Устройство для автоматического контроля излома рельсов и обрыва дроссельных перемычек на участках с электротягой переменного тока Российский патент 2024 года по МПК B61K9/10 B61L23/04 

Изобретение относится к области железнодорожной автоматики и телемеханики и обеспечивает автоматический контроль излома рельсов и обрыва дроссельных перемычек на железных дорогах с электротягой переменного тока.

Уровень техники

Известно устройство для контроля излома рельсов на участках железных дорог с электротягой переменного тока, оборудованных рельсовыми цепями [1]. Недостатком этого изобретения является то, что это устройство одинаково реагирует и на излом рельса, и на обрыв перемычки, связывающей дроссель-трансформатор с одним из рельсов. Кроме того, оно не дает информации о том, в какой рельсовой нити произошел излом рельса или обрыв дроссельной перемычки, что затрудняет проведение восстановительных ремонтных работ.

На электрифицированных участках железных дорог рельсовые нити рельсовых линий используются для пропуска тяговых токов от электровозов к тяговым подстанциям. Разница реакции растекания тягового тока по рельсовым нитям на излом рельса или на обрывы дроссельных перемычек может использоваться для раздельного контроля наступления этих событий и уточнения, в какой именно рельсовой нити произошло одно из этих событий.

Проблема обнаружения и передачи сообщений об изломах рельсов приобретает на железных дорогах мира все большее значение [2]. Интенсивность движения поездов наиболее высока на электрифицированных участках железных дорог. На таких участках все шире используется движение тяжеловесных и удлиненных поездов. Поэтому механические нагрузки на верхнее строение пути на таких участках больше и, следовательно, больше вероятность излома рельсов. Тяжелее на таких участках и последствия от аварий и крушений, если излом рельсов не будет своевременно обнаружен. Обрывы дроссельных перемычек вызывают ложные появления сигналов о занятии участка пути подвижным составом, что отрицательно сказывается на пропускной способности таких участков [3].

Если излом рельса или обрыв дроссельной перемычки происходят при отсутствии подвижного состава в пределах рельсовой цепи, то сопротивление рельсовой нити, в которой произошел излом рельса или обрыв дроссельной перемычки, резко увеличивается, и тяговый ток в этой рельсовой нити скачкообразно уменьшается. Это вызывает скачкообразное увеличение асимметрии тягового тока в рельсовой линии на обоих концах рельсовой цепи. При обрыве одной из дроссельных перемычек асимметрия тягового тока достигает величины, близкой к максимальной.

Количественно асимметрия тягового тока измеряется коэффициентом его асимметрии, вычисляемым как отношение разности тяговых токов в рельсовых нитях рельсовой линии к их сумме.

Колесные пары подвижного состава выравнивают тяговые токи в рельсовых нитях под ним. Поэтому если излом рельса произошел под подвижным составом, то скачок асимметрии тягового тока сильнее проявляется в освобождающейся от подвижного состава части рельсовой линии, когда последняя колесная пара подвижной единицы или поезда уходит за точку излома рельса. При обрыве одной из дроссельных перемычек асимметрия проявляется на участках рельсовой линии и перед идущим поездом, и после него.

Таким образом, скачкообразное изменение асимметрии тягового тока может служить сигналом об изломе рельса или обрыве одной из дроссельных перемычек на контролируемом отрезке рельсовой линии в пределах рельсовой цепи. Следовательно, непрерывный автоматический контроль не только величины, но и скорости изменения во времени асимметрии тягового тока в местах установки дроссель-трансформаторов обеспечивает контроль излома рельсов или обрыва одной из дроссельных перемычек на рассматриваемом отрезке рельсовой линии электрифицированной железной дороги.

Но коэффициент асимметрии тягового тока увеличивается и при ухудшении состояния токопроводящих и изолирующих элементов рельсовых нитей, а также при уменьшении температуры рельсов или величины тягового тока в них [4]. Анализ статистических данных показывает, что предел увеличения коэффициента асимметрии тягового тока при этом не превышает 0,25-0,30. Эти изменения происходят относительно медленно, и они не должны давать ложную информацию об изломе рельса. Мощные импульсные электромагнитные помехи или короткие замыкания в контактной сети могут вызвать кратковременное увеличение коэффициента асимметрии тягового тока [5]. В таких случаях также не должна появляться ложная информация об изломе рельса. При обрыве дроссельной перемычки коэффициент асимметрии тягового тока становится равным величине, близкой к единице, и это является критерием возникновения такого обрыва.

