автореферат диссертации по транспорту, 05.22.08, диссертация на тему:Синтез стрелочных электроприводов с внутренним замыканием шибера

>■.«< ¿О '"""".....^

7 ' ч/^ / СьУ^

у

МПС РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОТКРЫТЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

(РГОТУПС)

На правах рукописи

МИНАКОВ ЕВГЕНИИ ЮРЬЕВИЧ

УДК 656.257-83:625.151.3

СИНТЕЗ СТРЕЛОЧНЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ С ВНУТРЕННИМ ЗАМЫКАНИЕМ ШИБЕРА

Специальность 05.22.08 - Эксплуатация железнодорожного

транспорта (включая системы сигнализации, централизации и блокировки)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Шалягин Д.В. Научный консультант кандидат технический наук, доцент Алейников И.А.

Москва 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение....................................................4

1. Состояние вопроса...........................................8

1.1. Защищенность электропривода и его гарнитуры

от опасных отказов..............................................8

1.2. Запирающий механизм и его влияние на безопасность движения поездов...............................................25

1.3. Требования к запирающим механизмам......................33

1.4. Методы и технические решения по запирающим механизмам...47

1.5. Постановка задачи исследований..........................57

1.6. Основные результаты и выводы по главе...................59

2. Методы синтеза запирающего механизма.......................61

2.1. Синтез кинематической схемы.............................61

2.2. Методы расчета деталей запирающего механизма............74

2.3. Надежность функционирования запирающего механизма.......89

2.4. Исследование динамики запирания.........................98

2.5. Выводы.................................................107

3. Методы защиты от ложного контроля при взрезе стрелочного электропривода....................................110

3.1. Поведение стрелочного электропривода при взрезе стрелки.......................................................110

3.2. Синтез и расчет "слабого" элемента.....................119

3.3. Исследование совместимости стрелочных электроприводов

с существующими схемами управления............................128

3.4. Выводы.................................................137

4. Разработка стрелочных электроприводов с кулачковым запиранием рабочего шибера....................................141

4.1. Стрелочный электропривод ВСП-150.......................141

4. 2. Стрелочный электропривод взрезной ВСП-2х150............151

4.3. Стрелочный электропривод взрезной для работы с внешним замыкателем ВСП-220........................................... 157

4.4. Технико-экономическое обоснование стрелочных электроприводов с кулачковым запиранием шибера................163

4.5. Выводы.................................................172

Заключение.............................................174

Список литературы......................................179

Приложение 1 (4 листа).................................187

Приложение 2 (2 листа).................................191

Приложение 3 (2 листа).................................193

Приложение 4 (3 листа).................................195

Приложение 5 (3 листа).................................198

Приложение 6 (3 листа).................................201

Приложение 7 (4 листа).................................204

Приложение 8 (3 листа).................................208

Приложение 9 (3 листа).................................211

Приложение 10 (3 листа)................................213

Приложение И (2 листа)................................216

Приложение 12 (3 листа)................................218

ВВЕДЕНИЕ

Организация перевозочного процесса, его четкое и бесперебойное выполнение напрямую зависит от технических средств железнодорожной автоматики и телемеханики, их надежности и соответствии требованиям безопасности движения поездов.

История становления железнодорожного транспорта России берет свое начало с 1837 года, когда была построена первая железная дорога общественного пользования, протяженностью всего 27 км, между Петербургом и Павловском. Сейчас железные дороги России имеют протяженность более 87 тысяч километров и насчитывают около 6000 станций. Ее настоящее и будущее немыслимо без наличия надежных, экономичных, отвечающих высоким требованиям безопасности движения поездов, современному уровню достижений науки, техники и технологии, включая изготовление и содержание, средств железнодорожной автоматики.

