97 Бюл. N 30.

19. Положительное решение от 11 сент. 97 г. по заявке 95111595/09(020493) "Схема искрогашения для цепей переменного тока (варианты) "/Осипов В.М./ Н 01 Н 9/30.

20. Осипов В.М. Выбор параметров магнитной цепи герконового реле, работающего при многократном увеличении входного сигнала.// Автоматизированные системы контроля и управления на транспорте.-Иркутск: ИрИЙТ,1997, вып.З. -С.60-70.

Подписано к печати 18.05.98 г. Усл.п.л. 1,07 Печать офсетная. Бумага для множит, апп. Формат 60x84 1/16 Тирак 100 экз. Заказ е Ш.

Тип. ШПС 190031 С-Петербург,Московский прТ,9 ~ ~ ~

/

ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

На правах рукописи

Осипов Виталий Михайлович

МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ ПУТЕВЫХ УСТРОЙСТВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ НА БАЗЕ ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ

Эксплуатация железнодорожного транспорта (включая системы сигнализации, централизации и блокировки)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Специальность: 05.22.08 -

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Сапожников Вл. В.

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................4

1. АНАЛИЗ ПРИМЕНЕНИЯ ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ (ЖМК) В УСТРОЙСТВАХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ И ТЕЛЕМЕХАНИКИ ... 13

1.1. Анализ опыта эксплуатации импульсных путевых

приемников с ЖМК.....................13

1.2. Анализ опыта применения ЖМК в коммутаторах

рельсовых цепей ..................... 21

1.3. Обзор разработок путевых приемников с полярной и

фазовой избирательностью на базе ЖМК...........29

1.4. Постановка задач диссертационного исследования......34

2. ГИДРОКАПИЛЛЯРНАЯ МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ДЛИТЕЛЬНОСТИ МОСТОВОГО ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ЯЗЫЧКОВОГО ЖМК................37

2.1. Анализ состояния жидкости в зоне контактирования длительно замкнутого контакта .............. 37

2.2. -Определение параметров мостика в процессе

переключения ЖМК .....................45

2.3. Определение характеристик движения жидкости по капиллярной системе ................... 53

2.4. Определение точности гидрокапиллярной методики......62

3. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ИМПУЛЬСНЫХ ПУТЕВЫХ ПРИЕМНИКОВ С ЖМК......................71

3.1. Обеспечение стабильности длительности мостового переключения импульсных путевых приемников с ЖМК .... .71

3.2. Повышение безопасности работы импульсных путевых приемников с ЖМК при сверхнормативном напряжении .... .93

3.3. Исключение опасных состояний при постоянном перемыкании контактов импульсных путевых приемников с ЖМК......107

3.4. Метод построения входной цепи импульсных путевых приемников с ЖМК....................121

3.5. Метод построения выходной цепи импульсных путевых приемников с ЖМК....................132

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.......................140

4. МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ КОММУТАТОРОВ РЕЛЬСОВЫХ ЦЕПЕЙ

С ЯЗЫЧКОВЫМИ ЖМК.....................142

4.1. Исследование возможности применения язычковых ЖМК

для несинхронной коммутации цепей переменного тока . . 142

4.2. Метод выбора параметров входной цепи коммутаторов рельсовых цепей с ЖМК . .................149

4.3. Метод выбора параметров выходной цепи коммутаторов

с синхронным отключением нагрузки ........... 155

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ ........... ................168

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПЛУНЖЕРНЫХ ЖМК

ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПУТЕВЫХ ПРИЕМНИКОВ......169

5.1. Исследование плунжерных ЖМК...............169

5.2. Метод реализации фазовой и полярной избирательности геркона .........................174

5.3. Фазочувствительный путевой приемник, выключающийся

при повышенном напряжении...............181

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.......................184

ЗАКЛЮЧЕНИЕ .................... .185

ЛИТЕРАТУРА.. ................... 188

ПРИЛОЖЕНИЯ ..................... 199

АКТЫ РЕАЛИЗАЦИИ ............... .231

ВВЕДЕНИЕ

Необходимость повышения эффективности числовой кодовой автоблокировки (АБ) привела к применению на сети железных дорог устройств с язычковыми ЖМК (рисЛ Л). Такие контакты состоят из стеклянного баллона, в который впаяны выводы неподвижных и подвижной контакт-деталей (к-д). Под действием управляющего поля подвижная к-д перемещается и осуществляет коммутацию цепей.

