Способ размагничивания рельсового изолирующего стыка и устройство для его осуществления
Владельцы патента RU 2511738:
Общество с ограниченной ответственностью "Научно-Технический Центр Информационные Технологии" (RU)
Изобретение относится к области железнодорожного транспорта, к способу размагничивания рельсового изолирующего стыка. Согласно способу размагничивания рельсового изолирующего стыка объект подвергают воздействию магнитного поля, возбуждаемого индуктором, обмотка которого подключена к блоку конденсаторов. Обмотку индуктора подключают к блоку конденсаторов через блок электронных ключей, управляемых с помощью датчика Холла, таким образом, чтобы магнитный импульс, возбуждаемый обмоткой индуктора при разрядке конденсаторов, имел направление вектора магнитной индукции, противоположное вектору магнитной индукции, создаваемому магнитным полем изолирующего стыка. Блок конденсаторов заряжают от пьезоэлектрического генератора, при этом для деформации пьезоэлектрических элементов генератора используют механические колебания рельсов, возбуждаемых проходящим подвижным составом. Разрядку блока конденсаторов на обмотку индуктора производят посредством силового ключа, при достижении номинального напряжения блока конденсаторов, контролируемого посредством порогового элемента. Изобретение относится также к устройству для осуществления указанного способа. В результате обеспечивается постоянное размагничивание рельсового изолирующего стыка за счет энергии проходящего подвижного состава. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области железнодорожного транспорта, конкретно к способам и устройствам размагничивания рельсовых изолирующих стыков.
Известен способ размагничивания рельсов, заключающийся в прохождении по рельсам подвижного объекта, снабженного устройством для размагничивания, содержащим магнитопровод, состоящий из пластин с размещенной на нем обмоткой, источник переменного напряжения, блок конденсаторов, включенный параллельно обмотке («Устройство для размагничивания рельсов» Автоматика, связь, информатика. №7 2008, стр 27-28). При движении (протягивании) данного устройства над поверхностью рельсового изолирующего стыка при малой скорости (до 5 км/час) происходит уменьшение напряженности магнитного поля в изолирующем стыке.
К недостаткам известного способа размагничивания относятся высокая энергоемкость процесса, в качестве источника тока используется генератор мотовоза мощностью не менее 10 кВт и недостаточная точность импульса тока, что не позволяет обеспечить качественное размагничивание, низкая производительность процесса размагничивания, необходимо несколько раз производить протягивание устройства размагничивания над стыком.
Известен способ размагничивания, менее энергоемкий и более производительный, заключающийся в том, что изделие подвергают воздействию переменного магнитного поля с амплитудой, уменьшающейся от некоторого максимального значения до нуля (Кифер И.И. «Испытания ферромагнитных материалов». М., Энергия, 1966, с.173-184, 339).
Недостатком этого известного способа является невозможность размагничивания неподвижных длинных деталей (железнодорожные рельсы), находящихся в сборе.
Наиболее близким к заявляемому является способ размагничивания рельсового изолирующего стыка (Заявка на изобретение RU 2010146002), при котором объект подвергают воздействию переменного магнитного поля с амплитудой, уменьшающейся от некоторого максимального значения до нуля, при этом переменное магнитное поле возбуждают в магнитной цепи, образованной рельсами в изолирующем стыке и П-образным сердечником-индуктором, обмотка которого с блоком конденсаторов образуют колебательный контур.
Недостатком данного способа является низкая степень размагничивания изолирующего стыка. Особенностью магнитного поля в изостыке является его способность восстанавливаться под интенсивным механическим воздействием колесных пар проходящего подвижного состава и локомотивов. Поэтому изолирующий стык необходимо размагничивать постоянно.
Задачей заявляемого способа является повышение безопасности движения железнодорожного транспорта.
Технический результат, достигаемый в процессе решения поставленной задачи, заключается в обеспечении постоянного размагничивания рельсового изолирующего стыка за счет энергии проходящего подвижного состава.
Технический результат достигается тем, что в способе размагничивания рельсового изолирующего стыка, при котором объект подвергают воздействию магнитного поля, возбуждаемого индуктором, обмотка которого подключена к блоку конденсаторов, при этом обмотку индуктора подключают к блоку конденсаторов через блок электронных ключей, управляемых с помощью датчика Холла, таким образом, чтобы магнитный импульс, возбуждаемый обмоткой индуктора при разрядке конденсаторов, имел направление вектора магнитной индукции противоположное вектору магнитной индукции, создаваемому магнитным полем изолирующего стыка, блок конденсаторов заряжают от пьезоэлектрического генератора, причем для деформации пьезоэлектрических элементов генератора используют механические колебания рельсов, возбуждаемых проходящим подвижным составом, а разрядку блока конденсаторов на обмотку индуктора производят посредством силового ключа, при достижении номинального напряжения блока конденсаторов, контролируемого посредством порогового элемента.
