Электромагнитные реле железнодорожной автоматики

1

1. Основные типы электромагнитных реле железнодорожной автоматики

На сегодняшнее время электромагнитные реле являются основными элементами в устройствах автоматики и телемеханики на железнодорожном транспорте. Несмотря на интенсивное развитие и широкое внедрение современных интегральных микросхем, микропроцессорной и вычислительной техники в устройства железнодорожной автоматики, электромагнитные реле продолжают оставаться главными и наиболее массовыми элементами систем регулирования движением поездов на перегонах и станциях. В экономически развитых странах не только продолжают эксплуатироваться устройства железнодорожной автоматики, содержащие десятки миллионов электромагнитных реле, но и ведутся разработки новых типов реле [1,2]. Такое широкое применение электромагнитных реле в устройствах автоматики на железнодорожном транспорте обусловлено их следующими преимуществами по сравнению с полупроводниковыми приборами:

- высокая надежность работы в сложных климатических условиях;

- полный электрический разрыв коммутируемых цепей при разомкнутых контактах, и малое, стабильное переходное сопротивление при замкнутых контактах;

- отсутствие гальванической связи между управляющими и выходными цепями, а также возможность одновременно коммутировать несколько независимых электрических цепей с различными напряжениями и токами;

- простота эксплуатации, не требующая для обслуживания высококвалифицированного персонала и применения сложных и дорогостоящих измерительных приборов;

- высокая помехозащищенность от атмосферных разрядов, тяговых токов, воздействия радиации, резких колебаний питающих напряжений.

Анализ развития схемотехники современных устройств железнодорожной автоматики в Украине и за рубежом показывает, что электромагнитные реле будут применяться еще достаточно длительный период времени [1,2]. Это, прежде всего, связано с тем что, схемотехника устройств железнодорожной автоматики весьма консервативна, так как от ее работы зависит безопасность перевозочного процесса. Поэтому внедрение любого нового устройства или модернизация старого оборудования требуют тщательных испытаний на безопасность, как в лабораторных, так и эксплуатационных условиях. К тому же до сих пор не разработано полупроводниковых элементов, являющихся по надежности равноценной заменой электромагнитных реле первого класса надежности, обеспечивающих безопасность движения поездов.

Существует большое количество разновидностей и типов реле, но все они имеют две основные части [3]: 1) воспринимающую часть, которая реагирует на изменение определенного вида физической энергии; 2) исполнительную часть, которая непосредственно производит скачкообразное изменение тока в выходной цепи.

В технике используется большое количество разновидностей и типов реле, отличающихся конструкцией, принципом работы и т.п. Поэтому в основу классификации реле можно брать различные признаки. По виду физической природы энергии, на которую реагирует воспринимающая часть, все реле можно разбить на следующие классы (рис. 1): электрические, механические, тепловые, оптические, пневматические, акустические, жидкостные и газовые [3].

Рис. Классификация реле по виду управляющего воздействия

Полная классификация всех видов реле дана в [3]. В устройствах автоматики и телемеханики на железнодорожном транспорте наибольшее распространение получили электрические реле. Однако наряду с ними в автоматике возникает необходимость использовать и другие классы реле. Например, в автостопах на локомотивах используются пневматические реле, работающие за счет энергии сжатого воздуха и приводящие в действие поездные тормоза при приближении к сигналам с запрещающим показанием [4]. В схеме автоматической переездной сигнализации, применяются реле НМШТ-1440 и АНШМТ-310, которые представляют собой сочетание электрического и теплового реле и используются в качестве реле времени или для защиты от перегрузок [4].

Электрические реле - это реле, воспринимающая часть которых реагирует на один из видов электрической энергии. Электрические реле, по принципу устройства воспринимающей части, делятся на: нейтральные электромагнитные реле; поляризованные электромагнитные реле; магнитоэлектрические реле; электродинамические реле; индукционные реле; полупроводниковые реле [3].

Нейтральным электромагнитным реле называют реле, действие которого основано на взаимодействии магнитного поля, создаваемого электромагнитом, и якоря, выполненного из ферромагнитного материала. Действие нейтрального электромагнитного реле зависит только от значения тока, протекающего в обмотке электромагнитного реле, и не зависит от направления этого тока.

В устройствах железнодорожной автоматики наиболее широкое распространение получил класс нейтральных электромагнитных реле благодаря их простой конструкции, а также надежной и безотказной работе [4]. Конструкция любого нейтрального электромагнитного реле состоит из четырех основных узлов: обмотка реле (располагается либо на сердечнике, либо на якоре); неподвижная часть магнитопровода, состоит из сердечника и ярма; якорь, представляющий собой подвижную часть магнитопровода; контактная система. В зависимости от конструкции магнитной цепи электромагнитные реле делятся на три типа [3]: реле клапанного типа; реле соленоидного типа; реле с внешним поперечно движущимся якорем. Основная масса нейтральных электромагнитных реле применяемых в технике являются реле клапанного типа. Наиболее массовые реле железнодорожной автоматики типов НМШ и РЭЛ также имеют магнитную систему клапанного типа [4].