Раскрытие изобретения

Задачей и техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей устройства для автоматического контроля излома рельсов на железных дорогах с электротягой переменного тока, оборудованных рельсовыми цепями, за счет обеспечения дополнительного контроля обрыва дроссельных перемычек и обеспечения контроля того, в какой конкретно рельсовой нити произошли эти обрыв или излом рельса.

Задача и технический результат достигаются тем, что предложено устройство для контроля излома рельсов и излома дроссельных перемычек, на участках с электротягой переменного тока, содержащее два подключенных к секциям основных обмоток дроссель-трансформатора измерительных трансформатора, соединенных с двумя выпрямительными элементами, элемент сравнения, сумматор, делитель напряжения, дифференцирующее устройство, элемент задержки, два пороговых элемента, блок фиксации излома рельса и логический элемент И, причем оно дополнительно снабжено двумя компараторами, двумя замыкающими и двумя размыкающими электронными ключами, двумя логическими элементами И, двумя инверторами, двумя блоками фиксации обрыва дроссельной перемычки и блоком фиксации излома рельса, причем выход первого логического элемента И подключен к управляющим входам первого и второго замыкающих электронных ключей, выход первого замыкающего электронного ключа соединен с первым блоком фиксации излома рельса, выход второго замыкающего электронного ключа соединен со вторым блоком фиксации излома рельса, выход первого выпрямительного элемента дополнительно соединен с прямым входом первого компаратора, с инверсным входом второго компаратора, с первым входом второго логического элемента И, а через первый инвертор со вторым входом третьего логического элемента И, выход второго выпрямительного элемента дополнительно соединен с инверсным входом первого компаратора, с прямым входом второго компаратора, с первым входом третьего логического элемента И, а через второй инвертор со вторым входом второго логического элемента И, выход первого компаратора подключен через первый размыкающий ключ к входу первого замыкающего ключа, выход второго компаратора подключен через второй размыкающий ключ к входу второго замыкающего ключа, выход второго логического элемента И соединен с управляющим входом второго размыкающего электронного ключа и с первым блоком фиксации обрыва дроссельной перемычки, а выход третьего логического элемента соединен с управляющим входом первого размыкающего электронного ключа и со вторым блоком фиксации обрыва дроссельной перемычки.

Краткое описание чертежей

На чертеже показана блок схема устройства для автоматического контроля излома рельсов и обрыва дроссельных перемычек на железных дорогах с электротягой переменного тока. Все такие устройства подключаются к рельсовым линиям одинаково, поэтому на чертеже представлена блок-схема только одного устройства.

Осуществление изобретения

Предлагаемое устройство должно подключаться к дроссель-трансформаторам на обоих концах рельсовых цепей. На чертеже показана блок-схема одного такого устройства и схема его подключения к рельсовой цепи. В тексте детально описаны его структура и работа.

Объект контроля и измерительные цепи включают в себя следующее. Рельсовые нити 1, 2 и 3, 4 рельсовой линии разделены электрически на границах рельсовых цепей изолирующими стыками соответственно 5 и 6. Дроссель-трансформаторы 7 и 8 обеспечивают протекание тяговых токов в рельсовых линиях в обход изолирующих стыков 5 и 6. К дополнительным обмоткам дроссель-трансформаторов 7 и 8 подключена аппаратура соответствующих рельсовых цепей 9 и 10. Тяговые токи в рельсовых нитях соответственно 1 и 3 до изолирующих стыков обычно не равны по величине соответственно тяговым токам в рельсовых нитях 2 и 4 после изолирующих стыков.

Падения напряжения на секциях основных обмоток дроссель-трансформаторов прямо пропорциональны величинам тяговых токов, текущих в концах соответствующих рельсовых нитей рельсовой цепи. Для измерения тягового тока текущего по рельсовой нити 4, к нижней на фигуре секции основной обмотки дроссель-трансформатора 8 подключена первичная обмотка измерительного трансформатора 11. Для измерения тягового тока текущего по рельсовой нити 2, к другой секции основной обмотки дроссель-трансформатора 8 подключена первичная обмотка измерительного трансформатора 12.

Вторичная обмотка измерительного трансформатора 12 подключена к входу выпрямительного элемента 13, а вторичная обмотка измерительного трансформатора 12 подключена к входу выпрямительного элемента 14. Выходной сигнал выпрямительного элемента 13 подается на одни входы элемента сравнения 15 и сумматора 16, на вторые входы которых подаются сигналы с выхода выпрямительного элемента 14.