Стык является местом интенсивного механического воздействия колесных пар проходящего подвижного состава и локомотивов на рельсы. При наезде колеса на неровности рельсов, особенно на стыки, возникают удары, и тем сильнее, чем выше скорость. Сила ударов достигает нескольких сотен килоньютонов. При постоянной деформации концов рельсов в изолирующем стыке в магнитном поле Земли приводит к непрерывному увеличению напряженности магнитного поля изолирующего стыка, при этом характер распределения магнитного поля может иметь специфические особенности вследствие магнитострикционных эффектов, связывающих напряжения в ферромагнитном металле с его магнитной структурой. Нередко происходит перемагничивание рельсов, когда вектор магнитной напряженности в изолирующем стыке меняет свое направление.
Чтобы размагнитить изолирующий стык и удерживать напряженность магнитного поля изолирующего стыка на низком уровне, предлагается процесс размагничивания проводить постоянно, при этом в качестве источника питания для зарядки конденсаторов использовать энергию механических колебаний рельсов. Кроме этого, при возможности самопроизвольного перемагничивания магнитного поля изолирующего стыка предлагается импульс, возбуждаемый магнитным полем индуктора создавать противоположного знака, чем у магнитного поля изолирующего стыка, определяя при этом направление напряженности магнитного поля изолирующего стыка с помощь датчика Холла.
Для осуществления заявляемого способа предлагается устройство для размагничивания рельсового изолирующего стыка, уровень техники которого известен из устройства для защиты изоляционного стыка рельсов от скопления металлических частиц на электрифицированных участках железной дороги, включающее комплект постоянных магнитов, при этом комплект постоянных магнитов с магнитной индукцией не менее 0,07 Тл установлен по ходу поезда перед светофором на шейке рельса между головкой и подошвой рельса на длине, равной длине окружности колеса локомотива, начиная от изолированной накладки, соединяющей два рельса (RU №2389843).
Недостатком данного устройства является ограниченность использования, т.к. использовать устройство возможно по ходу поезда. Установленные магниты с двух сторон изолирующего стыка увеличивают напряженность магнитного поля в изостыке, что увеличивает вероятность его замыкания металлическими частицами. Постоянные магниты, установленные на рельсе, в месте установки создают мощное магнитное поле, которое со временем увеличивается, это может отрицательно сказаться на работе устройств безопасности АЛСМ и «Клуб». Такие данные об отрицательном воздействии намагниченных участков рельсов на передачу сигналов АЛСМ имеются на форуме СЦБистов (www.scbist.com).
Известны устройства, включающие постоянные магниты или электрические магниты, установленные в изолирующем стыке таким образом, что в результате взаимодействия магнитных полей установленных магнитов в пространстве стыка отсутствует магнитное поле. Металлические частицы не притягиваются в зону стыка (SE №530635, ЕР №1717125).
Устройства сложны в изготовлении и громоздки при установлении в изостык, кроме этого, возможно перемагничивание поля изолирующего стыка, тогда возможен противоположный результат. Постоянные и переменные магниты производят намагничивание рельса в определенном месте, т.е. устройство обладает тем же недостатком, что и указанное выше.
Недостатком данного устройства является то, что она создает компенсирующее магнитное поле, но не производит процесса размагничивания.
Известно устройство для размагничивания рельсов, содержащее магнитопровод, состоящий из пластин с двумя размещенными на нем обмотками, источник переменного напряжения, блок конденсаторов, включенный параллельно обмоткам («Устройство для размагничивания рельсов» Автоматика, связь, информатика. №7 2008, стр 27-28).
К недостаткам известного устройства для размагничивания относятся большой вес и габариты, в качестве источника тока используется генератор мотовоза, высокий уровень потребляемой электрической мощности, не менее 10 кВт, и недостаточная точность импульса тока, что не позволяет обеспечить качественное размагничивание.