Специфической особенностью ЖМК является смачивание контактирующих поверхностей электропроводной жидкостью (как правило, ртутью или ее амальгамами), что определяет ряд их преимуществ по сравнению с традиционными для систем железнодорожной автоматики и телемеханики (СЖАТ) контактами открытого типа: отсутствие электрического дребезга при коммутации цепей, низкую величину, высокую стабильность переходного сопротивления и отсутствие необходимости регулировки в течение всего процесса эксплуатации [1]. Большой ресурс, стабильность порога срабатывания и высокие значения коэффициента возврата (Кв) ЖМК позволяют использовать их для улучшения характеристик и многократного увеличения межремонтного срока службы путевых устройств, что повысит надежность функционирования и снизит издержки на содержание СЖАТ.

Основными недостатками ЖМК считаются [2]: необходимость герметизации контактного узла, высокая температура плавления существующих жидких металлов и сплавов, зависимость работоспособности от положения в пространстве, высокая стоимость. Следует заметить, что необходимость герметизации и определенного пространственного положения присуща и другим устройствам СЖАТ (соответственно, гер-конам и реле).

Недостаточно низкая температура плавления ртути (-38.9 °С) незначительно превышает нижнюю границу допустимого для многих

Рис. 1.1.Язычковый ЖНК МЖР-15181

]

А

А- А.

а

Рис. 1.2. Новые ЖМК: а - язычковый МКДР-45281 б - плунжерный МКАР-38201

приборов диапазона температур (-40 °С). Один из путей борьбы с этим недостатком состоит в принудительном подогреве, что широко используется и в других устройствах СЖАТ. Сведения об амальгамах ртути с температурой плавления -56 °С СЗ] и сплавах на основе щелочных металлов с температурой плавления -78 °С [4] предопределяют возможность устранения этого недостатка ЖМК.

Преимущества ЖМК, несмотря на высокую стоимость и другие недостатки, обеспечивают экономическую эффективность их применения Благодаря высокому ресурсу, Кв, стабильности электрических параметров импульсные путевые приемники с ЖМК широко применяются в системах интервального регулирования движения поездов, а также внедряются и в других системах, например, нормально-разомкнутых рельсовых цепях (РЦ) горочной централизации. Известны разработки по применению путевых приемников с ЖМК в фазочувствительных РЦ.

Опыт эксплуатации нескольких тысяч путевых приемников в системах кодовой АБ подтверждает положение о возможности эффективного применения ЖМК в СЖАТ [5]. Но, наряду с положительными свойствами наблюдается значительное число отказов и задержек поездов.

Большая часть отказов устройств с ЖМК происходит из-за несовершенства конструкции и низкого качества производства герконов и устройств на их основе. Возникновению отказов способствуют и особенности цепей СЖАТ (в частности, форма и широкий диапазон изменения уровня входного и выходного сигнала), что предъявляет дополнительные требования к контролю как самих ЖМК, так и содержащих их устройств.

В процессе эксплуатации больших партий путевых приемников с ЖМК обнаружилось, что помимо известных для СЖАТ и ЖМК отказов (сваривания двух к-д, постоянного перемыкания контактов), имеют место и ранее неизвестные отказы: увеличение времени состояния перемыкания контактов в процессе переключения приемника, выключе-

ние приемника при сверхнормативном питающем напряжении. Эксплуатируемые устройства дешифрации кодов недостаточно защищены от таких отказов, поэтому возможно возникновение опасных состояний и снижение безопасности движения. Это обуславливает необходимость исследований по выявлению причин и механизмов возникновения отказов, нахождению оптимальных путей улучшения устройств с ЖМК.

Исследования характеристик "сухих" герконов и реле на их основе освещены в [6,7,8,9]. В [10] разработаны принципы построения и предложены схемы диагностических датчиков с герконами, предназначенных для СЖАТ. Там же отмечается сложность и актуальность задач по разработке высоконадежных переключающих устройств, необходимых при внедрении новейших систем автоматики и диагностики. Многие положения этих работ применимы и для ртутных герконов.

Современное состояние исследований влияния жидкости на свойства герконов достаточно подробно освещено в работах [2,11]. При этом следует добавить, что не решена важная для СЖАТ задача определения времени состояния перемыкания контактов в процессе переключения язычкового ЖМК с капиллярной подпиткой, которая особенно актуальна (ввиду массового применения и возможности опасных состояний) для эксплуатации импульсных путевых приемников.

