КОНТАКТНЫЙ ТЕРМОДАТЧИК ДЛЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА Российский патент 1997 года по МПК G01K5/62 G01K5/72 

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, а более конкретно к контактному термодатчику, устанавливаемому снаружи для контроля температуры на ответственных элементах подвижного состава железнодорожного транспорта, к примеру на буксовых узлах вагонов и локомотивов, различных редукторах и других устройствах, особенно на скоростных подвижных составах.

Под понятием "датчик" в общем случае понимается дешевый и надежный приемник и преобразователь измеряемой физической величины (в данном случае температуры) в электрический сигнал на выходе.

Существует большое количество различных конструкций и устройств, используемых в качестве термодатчиков, но все они имеют те или иные существенные недостатки, препятствующие их применению на железнодорожном подвижном составе.

Основными показателями контактного термодатчика для железнодорожного подвижного состава являются:
а)необходимость обеспечивания надежной защиты от попадания потенциала на корпус;
б) механическая прочность, т.е. возможность работы без нарушения выходных параметров и разрушения самого датчика, в условиях ударов и вибраций;
в) герметичность, т. е. защита чувствительных элементов датчика от механических повреждений инородными элементами: песком, водой, пылью, щебнем и др. а так же от попадания смазки, различных эмульсий и других веществ;
г) дешевизна, т.е. простота технологии в серийном производстве без использования дорогих и драгоценных металлов (никеля, платины и др.).

Так, к известным аналогам, к примеру, можно отнести термопары, представляющие собой спай двух разнородных металлических проводов (к примеру, из железа и медно-никелевого сплава или из платины и платино-родиевого сплава (см. Виглеб Г. Датчики. Устройство и применение, пер. с немецкого, 1989, с. 23).

Главным недостатком приведенного аналога является то, что на выходе датчик создает весьма слабые электрические сигналы (в мВ), практически для измерения такого незначительного напряжения необходимы дорогие и сложные измерительные усилители и другие устройства.

К известным аналогам относятся различные терморезисторы из никеля или платины на изоляционной подложке (там же, с. 15).

Основными недостатками такого датчика является относительная дороговизна, поскольку кроме наличия самого резистора из платины необходима, даже в простейшем случае, измерительная схема в виде моста Уитстона, т.е. тонкий гальванометр, постоянные и переменные резисторы, электронный усилитель и пр.

Известны также кремневые датчики температуры (там же, с. 26), представляющие собой в целом электронную схему формирования сигнала, которая многоэлементна и сложна.

Недостатками кремневых датчиков являются небольшой диапазон измерения температур и большая нелинейность.

Из рассмотренных аналогов очевидно несоответствие приведенных известных датчиков основным показателям требуемого контактного термодатчика для железнодорожного подвижного состава (см. пункты "а", "б", "в", "г").

Следует отметить, что, видимо, учитывая несовершенство существующих датчиков и возможность их использования на железнодорожном подвижном составе (Мазуров Е.А. и Поздняков И.П. Пособие слесарю по техническому обслуживанию вагонов. М. Транспорт, 1990, с. 141) рекомендуется при осмотре роликовых букс в обязательном порядке контролировать температуру их нагрева ощупыванием корпуса буксы рукой. Нагрев считается нормальным, если температура всех букс в одном вагоне одинаковая и не превышает +70^oC. Такую температуру легко выдерживает рука, прижатая к буксе. Такой температурный контроль всегда субъективен.

Наиболее близким по своей технической сути и назначению к предлагаемому техническому решению является контактный термодатчик (Терешкин Л.В. Приводы генераторов пассажирских вагонов, М. Транспорт, 1990, с. 30, 31, рис. 23, рис. 22 и рис. 21, поз. 7), который представляет собой жесткий латунный герметизированный корпус с внутренней эбонитовой втулкой, в которую заведены концы двух изолированных друг от друга проводов, которые с одной стороны идут к электрическому щиту в вагоне проводника или на пульт машиниста, а с другой стороны оголенные торцы проводов во втулке корпуса термодатчика перемкнуты легкоплавким сплавом (см. рис. 23, поз. 4), причем с торца корпус глухо закрыт шайбой.