Эволюция средств железнодорожной автоматики насчитывает более ста лет, развиваясь поэтапно от решения простейших задач, связанных с управлением стрелок и семафоров (первые канатно-тро-совые устройства дистанционного управления стрелочными переводами и семафорами появились в Англии, в начале XIX столетия. Первый стрелочный привод появился в Италии в 1873 году и был гидравлическим), развитие происходило до, почти повсеместной, электрической централизации стрелочных переводов с единого диспетчерского пункта не только одной станции, а нескольких, с практически, неограниченным участком движения поездов, скорости движения, массы и длины состава.

В настоящее время на сети железных дорог России эксплуатируется более 147 тысяч стрелочных переводов [6], управляемых при помощи телемеханики. При таком массовом применении средств механизации перевода стрелок эксплуатация показала их недостаточную

надежность.

Анализ известных конструктивных решений отечественных и зарубежных электроприводов свидетельствует о необходимости выработки системы построения стрелочных электроприводов, их классификации, постановки решаемых задач и методов выполнения электроприводами функций по переводу стрелки и обеспечению безопасности движения поездов.

Большой вклад в развитие теории создания и управления стрелочными электроприводами внесли Абросимов В.И., Дмитриенко И.Е., Заславский Л.С., Кондратенко Л.Ф., Малышев А.Д., Резников Ю.М., Семьянских А.И., Степанов Ю.С. и другие.

На современном этапе развития железнодорожной автоматики и телемеханики, когда интенсивно разрабатываются и внедряются микроэлектронные, микропроцессорные и компьютерные системы, значительно возрастают требования к механическим устройствам СЦБ, и, прежде всего, это связано с выполнением закона "О федеральном железнодорожном транспорте", принятом Госдумой в июне 1995 года, где в статье N 13 записано, что технические средства и механизмы, поставляемые железнодорожному транспорту, подлежат обязательной сертификации на соответствие требованиям безопасности движения, охраны труда и экологической безопасности.

В процессе анализа известных конструкций стрелочных переводов, определяя показатели безопасности, автором сформулирована концепция синтеза стрелочных электроприводов с внутренним замыканием шибера. Отечественные, и в большинстве случаев зарубежные стрелочные электроприводы, принцип их построения, конструктивное исполнение не отвечают в полной мере требованиям безопасности движения поездов, а по отдельным показателям некоторые конструктивные решения являются опасными.

Анализ причин отказов [4,5,6], происшествий и даже крушений на железнодорожном транспорте в последние годы свидетельствует о неблагополучном положении дел с электроприводами стрелочных пере-

водов: доля их отказов в работе хозяйств СЦБ составляет 9-5-11 %.

За период эксплуатации, начиная с 1957 года, когда был создан невзрезной стрелочный электропривод типа СП-1 с одним шибером и с внутренним замыкателем, электропривод неоднократно модернизировался. Однако, принципиальных изменений в его конструкцию практически не вносилось, что приводило к повторению причин отказов, переходящих от одной модели к другой. Сегодня эксплуатационники отмечают низкое качество узлов и деталей электроприводов, обусловленных прежде всего самой конструкцией. Имеет место случаи излома контрольных линеек в местах фигурных вырезов, отсоединение ушек контрольных линеек. Нередки случаи ослабления крепления редуктора, корпуса автопереключателя, неплотное контактирование ножей с контактными пружинами, перекос и излом колодок автопереключателя, неудовлетворительное уплотнение электропривода и т.д. Взрез электропривода приводит к его разрушению и возможности ложного контроля. Вырыв линеек не контролируется и приводит к ложному контролю и д.р.

За время эксплуатации стрелочных электроприводов серии СП созданы, испытывались и сейчас проходят испытания более десятка модификаций, однако кинематика, синтез силового и контрольного механизма остались неизменными. Поэтому решения ряда проблем не представляются возможным в принципе, как бы мы не боролись за качество, не ужесточали требования к их изготовлению, содержанию и ремонту.

С учетом особенностей, в настоящей работе автором проведен структурный синтез стрелочных электроприводов, определены задачи, назначение и методы построения отдельных узлов, их оптимизация, защита от ложного контроля, построение безопасных средств железнодорожной автоматики и телемеханики.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.