Наличие мостового переключения является специфическим свойством ЖМК, которое особенно проявляется при работе на применяемых в кодовой АБ низких частотах. Полное исключение этого явления конструктивными методами ухудшает другие, важные для СЖАТ, характеристики ЖМК. Увеличение длины рабочего зазора вызывает увеличение магнитодвижущей силы (МДС) срабатывания, а уменьшение объема жидкости в контактной зоне ухудшает коммутационные возможности.

К наименее надежным приборам числовой кодовой АБ относятся и трансмиттерные ячейки [12]. Большая часть их отказов обусловлена высокими значениями мощностей коммутируемых нагрузок, особенно

для длинных РЦ в шунтовом режиме, и напряженным импульсным режимом работы.

Радикальный путь повышения надежности трансмиттерной ячейки заключается в устранении дуги на усиленных контактах, что достигается применением силовых полупроводниковых приборов. Устройства, состоящие из типовой трансмиттерной ячейки и бесконтактного коммутатора тока (БКТ) имеют увеличенный (в 2 и более раз) срок службы без замены и регулировки и широко применяются на сети дорог [131. На ряде дорог для кодирования РЦ применяются коммутаторы ТШ-5 и контрольные реле, проверяющее исправное состояние тиристоров [14]. В последние годы разработаны новые трансмиттерные ячейки ТЯ-12, ТЯ-110 [15], блок БТШ (объединяющий в одном корпусе коммутатор БКТ и трансмиттерное реле) [16], комбинированная трансмиттерная ячейка ТЯ-12К [171.

Однако, в таких решениях сохранено задающее реле кодового типа, обладающее низкой механической износостойкостью. Это не позволяет многократно увеличить периодичность проверки и регулировки ячеек в ремонтно-технологических участках (РТУ). Наличие кодового реле обуславливает и значительную зависимость временных параметров кодов от питающего напряжения, что может приводить к сбоям в работе АБ и автоматической локомотивной сигнализации (АЛС) [18].

Одна из первых попыток использования ЖМК для коммутации РЦ была предпринята в конце 50-х годов [19]. Для этого использовались герметизированные контакты, которые состояли из свободно лежащего на ртутных поверхностях подвижного стального сердечника. Под действием управляющего поля сердечник поднимался и размыкал цепь. Такие устройства способны коммутировать реактивную нагрузку значительной мощности, сохраняя низкое значение переходного сопротивления и не допуская сваривание контактов. Однако ресурс ком-

мутатора не позволяет существенно повысить периодичность его замены. Поэтому коммутаторы не нашли распространения на сети дорог.

Высокий ресурс язычковых ЖМК предопределяет возможность многократного увеличения срока службы коммутатора РЦ на их основе. Однако, низкая величина коммутируемой мощности серийно выпускаемых отечественной промышленностью язычковых ЖМК затрудняет их применение без специальных защитных схем.

Исследования, проведенные в ЖИЖТе, показали, что в замкнутом состоянии язычковые ЖМК способны (без деформации контактной зоны) пропускать токи, значительно превышающие предельные токи РЦ. Являясь уникальным по быстродействию контактным переключателем, язычковый ЖМК может коммутировать электрическую цепь в требуемой части полупериода переменного тока, что должно определяться схемой управления. В этом случае практически полностью устраняется дугообразование.

Используя эти качества ЖМК, в ЖИЖТе разработан трансмиттер-ный герконовый (ТГ) коммутатор с синхронным отключением РЦ [20]. Коммутатор характеризуется высокой стабильностью временных параметров при колебаниях питающего напряжения и обладает высокой механической износостойкостью [211.

Однако, в процессе эксплуатационных испытаний экспериментальных образцов коммутаторов ТГ происходили отказы, связанные с неразмыканием коммутирующих РЦ контактов. При этом возникают задержки поездов и снижается защищенность АБ от схода стыков. Поэтому коммутаторы не рекомендованы для серийного производства и широкого внедрения на сети дорог.

Учитывая наличие недостатков типовой трансмиттерной ячейки и перспективность применения язычковых ЖМК для её совершенствования целесообразно продолжить исследования по разработке герконового коммутатора РЦ.