Такой контактный термодатчик ввинчивается в корпус контролируемого устройства, в наиболее нагреваемой зоне, к примеру, в месте подшипников (см. рис. 21, поз.7).

Термодатчик запитан от аккумуляторной подвагонной батареи (см. схему, рис. 22) напряжением 50 В, через штепсельный разъем ШР, установленный на раме тележки вагона, т.е. катушка реле РП в вагоне находится под током, а блок-контакты реле разомкнутые и электрическая цепь питания звонка и сигнальной лампы нарушена (обесточена).

При нагревании корпуса контролируемого устройства (до +90-100^oC) легкоплавкий сплав расплавляется и под воздействием силы гравитации стекает на дно корпуса, при этом электрический контакт между торцами проводов нарушается, реле РП обесточивается, его блок-контакты замыкаются, включаются звонок и сигнальная лампа. Машинист останавливает подвижной состав.

Хотя такой контактный термодатчик практически удовлетворяет требованиям основных показателей, изложенных выше (см. пункты: "а", "б", "в", "г"), тем не менее он имеет весьма существенные недостатки:
д) легкоплавкий сплав содержит, Bi 51,65; PI 40,2; Cd 8,15 (по другим данным: Bi 52; PI 31,7; Sn 15,3; Cd 1) и довольно дорог;
е) недостаточно чувствителен, поскольку легкоплавкий сплав отделен от источника нагревания с боков изоляцией, а с торца прослойкой воздуха (расстоянием);
ж) поскольку датчик работает при одновременном воздействии тепла и сил гравитации, он должен быть всегда ориентирован строго вертикально;
з) он может устанавливаться только сверху контролируемого устройства;
и) после срабатывания он должен быть заменен новым, т.е. он не восстанавливается в условиях пути;
к) совершенно неуниверсален, т.е. его нельзя, к примеру, установить на объекте в условиях невесомости;
л) в свете вышеперечисленных недостатков очевидна и недостаточная надежность устройства;
м) при температурах, близких к температуре плавления легкоплавкого сплава, возможно сильное размягчение его и ложные (преждевременные) срабатывания, особенно учитывая условия ударов и вибраций при перемещении подвижного состава.

Задачей изобретения является создание контактного термодатчика для железнодорожного подвижного состава, свободного от вышеперечисленных недостатков (см. пункты "д", "е", "ж", "з", "и", "к", "м").

Задача решается тем, что прелагаемое устройство на внутренних оголенных торцах проводов содержит жестко закрепленные (к примеру, припаянные) неподвижные контакты, а токопроводящая перемычка выполнена в виде твердометаллического круглого (в плане) подвижного контакта, жестко установленного на верхней поверхности переключающего силового элемента, изготовленного из материала с обратимой термической памятью формы или из биметалла в виде тонкостенной сферической диафрагмы, установленной между верхней и нижней частями изоляционной втулки, и зафиксирована по периметру с помощью стопорной гайки (заглушки).

Новизна изобретения состоит в применении более надежных твердометаллических контактов и переключающего силового элемента в виде круглой тонкостенной сферической диафрагмы, выполненной из материала с обратимой термической памятью формы или из биметалла.

Таким образом, благодаря применению твердометаллических контактов и нового переключающего силового элемента появляются и новые свойства такие, к примеру, как независимость от воздействия сил гравитации, дешевизна, самовосстанавливаемость при эксплуатации, универсальность и надежность.

К технико-экономическим преимуществам предлагаемого технического решения относится следующее:
н) устройство может быть установлено в любом рабочем положении на контролируемом объекте;
о) при охлаждении устройства до нормальной (ниже +70^oC) температуры оно автоматически возвращается в исходное положение, в состояние готовности к повторному отключению при температуре выше +70^oC (т.е. при +90-100^oC);
п) работа устройства не зависит от воздействия сил гравитации и инерции подвижного состава;
р) устройство ударостойко и вибростойко;
с) переключение производится дискретно, мгновенно;
т) устройство обладает повышенной надежностью;
у) применение устройства упрощает условия эксплуатации при контроле нагрева ответственных узлов подвижного состава;
ф) устройство ремонтопригодно и детали его взаимозаменяемы;
х) повышенная чувствительность датчика;
ц) надежная защита от попадания электрического потенциала на корпус подвижного состава и поражения током.