В первой главе проводится исследование защищенности стрелочного электропривода и его гарнитуры от отказов и их влияние на

безопасность движения поездов, дан анализ состояния безопасности движения поездов.

Вторая глава посвящена синтезу запирающего механизма, методам расчета его деталей, разработки алгоритма и надежности работы, проведены исследования динамики запирания шибера.

В третьей главе рассматриваются методы защиты стрелочного электропривода при взрезе стрелки, пути решения вопросов совместимости стрелочных электроприводов с существующими схемами управления.

Разработке стрелочных электроприводов с кулачковым запиранием шибера различного назначения и технико-экономического обоснования посвящена четвертая глава.

В заключение приводятся основные результаты и выводы по работе.

Практическим воплощением теоретических основ синтеза стрелочных электроприводов с внутренним замыканием шибера,разработанных автором данной диссертации явилось создание электроприводов с кулачковым запирающим механизмом рабочего шибера ВСП-150, ВСП-2х150 и ВСП-220, к серийному производству которых в настоящее время приступает отечественная промышленность. Более 200 электроприводов ВСП-150 и ВСП-220 проходят в настоящее время опытную эксплуатацию на железных дорогах России.

Разработанные на основе методики синтеза стрелочных электроприводов изделия, их практическая реализация, позволит повысить безопасность движения поездов на железнодорожном транспорте.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1. Защищенность стрелочного электропривода и его гарнитуры от опасных отказов

На современном этапе развития железных дорог России, системы и принципов организации движения поездов особенно актуальным является создание таких устройств, которые выполняют основную часть организационно-технических функций структуры управления перевозочным процессом и, в свою очередь, требуют минимум эксплуатационных затрат, времени на техническое обслуживание, обеспечивая надежность в работе.

Анализ состояния безопасности движения поездов и работы устройств СЦБ, АЛСН и механизированных горок в хозяйстве сигнализации, связи и вычислительной техники (см. прил.1) убеждают в необходимости проводить работы по снижению уровня брака и отказов в работе, по совершенствованию конструкции устройств автоматики, качества изготовления и технологии их обслуживания.

По состоянию на 1 января 1998 года в эксплуатации на сети железных дорог России находится 146066 стрелок, включенных в электрическую централизацию [6]. В связи с сокращением объема перевозок, как следствие,за последние три года количество стрелок, включенных в электрическую централизацию, уменьшилось на 1598 штук [6].

От технического состояния устройств автоматики и телемеханики, их исправности зависит выполнение перевозочного процесса.

Отказы в работе устройств СЦБ - состояние неизбежное, при этом следует стремиться к снижению случаев отказов, времени на их восстановление и сведению к минимуму последствий этих отказов. Отказы устройств СЦБ приводят зачастую к задержке поездов, срыву графика движения. Ежегодно по сети железных дорог России на про-

тяжении последних трех лет по причине отказов технических средств в хозяйстве сигнализации, связи и вычислительной техники задержки движения поездов составляют свыше 7 тысяч часов.

Из анализа причин отказов устройств СЦБ следует, что около 85% отказов являются эксплуатационными, остальные - заводскими, проектными ошибками, конструктивными недостатками и др.

Среднее время восстановления отказа устройства СЦБ по сети дорог составило в 1997 году 137 минут [6].

Среди устройств отказы стрелочных электроприводов составляют более 10% от общего числа отказов (см. прил. 1, табл. П.1.2).

Следует отметить, что на сети железных дорог РФ в эксплуатации находится значительное количество устройств морально и физически устаревших, работающих 25 лет и более. Всего на дорогах по состоянию на 01.01.98 года находится более 36 тысяч или 24,7% от общего количества стрелок, ЭЦ, проработавших 25 лет, 6,9% устройств автоблокировки и 14,7% диспетчерской централизации (см. прил. 1, табл. П.1.3). Замена этих устройств новыми должна решить проблему безопасности движения поездов.