Известно устройство для размагничивания рельсового изолирующего стыка, содержащее источник постоянного тока, батарею конденсаторов, разрядный и зарядный ключи, размагничивающую обмотку, образующие колебательный контур, при этом обмотка установлена на П-образном сердечнике-индукторе, причем полюса сердечника-индуктора расположены на различных концах рельсов изолирующего стыка, а сердечник-индуктор сориентирован таким образом, что линии магнитного поля, образованные сердечником-индуктором, совпадают по направлению с линиями магнитного поля изолирующего стыка, а в качестве зарядного и разрядного ключей используются полевые транзисторы. Кроме этого, между полюсами сердечника-индуктора и рельсами имеется зазор, сердечник-индуктор и обмотка находятся в отдельном корпусе и установлены под подошвой рельсов, сердечник-индуктор и обмотка находятся в отдельном корпусе и установлены на головке. (Заявка на изобретение RU 2010146002). Данное решение является прототипом.
Недостатком данного устройства является невозможность размагничивания изолирующего стыка по предлагаемому способу.
Задачей заявляемого способа является повышение безопасности движения железнодорожного транспорта.
Технический результат, достигаемый в процессе решения поставленной задачи, заключается в обеспечении постоянного размагничивания рельсового изолирующего стыка за счет энергии проходящего подвижного состава и удерживание напряженности магнитного поля в изолирующем стыке на низком уровне по предлагаемому способу.
Технический результат достигается устройством для размагничивания рельсового изолирующего стыка, содержащим источник постоянного тока, батарею конденсаторов, разрядный и зарядный ключи, размагничивающую обмотку, установленную на П-образном сердечнике индуктора, причем полюса сердечника индуктора расположены на различных концах рельсов изолирующего стыка, между полюсами сердечника индуктора и рельсами имеется зазор, сердечник индуктора и размагничивающая обмотка находятся в отдельной корпусе и установлены под подошвой рельсов, при этом устройство состоит из отдельных модулей, закрепленных неподвижно на концах рельсов, образующих стык, индуктор с сердечником и размагничивающей обмоткой является общим для модулей и соединен с ними подвижно, при этом каждый модуль имеет отдельный источник тока для зарядки блока конденсаторов, выполненный на основе пьезоэлектрического генератора, состоящего из блока пьезоэлектрических элементом, установленных на упругих элементах, и пластины, расположенной между блоками пьезоэлектрических элементов и воздействующей на них через упругую прокладку, блок пьезоэлектрических элементов соединен через диоды с блоком конденсаторов, управление зарядкой блока конденсаторов и разрядкой на обмотку индуктора производит блок управления, состоящий из датчика Холла размещенного в зазоре между рельсами, и контроллера зарядки конденсаторов.
Ресурс источников питания постоянного тока, как правило, ограничен. Длительное использование устройств такого рода, особенно в неблагоприятных атмосферных и климатических условиях, приводит к необходимости частой замены автономных электрохимических источников электрической энергии (аккумуляторов и батареек), замена источников питания достаточно затратная операция. Несвоевременное выполнение этой операция приводит к неожиданному отключению системы, часто такие устройства отказывают в самый напряженный момент, что может привести к нештатным ситуациям.
Упомянутые выше факторы побудили искать более надежные, самовозобновляемые источники электрической энергии, базирующиеся на принципах использования имеющихся механических колебаний рельсового пути.
В качестве самовозобновляемого источника электрической энергии предлагается использовать в качестве источника тока для зарядки блока конденсаторов пьезоэлектрический генератор, преобразующий механическую энергию колебаний рельсов от проходящего подвижного состава в электрическую.
Предлагаемое устройство размагничивания магнитного поля изолирующего стыка позволяет размагничивать изолирующий стык при изменении знака вектора магнитной напряженности (перемагничивании рельсов). Это достигается путем использования датчика Холла, с помощью которого разрядка блока конденсаторов всегда направлена на создание магнитного импульса, направленного на снижение магнитного поля изолирующего стыка.
Использование пьезоэлектрического генератора в устройстве и исполнение устройства в виде отдельных модулей, закрепленных на концах рельсах в районе изолирующего стыка, позволяет их выполнить герметичными и не обслуживаемыми на весь период эксплуатации, что позволяет длительное время использовать устройство в неблагоприятных атмосферных и климатических условиях.
Использование данного устройства для реализации предлагаемого способа размагничивания рельсового изолирующего стыка позволяет значительно снизить уровень намагниченности рельсового стыка и значительно уменьшить риск возникновения нештатных ситуаций и затраты на техническое обслуживание.
Предложенное техническое решение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема устройства, на фиг.2 - отдельный модуль устройства для размагничивания рельсового изолирующего стыка.
