Анализ мероприятий по обеспечению надежной работы изолирующего стыка

М.А. Скутина, 4-й курса

Важнейшим элементом электрической рельсовой цепи является изолирующий стык.

Изолирующий стык – рельсовый стык, предназначенный для электрической изоляции двух смежных рельсов. Изолирующие стыки применяется для: отделения рельсовых цепей, исключения электрической связи разнополярных (разнофазовых) рельсовых нитей через элементы стрелочного перевода, отделения участков с рельсовыми цепями от участков, не оборудованных ими, исключения проникновения обратного тока при электрической тяге из рельса, используемого для пропуска обратного тока, в рельсы, не предназначенные для этой цели [8].

В результате эксплуатации железнодорожного пути между торцами рельсов при стыковке создается магнитное поле, которое по мере использования пути возрастает. Создаваемое магнитное поле способствует притягиванию ферромагнитных частиц (тормозной пыли, окалины, металлических стружек) к поверхности рельса и их накапливанию. Это приводит к образованию электропроводных мостиков между рельсами, в результате бесперебойная работа изолирующего стыка не может быть обеспечена.

На сегодняшний день остро встает вопрос надежной и долговечной работы изолирующих стыков различных конструкций, поэтому возникает необходимость эффективного решения данной проблемы. На сегодня создано и разработано большое количество запатентованных устройств для разрядки и устранения магнитного поля. Были проанализированы методы обеспечения надежной работы изолирующих стыков и проведена их классификация.

Начиная с 1995 года, применяются композитные изолирующие накладки (рис. 1), которые не решают проблему надежности работы пути в стыковой зоне.

Рис. 1. Композитные изолирующие накладки

 

Из-за недостаточной жесткости композитных накладок и образования ступеньки при прохождение колес по изолирующему стыку образуется провисание шпалы. Ещё одним недостатком данного устройства являются возникающие шунтирующие мостики, которые приводят к периодическому электрическому замыканию стыков, а вследствие к сбою в работе систем СЦБ.

Позже были разработаны способы разрядки и устранения магнитного поля.

Один из конструктивных способов повышения надежности рельсовых цепей является рельсовый электроизолирующий стык [1, 7]

Электроизолирующий стык [1] содержит междурельсовую прокладку, расположенную между торцами стыкуемых рельсов, стыковые накладки, расположенные по обе стороны стыкуемых рельсов и имеющие сквозные отверстия для установки крепежных элементов, обеспечивающих стяжку между собой стыковых накладок через шейку соответствующего рельса стыка, и вкладыши, размещенные между стыковыми накладками и шейками рельсов по обе стороны стыкуемых рельсов, выполненные в виде пластин с отверстиями, размеры и положение которых совпадают с соответствующими отверстиями в стыковых накладках, при этом междурельсовая прокладка выполнена из слоистого стеклопластика с пределом прочности на сжатие не менее 300 МПа, на торцовой поверхности которой имеется контурный ободок, выполненный из магнитодиэлектрического эластомера, имеющего удельное электрическое сопротивление не менее 10 МОм·см, твердость по Шору не менее 85 единиц, а вкладыш выполнен из магнитодиэлектрического эластомера, имеющего удельное электрическое сопротивление не менее 10 МОм·см, и уменьшением удельного электрического сопротивление при сжатии до 30% не более 5,0 – 5,5 МОм·см, твердость по Шору не более 65 единиц, имеет в сечении форму ромба, с малой диагональю 5,0 – 6,5 мм и большой диагональю 90 – 98 мм.