На фиг. 1 показан контактный термодатчик в продольном сечении по вертикальной оси, в рабочем включенном состоянии, т.е. при температуре до +70^oC; на фиг. 2 термодатчик, вид сверху; на фиг. 3 вид А на фиг. 1; на фиг. 4 термодатчик, продольное сечение, по вертикальной оси, в отключенном положении при температуре +90-100^oC и выше.

На чертеже буквами обозначены:
L общая длина датчика (без проводов),
l длина резьбовой присоединительной части,
S размер под гаечный ключ,
D диаметр окружности вписанного шестигранника,
d диаметр резьбовой присоединительной части,
δ раствор контактов,
P направление усилий при нагреве до +70^oC,
P₁ направление усилий при нагреве до +90-100^oC и выше,
a угол скоса фасок изоляционных втулок.

Предлагаемый контактный термодатчик (фиг. 1 4) содержит прочный герметизированный металлический (к примеру, из латуни) корпус 1 с установленной внутри его сдвоенной изоляционной втулкой, состоящей из верхней втулки 2 и нижней втулки 3, выполненных из механически прочной и термостойкой пластмассы (к примеру, из пластмассы АГ-4 и др.). Корпус 1 имеет наружную резьбу и шестигранный фланец для захвата гаечным ключом при установке и в него введен через шейку 4 двухжильный изолированный провод 5 и жестко закреплен (к примеру, завальцован по шейке 4). В верхней втулке 2 жестко установлены (к примеру, запрессованы) неподвижные контакты 6, которые жестко присоединены (к примеру, припаены) к внутренним оголенным концам 7 провода 5.

Указанные неподвижные контакты 6 замкнуты токопроводящей перемычкой (выполненной в виде круглого диска в плане) твердометаллического подвижного контакта 8, который изготовлен из тонкого листа хорошо упругодеформирующегося и хорошо токопроводящего материала (к примеру, из фтористой бронзы).

Подвижный контакт 8 жестко установлен по центру силового элемента 9, с его наружной (верхней) стороны, при помощи специальной двухсторонней заклепки 10 с заплечиками, путем расклепывания или развальцовывания ее торцов. Изнутри указанная заклепка 10 имеет сквозное отверстие для прохождения воздуха при работе силового элемента 9. Таким образом, электрические элементы устройства полностью изолированы от корпуса 1.

Силовой элемент 9 изготовлен из материала с обратимой термической памятью формы (к примеру, из никелево-титанового сплава или из сплава меди с цинком, алюминием, марганцем и железом по а.с. СССР N 1534033 и др.) в виде выгнутой круглой тонкостенной сферической диафрагмы. Представляется возможным в качестве замены также использовать с этой целью и биметаллические полосы (к примеру, по ГОСТ 806-78 и ГОСТ 807-78), которые при работе несколько менее эффективны, но проще в изготовлении.

Указанный силовой элемент 9 находится между нижним торцом втулки 2 и верхним торцом втулки 3, которые по внутреннему периметру имеют фаску (скосы) под углом a и в которых устанавливается по периметру окружности силовой элемент 9 и фиксируется затем с помощью стопорной фасонной гайки 11 (заглушки), которая выполнена из хорошо проводящего тепло металла (к примеру, из меди, латуни и др.).

Стопорная фасонная гайка 11 (заглушка) ввинчивается в нижний торец корпуса 1, защемляя при этом между торцами верхней 2 и нижней 3 втулок силовой элемент 9, а внутренние фаски их под углом a не препятствуют свободе изменения формы силового элемента 9 при работе.

Стопорная фасонная гайка 11 (заглушка) повторяет изнутри форму силового элемента 9 (в отключенном положении) и ввинчивается специальным ключом при помощи вспомогательных в ней отверстий 12 до упора, сжимая втулки 2 и 3, а затем кернится или чеканится по периметру резьбы, к примеру, в 3-х точках под углом 120^o друг к другу.