В последние годы отечественной промышленностью разработаны новые ЖМК (рисЛ.2): язычковый контакт МКДР-45281 и плунжерный контакт МКАР-38201 (в дальнейшем, МКДР и МКАР). Герконы МКДР содержат одну подвижную к-д по два замыкающих и размыкающих вывода, что позволяет иметь переключающий или замыкающий и размыкающий контакты в зависимости от внешнего подключения, и способны коммутировать значительно большую мощность, чем серийно выпускаемые ЖМК МКСР-45181 (в дальнейшем, МКСР).

Геркон МКАР имеет плунжер, выполненный в виде полого цилиндра с окнами и плавающий на поверхности ртути. В нижней части плунжера находится медный капилляр, поставляющий ртуть в контактную зону, а в верхней - фторопластовое кольцо, уменьшающее натирание внутренней поверхности баллона. Геркон МКАР обеспечивает размыкание цепи, после снятия управляющего сигнала, под действием силы тяжести, что создает предпосылки его использования в реле I класса надежности.

Поскольку к СЖАТ предъявляются особые требования по исключению опасных отказов и отсутствует опыт эксплуатации плунжерных герконов, то для построения устройств на базе новых ЖМК необходимы исследования их надежности и совместимости параметров с параметрами эксплуатируемых систем.

В 80-х годах Ленинградским филиалом КБ ЦШ, а также Ленинградским электротехническим заводом проводились исследования по созданию импульсного поляризованного приемника на базе ЖМК (для использования вместо ИМШ-0.3). Такие приемники не нашли применения в действующих устройствах по условиям безопасности, так как не обеспечивали полярной избирательности в требуемом для СЖАТ диапазоне входного сигнала.

Также проводились исследования по применению ЖМК для совер-шенстьог.анйя путевых приемников с фазовой избирательностью

[22;231. Разработанные образцы обладают более высоким Кв, чем традиционные путевые приемники, что позволяет улучшить работу РЦ при пониженном сопротивлении изоляции. Однако, такие приемники не удовлетворяют требованиям по отсутствию опасных отказов и не нашли применения на магистральных ж.д.

Отсутствие удовлетворяющих требованиям СЖАТ методов реализации полярной и фазовой избирательности геркона сдерживает разработку и применение новых путевых приемников с ЖМК.

Цель работы - исследование особенностей ЖМК и разработка методов построения путевых устройств СЖАТ на базе ЖМК.

Автор выносит на защиту:

1. Гидрокапиллярную методику оценки длительности мостового переключения (ДМП) язычкового ЖМК с капиллярной подпиткой;

2. Результаты численного моделирования ДМП при изменении параметров зоны контактирования (ЗК);

3. Модернизированную схему входной цепи импульсного путевого приемника, повышающую безопасность и стабильность временных параметров кодов;

4. Модернизированную схему выходной цепи импульсного путевого приемника, обеспечивающую искрогашение на нормально-разомкнутом (НР) и нормально-замкнутом (НЗ) контактах;

5. Метод выбора параметров герконовых реле, включаемых на выпрямленное напряжение, обеспечивающий устойчивое замыкание контактов. Метод выбора параметров герконового коммутатора с синхронным отключением РЦ, уменьшающий эрозию контактов. Модернизированный, с учетом этих подходов, коммутатор на базе язычковых .ЖМК с синхронным отключением РЦ;

6. Метод построения герконового путевого приемника, обеспечивающий фазовую избирательность. Метод построения герконового путевого приемника, обеспечивающий полярную избиратель не-.. -п-.

7. Результаты исследований путевых приемников; коммутаторов РЦ; новых ЖМК. Рекомендации по повышению надежности и безопасности устройств СЖАТ с ЖМК.

Работа содержит пять глав. В первой главе проанализирован опыт эксплуатации в СЖАТ импульсных путевых приемников с ЖМК, рассмотрена работа в эксплуатационных условиях экспериментальных образцов коммутаторов РЦ с ЖМК, сделан обзор разработок по применению ЖМК в путевых приемниках с полярной и фазовой избирательностью. На основе проведенного анализа поставлены задачи диссертационного исследования.

Во второй главе предложена аналитическая методика оценки длительности перемыкания контактов в процессе срабатывания язычкового ЖМК с капиллярной подпиткой, которая позволяет прогнозировать возможное изменение этого параметра в процессе эксплуатации для различных конструктивных параметров геркона.

Третья глава посвящена разработке путей повышения надежности и безопасности СЖАТ при эксплуатации импульсных путевых приемн