Выполнение торцовой прокладки из слоистого стеклопластика обеспечивает высокую механическую прочность прокладки. Такая прочность не позволяет рельсам прийти в соприкосновение при их сгоне при повышении температуры рельсов и во время прогиба рельсового стыка. Контурный ободок [1], выполненный из магнитодиэлектрического эластомера, имеющего удельное электрическое сопротивление не менее 10 МОм·см, твердость по Шору не менее 85 единиц, позволяет значительно снизить напряженность магнитного поля изостыка и в тоже время не допускать замыкания электрической цепи. Еще больше усилить шунтирование магнитного поля можно расположением между накладками и шейкой рельса вкладышей из более пластичного и мягкого магнитодиэлектрического эластомера, имеющего удельное электрическое сопротивление не менее 10 МОм·см, твердость по Шору не менее 85 единиц. Вкладыши в процессе установки подвергаются сжатию до 20% своего линейного размера, при этом они не должны терять своих диэлектрических свойств. Свойства эластомера подбираются таким образом, чтобы при сохранении эффекта шунтирования магнитного поля сопротивление изолирующего стыка не превышало нормативных значений. Это обеспечивается, если уменьшением удельного электрического сопротивление при сжатии эластомера до 30% его удельное электрическое сопротивление уменьшится не более чем на 5,0 – 5,5 МОм·см. Выполнение вкладыша в форме ромба позволяет значительно упростить процесс изготовления и его установки. Размеры определены опытным путем.

Предложенное техническое решение поясняется чертежами (рис. 2), где на фиг. 1 представлен общий вид рельсового электроизолирующего стыка; на фиг. 2 – разрез по сечению А-А фиг. 1; на фиг. 3 – междурельсовая прокладка; на фиг. 4 – сечение вкладыша в свободном состоянии.

 

 

Рис. 2. Чертежи технических решения электроизолирующего стыка

 

Рельсовое стыковое электроизолирующее соединение содержит междурельсовую прокладку 1, расположенную между торцами стыкуемых рельсов 2 и 3. Кроме того, рельсовое стыковое электроизолирующее соединение содержит стыковые накладки 4, 5, расположенные по обе стороны стыкуемых рельсов 2, 3 и имеющие сквозные отверстия для установки крепежных элементов, обеспечивающих стяжку между собой стыковых накладок через шейку соответствующего рельса стыка. Между стыковыми накладками и шейками рельсов размещены вкладыши 7 и 8, выполненные в виде пластин с отверстиями, размеры и положение которых совпадают с соответствующими отверстиями в стыковых накладках. Междурельсовая прокладка состоит из двух частей: основы 1.1, выполненной из слоистого стеклопластика, и контурного ободка 1.2, выполненного из магнитодиэлектрического эластомера, имеющего удельное электрическое сопротивление не менее 10 МОм·см, твердость по Шору не менее 85 единиц. Вкладыши 7 и 8 имеют в сечении форму ромба и выполнены из более мягкого эластомера по сравнению с материалом контурного ободка.

Эластомер контурного ободка содержит полиуретан СКУ-ПФЛ-100 (Полиуретан СКУ-ПФЛ 100 - это современный конструкционный материал. Благодаря своим особенным эксплуатационным свойствам, полиуретан широко используется в качестве замены резины различных марок, каучуков, металла, пластика во многих отраслях промышленности [9]).

и порошок железа с чистотой не менее 99,98% по массе и фракцией до 100 мкм, при следующем соотношении компонентов (об.ч.): полиуретан СКУ-ПФЛ-100 - 65, указанный порошок железа - 35 и имеет удельное электрическое сопротивление не менее 10 кОм·см. Эластомер вкладыша содержит полиуретан СКУ-ПФЛ-100 и порошок железа с чистотой не менее 99,98% по массе и фракцией до 100 мкм, при следующем соотношении компонентов (об.ч.): полиуретан СКУ-ПФЛ-100 - 85, указанный порошок железа - 15 и имеет удельное электрическое сопротивление не менее 10 кОм·см.

Использование предложенных вкладышей, устанавливаемых между стыковыми накладками и шейками рельсов, совместно с междурельсовыми прокладками, изготовленными из указанных эластомеров, приводит к изменению конфигурации магнитного поля в области рельсового стыка и к уменьшению величины намагниченности, при этом напряженность магнитного поля изостыка в процессе эксплуатации практически не возрастает.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет повысить эксплуатационную надежность рельсовых стыковых электроизолирующих соединений за счет уменьшения напряженности магнитного поля изостыка без каких-либо изменений в конструкции электроизолирующих стыков рельсов.