Принципиальная электрическая схема устройства состоит из блока пьезогенератора 1, выпрямителей 3 и 4, блока конденсаторов 2 с пороговым элементом 8, зарядного ключа 9, индуктора 5, датчика Холла 6 с источника его питания 7 и силового ключа 10.
Отдельные модули M1 и М2 устройства для размагничивания рельсового изолирующего стыка закрепляются под подошвой рельса 11 и 12 в районе изолирующего стыка. Модуль имеет пьезогенератор, состоящий из блоков пьезоэлектрических элементов 1.1 и 1.2, состоящих из чередующихся упругих пластин полиуретана и пьезоэлектрических элементов, установленных на упругих элементах 1.3 и 1.4, пластины 1.5 расположенной между блоками пьезоэлектрических элементов 1.1 и 1.2. Индуктор 5 с размагничивающей обмоткой является общим для модулей и соединен с ними подвижно, датчик Холла 6 размещен в зазоре между рельсами 11 и 12.
Способ реализуется с помощью данного устройства следующим образом. Динамические нагрузки передаются на устройство, закрепленное к подошве рельс 11 и 12. Пластина 1.5 будет поочередно создавать давления на блоки пьезоэлектрических элементов 1.1 и 1.2, состоящие из чередующихся упругих пластин полиуретана и пьезоэлектрических элементов, заряжая блок конденсаторов 2, при этом зарядный ключ 9 заперт. При достижении номинального напряжения блока конденсаторов 2, контролируемого посредством порогового элемента 8, зарядный ключ 9 отпирается, а силовой ключ 10 принимает одно из положений, определяемых с помощью датчика Холла 6, чтобы магнитный импульс, возбуждаемый обмоткой индуктора 5 при разрядке блока конденсаторов 2, имел направление вектора магнитной индукции, противоположное вектору магнитной индукции, создаваемое магнитным полем изолирующего стыка. В обмотках индуктора возникает магнитный импульс противоположного знака магнитного поля изолирующего стыка, приводящий к размагничиванию изолирующего стыка. Такой процесс размагничивания будет происходить постоянно каждый раз при прохождении подвижного состава. Изготовлен опытный образец, проводится его испытание.
1. Способ размагничивания рельсового изолирующего стыка, при котором объект подвергают воздействию магнитного поля, возбуждаемого индуктором, обмотка которого подключена к блоку конденсаторов, отличающийся тем, что обмотку индуктора подключают к блоку конденсаторов через блок электронных ключей, управляемых с помощью датчика Холла, таким образом, чтобы магнитный импульс, возбуждаемый обмоткой индуктора при разрядке конденсаторов, имел направление вектора магнитной индукции, противоположное вектору магнитной индукции, создаваемому магнитным полем изолирующего стыка, блок конденсаторов заряжают от пьезоэлектрического генератора, при этом для деформации пьезоэлектрических элементов генератора используют механические колебания рельсов, возбуждаемых проходящим подвижным составом, а разрядку блока конденсаторов на обмотку индуктора производят посредством силового ключа, при достижении номинального напряжения блока конденсаторов, контролируемого посредством порогового элемента.
2. Устройство для размагничивания рельсового изолирующего стыка, содержащее источник постоянного тока, батарею конденсаторов, разрядный и зарядный ключи, размагничивающую обмотку, установленную на П-образном сердечнике индуктора, причем полюса сердечника индуктора расположены на различных концах рельсов изолирующего стыка, между полюсами сердечника индуктора и рельсами имеется зазор, сердечник индуктора и размагничивающая обмотка находятся в отдельном корпусе и установлены под подошвой рельсов, отличающееся тем, что устройство состоит из отдельных модулей, закрепленных на концах рельсов, образующих стык, индуктор с размагничивающей обмоткой является общим для модулей и соединен с ними подвижно, при этом каждый модуль имеет отдельный источник тока для зарядки блока конденсаторов, выполненный на основе пьезоэлектрического генератора, состоящего из блока пьезоэлектрических элементов, установленных на упругих элементах, и пластины, расположенной между блоками пьезоэлектрических элементов и воздействующей на них через упругую прокладку, блок пьезоэлектрических элементов соединен через диоды с блоком конденсаторов, управление зарядкой блока конденсаторов и разрядкой на обмотку индуктора производит блок управления, состоящий из датчика Холла, размещенного в зазоре между рельсами, и контроллера зарядки конденсаторов.