Выход элемента сравнения 15 соединен с одним входом делителя напряжений 17, а выход элемента сравнения 16 соединен с другим входом делителя напряжений 17. Величина выходного сигнала делителя напряжений 17 пропорциональна текущему значению коэффициента асимметрии тягового тока в рельсовых нитях 2 и 4.

Выходной сигнал делителя напряжений 17 подается на вход первого порогового элемента 18, а через дифференцирующее устройство 19 и элемент задержки 20 подается также на вход второго порогового устройства 21. Выходные сигналы пороговых устройств 18 и 21 подаются на входы первого логического элемента И 22, выходной сигнал которого о зафиксированном изломе рельсов в рельсовых нитях 4 или 2 подается на входы замыкающих электронных ключей 23 и 24.

Выходной сигнал выпрямительного элемента 13 подается также на прямой вход первого компаратора 25, на инверсный вход второго компаратора 26, а также на первый вход второго логического элемента И 27 и через первый инвертор 28 на второй вход третьего логического элемента И 29. Выходной сигнал выпрямительного элемента 14 подается также и на инверсный вход первого компаратора 25, на прямой вход второго компаратора 26, на первый вход третьего логического элемента И 29 а также через второй инвертор 30 на второй вход второго логического элемента И 27.

Выход второго логического элемента И 27 подключен к блоку 31 фиксации обрыва дроссельной перемычки в рельсовой нити 4 и к управляющему входу первого размыкающего электронного ключа 32. Сигнал с выхода первого компаратора 25 проходит на вход блока 33 фиксации излома рельса в рельсовой нити 4 через размыкающий электронный ключ 32 и замыкающий электронный ключ 23.

Выход третьего логического элемента И 29 подключен к блоку 34 фиксации обрыва дроссельной перемычки в рельсовой нити 2 и к управляющему входу второго размыкающего электронного ключа 35. Сигнал с выхода второго компаратора 26 проходит на вход блока 36 фиксации излома рельса в рельсовой нити 2 через размыкающий электронный ключ 35 и замыкающий электронный ключ 24.

Устройство работает следующим образом.

Напряжения сигналов на вторичных обмотках измерительных трансформаторов 11 и 12 пропорциональны величинам тяговых токов соответственно . Напряжение с выхода измерительного трансформатора 11 после его выпрямления элементом 14 подается на вторые входы элемента сравнения 15 и сумматора 16. Напряжение с выхода измерительного трансформатора 12 после его выпрямления элементом 13 подается на первые входы элемента сравнения 15 и сумматора 16.

Сигнал с выхода элемента сравнения 15, пропорциональный разности тяговых токов в рельсовых нитях соответственно 2 и 4, подается на первый вход делителя напряжения 17, на второй вход которого подается сигнал с выхода сумматора 16, пропорциональный сумме тяговых токов . Сигнал на выходе делителя напряжения 17 пропорционален величине коэффициента асимметрии тягового тока в рельсовых нитях 2 и 4.

Пороговый элемент 18 настраивается на определенную пороговую величину коэффициента асимметрии тягового тока в рельсовых нитях 2 и 4. Сигнал на его выходе, подаваемый на первый вход логического элемента И 22, появляется тогда, когда величина этого коэффициента превышает установленное пороговое значение.

Исключение ложных срабатываний устройства при медленных изменениях асимметрии тягового тока в рельсовой цепи или при появлении в ней мощных импульсных помех обеспечивает вторая цепь передачи сигнала с выхода делителя напряжений 17 на второй вход первого логического элемента И 22.

Сигнал на выходе дифференцирующего устройства 19 пропорционален скорости изменения сигнала на выходе делителя напряжения 17, т.е. пропорционален скорости изменения коэффициента асимметрии тягового тока в рельсовой цепи. При медленных изменениях коэффициента асимметрии тягового тока выходной сигнал дифференцирующего устройства 19 оказывается недостаточным для срабатывания второго порогового элемента 21.

Появление в рельсовой цепи асимметрии тягового тока от мощной импульсной помехи вызывает появление сигнала на первом входе первого логического элемента И 22, а также может вызвать появление на выходе дифференцирующего устройства 19 сигнала, достаточного для срабатывания второго порогового элемента 21. Однако время задержки сигнала, появляющегося на выходе дифференцирующего устройства 19, элементом задержки 20 выбирается больше максимально возможной длительности импульсной помехи. В результате сигнал с выхода второго порогового элемента 21 подается на второй первого логического элемента И 22, когда на первом его входе сигнал уже исчезает.