Другим конструкционным способом повышения надежности рельсовых цепей является способ размагничивания рельсового изолирующего стыка и устройство его осуществления [2, 7]

Указанный технический результат [2] достигается устройством для размагничивания рельсового изолирующего стыка, содержащим 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.

Устройство состоит из последовательно соединенных источника постоянного тока 1, резистора 2, зарядного ключа 3, выполненного на полевом транзисторе, блока конденсаторов 4. Колебательный контур образован блоком конденсаторов 4, индуктором 5, состоящим из обмотки с П-образным сердечником из шихтованного железа. Автоколебательные затухающие колебания обеспечиваются разрядным ключом 6, выполненным на полевом транзисторе, и диодом 7, включенным в обратном направлении.

На рис.3 изображена принципиальная схема устройства для размагничивания рельсового изолирующего стыка.

 

 

Рис. 3. Принципиальна схема устройства для размагничивания рельсового изолирующего стыка

 

Способ реализуется с помощью данного устройства следующим образом. При включении устройства, источника постоянного тока, происходит зарядка блока конденсаторов, при этом зарядный ключ 3 открыт, а разрядный ключ 6 закрыт. При полной зарядке блока конденсаторов зарядный ключ закрывается, а разрядный ключ 6 открывается. Происходит автоколебательный затухающий процесс в обмотках и блоке конденсаторов, приводящий к размагничиванию изолирующего стыка, при необходимости процесс размагничивания повторяют. Изготовлен опытный образец, происходит его испытание в полевых условиях.

Еще одно решение – это прокладка стыковая композиционная [3, 7]

Прокладка стыковая композиционная [3] состоит из головки, шейки и подошвы, торцовая поверхность контура головки прокладки частично выступает за контур поперечного сечения головки, шейки и подошвы стыкуемых рельсов, выполнена из магнитодиэлектрического эластомера и электроизоляционного стеклопластика с пределом прочности на сжатие не менее 300 МПа, при этом, стеклопластик закреплен в магнитодиэлектрическом эластомере в виде отдельных вставок в области головки и шейки, ширина вставки в шейке имеет размер, равный толщине шейки рельса.

Кроме этого вставки имеют прямоугольную форму, а по торцу вставки выполнен шип.

Проведенные исследования механизмов разрушения стыковых прокладок показали, что не все участки прокладки, в равной мере, испытывают сжатие при «сгоне» рельсов. Наибольшие усилия воздействуют на головку рельса и верхнюю часть шейки рельса. Подошва рельса может даже не подвергаться сжатию. Такое воздействие на прокладку обусловлено прогибом конца рельса при прохождении по стыку колеса. Установлено также, что для шунтирования магнитного поля рельсового стыка, шунтирование необходимо проводить по всему контуру рельса. Таким образом, при сохранении свойств шунтирования, можно уменьшить площадь внутренней вставки, которая не подвергается сжатию. В случае если вставка повторяет контур рельса, она становится не технологичной в изготовлении. При изготовлении вставки из стеклопластика до 60% от заготовки дорогостоящего материала идет в отходы.

Выявленный эффект [3] позволил изготавливать прокладку в которой вставка в виде отдельных частей прямоугольной формы закреплена в магнитодиэлектрическом эластомере. При этом, высокопрочный пластик из области подошвы вставки исключен, что, с одной стороны, позволило снизить затраты на изготовление прокладки, а с другой, повысить шунтирующий эффект в области подошвы рельса, где больше всего собирается металлических частиц.

На рис. 4 изображена прокладка стыковая композиционная.

Прокладка включает головку 1, шейку 2, подошву 3. Головка 1, шейка 2 и подошва 3 междурельсовой прокладки выполнены в форме, повторяющей форму поперечного сечения соответственно головки, шейки и подошвы стыкуемых рельсов. Прокладка выполнена из магнитодиэлектрического эластомера, таким образом, что частично выступает за контур поперечного сечения стыкуемых рельсов. Вставка в виде отдельных частей 4 и 5 прямоугольной формы закреплена в магнитодиэлектрическом эластомере.