При конструирования новых стрелочных электроприводов, перед специалистами постоянно возникает вопрос надежного функционирования как каждого узла или элемента в отдельности, так и всего стрелочного перевода в целом, при обеспечении безопасности движения поездов.

Стрелочный электропривод и гарнитура выполняют в системе электрической централизации наиболее важную роль по обеспечению безопасности движения поездов и поэтому не должны допускать опасных отказов.

Многолетний опыт эксплуатации отечественных и зарубежных стрелочных электроприводов, анализ их работы позволил в настоящее время значительно расширить задачи, функции и требования, предъявляемые к стрелочным электроприводам с внутренним замыкателем шибера при их синтезе. Прежде всего этот опыт указывает на недос-

таточную защищенность стрелочных электроприводов от опасных отказов и ставит задачу: обеспечить безопасность системы железнодорожной автоматики.

Стрелочный электропривод в комплекте с гарнитурой призван решать следующие задачи:

- создание достаточного усилия для перевода остряков (стрелочных крестовин) стрелки из одного крайнего положения в другое, а также из среднего в крайнее;

- надежное замыкание шибера в крайних положениях в сторону, противоположную предшествующему движению и свободное перемещение шибера в противоположную сторону (при одношиберном электроприводе);

- обеспечение постоянства силовых факторов замкнутого шибера в статическом (пассивном) режиме эксплуатации, а также при проходе неограниченного числа подвижного состава по стрелке, с установленной скоростью до полной выработке своего ресурса;

- обеспечение постоянного и достоверного контроля положения остряков стрелки, механизма замыкания шибера, состояния взрезного устройства, исправности силовой, контрольно-механической связей и электрических цепей;

- обеспечение целостности узлов и деталей электропривода, гарнитуры и самих остряков при взрезе взрезных стрелочных электроприводов;

- обеспечение исправного, работоспособного или защитного состояний независимо от времени суток, погодных условий и других внешних дестабилизирующих факторов.

На рисунке 1.1 предлагаются структурные схемы стрелочных автоматизированных переводов железнодорожной автоматики. Исходя из необходимости выполнения стоящих задач ЭЦ, путей и методологии их решения в зависимости от назначения, места установки и способов управления, электроприводы железнодорожной автоматики разделены на три группы, отличающиеся принципом построения устройства замы-

кания остряков стрелки:

{ - невзрезной стрелочный электропривод электрической централизации (ЭЦ), одношиберный, с внутренним замыканием шибера (рис.1.1а);

2 - взрезной стрелочный электропривод ЭЦ двухшиберный с внутренним замыканием шиберов (рис.1.16);

3 - взрезной (невзрезной, как вариант исполнения) стрелочный электропривод ЭЦ одношиберный для работы с внешним замыкателем (рис.1.1в);

На схемах введены следующие обозначения:

ЭЦ - система управления электрической централизации;

СП - стрелочный электропривод;

СГ - стрелочная гарнитура;

К - контрольная система;

СМ - силовой механизм;

Д - двигатель;

Р - редуктор;

ЗМ - запирающий механизм рабочих шиберов (РШ); АП - автопереключатель;

МС - механизм сравнения положения контрольных линеек (КЛ) и запирающего механизма;

УК - узлы крепления рабочих (РТ), контрольных (КТ) и соединительных (СТ) тяг, несущего каркаса (НК); О - остряк стрелочного перевода; РР - рамный рельс стрелочного перевода; ВЗ - внешний замыкатель; ВП - ведущая планка.

На рисунке двойными линиями обозначены электрические, одинарными - механические связи элементов привода и гарнитуры.

Все вышеуказанные группы электроприводов могут выпускаться с двигателем постоянного или переменного тока, с контактным или бесконтактным автопереключателем и, соответственно, с прямым или

косвенным управлением. Их назначение определяет конструкцию и алгоритм работы механизма замыкания шибера (шиберов) и стрелочной гарнитуры.

Работа стрелочных эле