При одновременном появлении сигналов с выходов пороговых элементов 18 и 21 на входе первого логического элемента И 22 на его выходе появляется сигнал об изломе рельса, подаваемый на управляющие входы первого 23 и второго 24 электронных замыкающих ключей. Однако остается неясным, в какой именно рельсовой нити произошел излом рельса. Эта информация, выдаваемая обслуживающему персоналу, позволяет уменьшить расходы времени и трудозатрат на устранение данных отказов.

Определение того, в какой именно рельсовой нити произошел излом рельса, обеспечивается использованием компараторов 25 и 26. Сигнал на выходе компаратора появляется тогда, когда напряжение на прямом его входе больше, чем на инверсном.

При изломе рельса в рельсовой нити 4 тяговый ток в ней становится меньше, чем рельсовой нити 2. От этого напряжение на выходе выпрямительного элемента 13 становится больше, чем напряжение на выходе выпрямительного элемента 14. В результате реакции на это компаратора 25 на его выходе появляется напряжение, которое, пройдя через размыкающий электронный ключ 32, поступает на управляющий вход замыкающего электронного ключа 23. Ключ, сработав, замыкает цепь прохождения сигнала с выхода первого логического элемента И 22 на блок 33, извещающий, что излом рельса произошел в рельсовой нити 4.

При изломе рельса в рельсовой нити 2 тяговый ток в ней становится меньше, чем рельсовой нити 4. От этого напряжение на выходе выпрямительного элемента 14 становится больше, чем напряжение на выходе выпрямительного элемента 13. В результате реакции на это компаратора 26 на его выходе появляется напряжение, которое, пройдя через размыкающий электронный ключ 35, поступает на управляющий вход замыкающего электронного ключа 24. Ключ, сработав, замыкает цепь прохождения сигнала с выхода первого логического элемента И 22 на блок 36, извещающий, что излом рельса произошел в рельсовой нити 2.

При обрыве дроссельной перемычки, связывающей дроссель-трансформатор с рельсовой нитью 4, тяговый ток в ней резко уменьшается при одновременном увеличении тягового тока в рельсовой нити 2. Невысокий сигнал с выхода выпрямительного элемента 14 проходит через инвертор 30. В результате на обоих входах второго логического элемента И 27 появляется сигнал высокого уровня, отчего срабатывает блок 31 фиксации обрыва дроссельной перемычки в рельсовой нити 4.

Но при обрыве дроссельной перемычки в рельсовой нити 4 напряжение появляется и на выходе компаратора 25. Чтобы предотвратить одновременное ложное срабатывание блока 33 фиксации излома рельса в этой рельсовой нити, в цепь связи выхода компаратора 25 с замыкающим электронным ключом 23 установлен размыкающий электронный ключ 32. При появлении сигнала об обрыве дроссельной перемычки в этой рельсовой нити сигнал с выхода второго логического элемента И 27 подается также на управляющий вход размыкающего электронного ключа 32. Этот электронный ключ, сработав, исключает подачу сигнала с выхода компаратора 25 на управляющий вход замыкающего электронного ключа 23.

Такой принцип работы устройства использован и для контроля обрыва дроссельной перемычки, связывающей дроссель-трансформатор с рельсовой нитью 2. При обрыве этой дроссельной перемычки тяговый ток в ней резко уменьшается при одновременном увеличении тягового тока в рельсовой нити 4. В результате на обоих входах третьего логического элемента И 29 появляется сигнал высокого уровня, отчего срабатывает блок фиксации обрыва дроссельной перемычки 34 в рельсовой нити 2.

При обрыве этой дроссельной перемычки напряжение появляется и на выходе компаратора 26. Чтобы предотвратить одновременное ложное срабатывание блока 36 фиксации излома рельса в этой рельсовой нити, в цепь связи выхода компаратора 26 с замыкающим электронным ключом 24 установлен размыкающий электронный ключ 35. При появлении сигнала об обрыве дроссельной перемычки в рельсовой нити 2 сигнал с выхода третьего логического элемента И 29 поступает также на управляющий вход размыкающего электронного ключа 35. Этот электронный ключ, сработав, исключает подачу сигнала с выхода компаратора 26 на управляющий вход замыкающего электронного ключа 24.

Актуальность решения данной задачи определяется тем, что проблема обнаружения и передачи сообщений об изломах рельсов приобретает все большее значение как на железных дорогах России, так и на железных дорогах всего мира.

Таким образом, предложенное устройство позволяет использованием достаточно простых технических решений автоматизировать процесс контроля излома рельсов и обрыва дроссельных перемычек на участках с электрической тягой переменного тока.