 

 

Рис. 4. Прокладка стыковая композиционная

 

Изготавливается прокладка раздельно, а затем происходит соединение частей 4 и 5 из стеклопластика в магнитодиэлектрический эластомер.

При установке прокладки в стык, слой эластичного магнитодиэлектрического материала будет шунтировать магнитное поле стыка, уменьшая его напряженность, при прохождении составов, при «сгоне» рельсов и их прогибе вставки из стеклопластика будут препятствовать соприкосновению рельсов друг с другом. Вследствие увеличения упругой составляющей подошвы прокладки, в процессе деформации будет происходить большее заполнение зазора стыка между торцами рельсов эластомером. В результате этого повышается эффект шунтирования, снижается вероятность металлизации торцевой поверхности рельсового стыка в области подошвы. Кроме этого, она продолжает работать как шунтирующая прокладка, выполненная из магнитодиэлектрического материала.

Изобретение [3] может быть реализовано с использованием известного из уровня техники технологического оборудования и материалов.

Следующее решение – это устройство дл защиты изоляционных стыков от скопления металлической стружки [4, 7]

Задача технического решения [4] заключается в том, чтобы предупредить замыкание электрической цепи в изоляционных стыках железнодорожных рельсов.

Она решается тем, что предложено устройство для защиты изоляционных стыков от скопления металлических частиц на электрифицированных участках железной дороги, включающее комплект постоянных магнитов, отличающееся тем, что комплект постоянных магнитов с напряженностью магнитного поля не менее 70 м Тл установлен по ходу поезда перед светофором на шейке рельса между головкой и подошвой рельса на длине, равной окружности колеса локомотива, начиная от изолированной накладки, соединяющей два рельса.

Предложенное устройство [4] поясняется на рис. 5. На фиг. 1 представленна схема размещения постоянных магнитов, на фиг. 2 – схема магнитных полей постоянных магнитов;

На рис. 6 показано расположение металлических частиц, задержанных магнитным полем постоянного магнита.

На фиг. 1 представлены: изолирующий стык – 1, торец одного рельса – 2, торец другого рельса – 3, изолированная накладка, соединяющая оба рельса – 4; комплект постоянных магнитов – 5, головка рельса – 6, подошва рельса – 7.

На фиг. 2 показаны магнитные поля, образованные постоянными магнитами.

 

Рис. 5. Устройство дл защиты изоляционных стыков от скопления

металлической стружки

 

 

Рис. 6. Расположение металлических частиц, задержанных магнитным полем постоянного магнита

 

На рис. 6 показана картина осаждения металлических частичек в виде стружки и окалины. На головке рельса 6 и на постоянном магните 5, как видно из фотографии, происходит намагничивание головки рельса 6 и расширение магнитного поля.

Комплект постоянных магнитов 5 размещается по ходу движения поезда перед светофором. Наиболее оптимальное размещение постоянных магнитов – перед изолирующим стыком, начиная от изолированной накладки, полюса вверх. Расстояние, на котором размещаются по длине постоянные магниты 5, определяются из расчета возможности улавливания металлических частичек, образованным магнитным полем.

Как показали наблюдения, металлические частички вырываются как от рельсов, так и от колес подвижного состава, прежде всего локомотива, при прохождении кривых участков железнодорожного пути и при торможении.

Траектория металлической частички, оторванной от рельса, не имеет большой скорости и направлена вниз, попадая почти вертикально в магнитное поле, образованное головкой рельса 6 и постоянными магнитами 5.

Траектория металлической частички, оторванной от колеса подвижного состава, определяется скоростью движения поезда и скоростью вращения колеса, а также весом металлической частички. Следует также учитывать, что отрыв металлической частички колеса может происходить не только в месте стыка колеса с рельсом, частичка может прилипнуть и оторваться от колеса, по всей вероятности, при движении вниз, поэтому расстояние, на котором расположены магниты, равно длине окружности колеса локомотива.

Чтобы уловить металлические частички с колес подвижного состава необходимо, чтобы напряженность магнитного поля была больше силы движения летящей металлической частички.