Силовой элемент 9 в исходном состоянии (при температуре до +70^oC) установлен с некоторым натягом (нажатием) между неподвижными контактами 6 и подвижным контактом 8 и создает постоянные замыкающие пружинящие усилия по стрелке P, направленные в сторону замыкания неподвижных контактов 6 за счет выгибания вверх силового элемента 9.

Контактный термодатчик ввинчивается в контролируемый объект до упора, а наружный конец провода 5 идет через штепсельный разъем ШР к пульту в вагоне проводника или на пульт машиниста, где соединяется, по известной вышеописанной схеме (см. с. 31, рис. 22) с сигнальными элементами.

При работе (см. фиг. 4) температура от контролируемого узла передается стопорной фасонной гайке 11 (заглушке), которая нагревает силовой элемент 9 и который в случае перегрева контролируемого узла свыше +70^oC, а именн, при температуре +90.100^oC и выше, заложенной в термическую память формы силового элемента 9 при его изготовлении, дискретно, практически мгновенно изменяет свою форму, т.е. выгибается в обратную сторону (вниз), размыкая при этом подвижный контакт 8 с неподвижными контактами 6, по стрелке Р, и между контактами образуется раствор (зазор) d.

При этом обесточивается силовая катушка реле РП, которое, отключаясь, замыкает своими блок-контактами электрическую цепь звонка ЗВ и сигнальной лампы ЛС в вагоне проводника или в кабине машиниста.

Подвижный состав останавливается, определяются и устраняются (если это возможно) причины перегрева контролируемого узла и в зависимости от степени повреждения принимаются соответствующие меры.

За это время силовой элемент 9 контактного термодатчика остынет и, охладившись до исходной пониженной температуры (ниже +70^oC), заложенной в термическую память формы при его изготовлении, возвратится в исходное верхнее положение (см. фиг. 1), замыкая при этом своим твердометаллическим подвижным контактом 8 неподвижные контакты 6, восстанавливая электрическую схему включения термодатчика в исходное рабочее положение. Подвижной состав готов к дальнейшему следованию.

Наиболее рационально использовать предлагаемое устройство на железнодорожном подвижном составе для теплового контроля при движении, к примеру, на буксовых узлах вагонов и локомотивов, различных редукторах и передачах, особенно на скоростных подвижных составах.

Учитывая все вышеприведенные преимущества (см. пункты "н", "о", "п", "р", "с", "т", "у", "ф", "х", "ц"), низкую стоимость и простоту устройства, целесообразно модернизировать старые известные контактные термодатчики и наладить выпуск новых, поскольку эти затраты быстро окупятся при эксплуатации и применение предложенного контактного термодатчика даст значительный экономический эффект.

Использование: для контроля температуры нагрева ответственных элементов подвижного железнодорожного транспорта. Сущность изобретения: применение твердометаллических контактов и переключающего силового элемента в виде круглой тонкостенной сферической диафрагмы. Диафрагма выполнена из материала с обратимой термической памятью формы или из биметалла. 4 ил.

Контактный термодатчик для железнодорожного подвижного состава, содержащий металлический герметизированный корпус с установленной в нем изнутри изоляционной втулкой, в которой жестко укреплен двужильный провод с внутренними оголенными торцевыми концами, которые перемыкаются между собой токопроводящей перемычкой, отличающийся тем, что изоляционная втулка состоит из двух частей, верхней и нижней, причем в верхней втулке жестко установлены неподвижные контакты, к которым присоединены внутренние оголенные торцевые концы двужильного провода, а токопроводящая перемычка выполнена в виде круглого твердометаллического контакта, жестко установленного в центре силового элемента, изготовленного из материала с обратимой термической памятью формы или из биметалла в виде круглой тонкостенной выгнутой сферической диафрагмы, которая установлена между верхней и нижней частями изоляционной втулки и зафиксирована по периметру с помощью фасонной стопорной гайки (заглушки).