Проведенные в условиях эксплуатации исследования и математическое моделирование процессов растекания переменных тяговых токов по рельсовой сети показали, что рассмотренные изменения растекания тяговых токов по рельсовым нитям рельсовой линии обеспечивают получение достоверной информации об изломе рельса и обрыве дроссельной перемычки.

Анализ схемы устройства с использованием компьютеров, а также испытания лабораторного макета предлагаемого устройства подтвердили его работоспособность и достоверность результатов контроля.

Источники информации

1. Шаманов В.И., Денежкин Д.В. Устройство для контроля излома рельсов на участках с электротягой переменного тока / Патент РФ на изобретение №2748826 РФ от 31.05.2021 г.

2. Поинтнер Ф. Системы обнаружения поездов: краткий обзор // Будущее систем обнаружения поездов. Материалы форума «Wheel Detection». Выпуск 01.2018. С. 7-10. www.frauscher.com.

3. Аркатов B.C., Кравцов Ю.А., Степенский Б.М. Рельсовые цепи. Анализ работы и техническое обслуживание. - М.: Транспорт, 1990. - 295 с.

4. Шаманов В.И. Электромагнитная совместимость систем железнодорожной автоматики и телемеханики. - М.: ФГБОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2013. - 244 с.

5. Шаманов В.И. Циклы изменения устойчивости работы аппаратуры автоматики на участках с электротягой // Наука и техника транспорта, 2018, №1. С. 50-57.

Изобретение относится к области железнодорожной автоматики и телемеханики. Устройство для контроля излома рельсов и обрыва дроссельных перемычек на участках с электротягой переменного тока содержит два измерительных трансформатора, два пороговых элемента, два выпрямительных элемента, элемент сравнения, сумматор, делитель напряжения, логический элемент И, дифференцирующее устройство, элемент задержки и блок фиксации излома рельса. Для обеспечения автоматического контроля излома рельсов или обрыва дроссельных перемычек в конкретной рельсовой нити устройство дополнительно снабжено двумя компараторами, двумя инверторами и двумя логическими элементами И, подключенными к выходам выпрямительных элементов. Выходы компараторов через размыкающие и замыкающие электронные ключи подключены каждый к своему блоку фиксации излома рельса. Выходы дополнительных логических элементов И подключены каждый к конкретным блокам контроля обрыва дроссельных перемычек и к управляющим входам размыкающих электронных ключей. В результате расширяются функциональные возможности устройства для автоматического контроля излома рельсов на железных дорогах с электротягой переменного тока, оборудованных рельсовыми цепями, за счет обеспечения дополнительного контроля обрыва дроссельных перемычек и обеспечения контроля того, в какой конкретно рельсовой нити произошли эти обрыв или излом рельса. 1 ил.

Устройство для контроля излома рельсов и обрыва дроссельных перемычек на участках с электротягой переменного тока, содержащее два подключенных к секциям основных обмоток дроссель-трансформатора измерительных трансформатора, соединенных с двумя выпрямительными элементами, элемент сравнения, сумматор, делитель напряжения, дифференцирующее устройство, элемент задержки, два пороговых элемента, блок фиксации излома рельса и логический элемент И, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено двумя компараторами, двумя замыкающими и двумя размыкающими электронными ключами, двумя логическими элементами И, двумя инверторами, двумя блоками фиксации обрыва дроссельной перемычки и блоком фиксации излома рельса, причем выход первого логического элемента И подключен к входам первого и второго замыкающих электронных ключей, выход первого замыкающего электронного ключа соединен с первым блоком фиксации излома рельса в одной рельсовой нити, выход второго замыкающего электронного ключа соединен со вторым блоком фиксации излома рельса в другой рельсовой нити, выход первого выпрямительного элемента дополнительно соединен с прямым входом первого компаратора, с инверсным входом второго компаратора, с первым входом второго логического элемента И, а через первый инвертор со вторым входом третьего логического элемента И, выход второго выпрямительного элемента дополнительно соединен с инверсным входом первого компаратора, с прямым входом второго компаратора, с первым входом третьего логического элемента И, а через второй инвертор со вторым входом второго логического элемента И, выход первого компаратора подключен через первый размыкающий ключ к управляющему входу первого замыкающего ключа, выход второго компаратора подключен через второй размыкающий ключ к управляющему входу второго замыкающего ключа, выход второго логического элемента И соединен с управляющим входом первого размыкающего электронного ключа и с первым блоком фиксации обрыва дроссельной перемычки, а выход третьего логического элемента И соединен с управляющим входом второго размыкающего электронного ключа и со вторым блоком фиксации обрыва дроссельной перемычки.