Устройство работает следующим образом. Постоянные магниты 5 совместно с головкой рельса 6 образуют достаточно большое магнитное поле. На металлические частички, которые оторвались от рельса, будут действовать силы тяжести и силы инерции, траектория движения этой частички будет определяться магнитным полем, образованным головкой рельса 6. Сила движения металлических частичек рельса будет много меньше F_kсилы движения металлических частичек, которые оторвались от колеса подвижного состава.

На металлические частички, которые оторвались от колеса, будут действовать силы инерции движения поезда, т.е. она будет двигаться со скоростью поезда по траектории движения колеса и, следовательно, будет входить в магнитное поле практически под прямым углом. Причем если металлическая частичка пролетит через первый постоянный магнит, то вторым, третьим магнитом она будет уловлена.

На рис. 6 показана картина осаждения металлических частиц. Предложенное изобретение [4] было испытано на перегонах Туринская-Карымская и Карымская-Тарская (Забайкальская железная дорога).

Результаты опытной эксплуатации показали эффективную работу комплекта постоянных полимерных магнитов для сбора стружки и окалины, что повысило надежность разделения смежных рельсовых цепей и предотвращение закорачивания изолирующих стыков. Сбоев в работе локомотивных устройств безопасности АЛСН и «Клуб» на опытных изолирующих стыках от воздействия магнитного поля, создаваемого постоянными магнитами 5, не зафиксировано.

После анализа конструкционных способов надежности работы рельсовых предложена классификация, которая представлена на рис. 7. Устройства для защиты изолирующих стыков были разделены на две группы:

Пассивного воздействия (воздействие каких-либо факторов, обеспечивающих надежную работу изолирующих стыков. Например: магнитное поле, создаваемое электрическим током) и прямого воздействия (непосредственное взаимодействие рельса с элементом, обеспечивающим бесперебойную работу изолирующего стыка).

К основным недостаткам перечисленных способов повышения надежности работы рельсовых цепей косвенного действия относятся:

1. Низкая надежность, заключающаяся в том, что вследствие разрушения магнитодиэлектрического покрытия выходит из строя накладка целиком, тогда как металлическая накладка и вкладыш остаются целыми.

2. Недостаточная степень шунтирования магнитного поля изолирующего стыка, возможное разрушение боковых накладок при прогибе рельсов в районе стыка рельсов, сложная технология изготовления боковых накладок, сложность монтажа и демонтажа боковой прокладки

В примерах, приведенных выше, задачей является увеличение надежности работы изолирующего стыка и повышение безопасности движения железнодорожного транспорта. Технический результат, достигаемый в процессе решения поставленной задачи, заключается в повышении шунтирования магнитного поля в изолирующем стыке, срока службы боковой накладки, снижении трудоемкости изготовления, обслуживания и ремонта изолирующего стыка.

К основным недостаткам перечисленных выше устройств прямого воздействия относится:

1. 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.

2. Невозможность размагничивания неподвижных длинных деталей (железнодорожные рельсы), находящихся в сборе.

Вsit приведены примеры с иным расположением постоянных магнитов и конфигурации обмоток с постоянным током, что приводит к снижению энергоемкости процесса и повышению надежности разделения смежных рельсовых цепей, а также предотвращению закорачивания изолирующих изолирующих стыков.

 

Рис. 7. Классификация методов по обеспечению надежной работы изолирующих стыков

Список используемой литературы:

1. Рельсовый электроизолирующий стык (патент РФ № 2473726), заявка: 2011116950/11

2. Способ размагничивания рельсового изолирующего стыка и устройство для его осуществления (патент РФ № 2442854), заявка: 2010146002/11

3. Прокладка стыковая композиционная (патент РФ № 2427681), заявка: 2010111181/11

4. Устройство для защиты изоляционных стыков рельсов от скопления металлической стружки

5. Контактный элемент из компазиционного металлокерамического материала (патент РФ № 2404319), заявка: 2009140433/11

6. Соединитель рельсовый стыковой пружинный (патент РФ № 2404318), заявка: 2009108105/11

7. http://www.freepatent.ru

8. http://wiki.nashtransport.ru

9. http://vitahim.ru/polyuretan/polyuretanskupfl