2. Эксплуатационно-технические требования к параметрам реле железнодорожной автоматики

Электромагнитные реле, эксплуатирующиеся в устройствах автоматики, должны удовлетворять большому количеству различных эксплуатационно-технических требований (ЭТТ), которые часто являются противоречивыми и полностью не могут быть удовлетворены в одной универсальной конструкции.

Все параметры электромагнитных реле можно разделить на три типа [4]: электрические, временные и механические.

К электрическим параметрам электромагнитного реле относятся: напряжение (ток) срабатывания реле; напряжение (ток) отпускания реле; рабочее напряжение (ток) реле; напряжение (ток) перегрузки реле; сопротивление обмотки реле; переходное сопротивление замкнутых контактов; коэффициент запаса; коэффициент возврата (коэффициент безопасности).

К временным параметрам электромагнитного реле относятся: время срабатывания реле; время отпускания реле; время перелета якоря из одного положения в другое.

К механическим параметрам любых электромагнитных реле относятся: высота антимагнитного штифта; ход якоря; межконтактный зазор; контактное давление; неодновременность замыкания или размыкания контактов; совместный ход контактов.

Кроме перечисленных параметров, работу электромагнитного реле характеризуют механическая и тяговая характеристики. Механическая характеристика реле - это зависимость механических усилий, преодолеваемых якорем при его движении, от хода якоря. Тяговая характеристика - это зависимость электромагнитной силы притяжения создаваемой электромагнитом реле, от величины воздушного зазора между якорем и сердечником при постоянной магнитодвижущей силе (м.д.с.) [5].

Все электромагнитные реле по надежности работы делятся на реле первого класса и реле низшего класса надежности. Во всех устройствах железнодорожной автоматики, обеспечивающих безопасность движения поездов, применяются реле первого класса надежности типов НМ, НМШ и РЭЛ. На их основе строятся рабочие и контрольные цепи управления светофорами и стрелками, рельсовые цепи, а также логические схемы, непосредственно обеспечивающие безопасность движения поездов. Реле железнодорожной автоматики разрабатываются, изготавливаются и эксплуатируются с учетом специальных эксплуатационно-технических требований (ЭТТ) по обеспечению надежности, которые разработаны и утверждены Управлением сигнализации, связи и вычислительной техники МПС [6,7].

Согласно ЭТТ электромагнитные реле СЦБ первого класса надежности должны исключать опасные отказы. Для этого они должны удовлетворять следующим основным требованиям.

Фронтовые и общие контакты не должны свариваться при любых условиях эксплуатации. Для фронтовых контактов применяется уголь с металлическим наполнением, а для общих контактов серебро или его сплавы.

2. Якорь должен возвращаться в исходное состояние и замыкать тыловые контакты при снятии напряжения с обмоток или уменьшении его до величины напряжения отпускания под действием силы тяжести.

3. Возможность залипания якоря после выключения питания должна быть исключена. Для этого между якорем и сердечником всегда должен быть остаточный воздушный зазор, который реализуется с помощью антимагнитного бронзового штифта, укрепленного на якоре. У нормальнодействующих реле высота штифта должна быть не менее 0,2 мм, а у медленодействующих реле - не менее 0,15 мм.

4. Все тыловые контакты реле должны размыкаться при замыкании хотя бы одного фронтового контакта и наоборот. Данное требование выполняется только в реле первого класса надежности типа РЭЛ.

ЭТТ к реле первого класса надежности включают в себя также требования к электрическим параметрам, к контактам и конструкции реле.

Основные требования к электрическим параметрам электромагнитного реле первого класса надежности: напряжение срабатывания не более 0,8 от номинального; напряжение отпускания не менее 0,08 от номинального; напряжение (ток) срабатывания реле, измеренное при одной полярности, не должно превышать напряжение (ток) срабатывания при другой полярности более чем на 20 %; коэффициент возврата для путевых реле должен быть не менее 0,5, огневых реле не менее 0,3, у остальных не менее 0,2; обмотка реле должна длительное время выдерживать напряжения перегрузки, равное двукратному номинальному рабочему напряжению.

Основные требования к контактам реле первого класса надежности: переходное сопротивление фронтовых контактов не более 0,3 Ом, тыловых контактов не более 0,03 Ом; раствор контактов не менее 1,3 мм, а в момент переключения контактов не менее 0,8 мм; совместный ход контактов должен быть не менее 0,35 мм, а скольжения контактов для их самоочистки у фронтовых контактов должно быть не менее 0,25 мм, а у тыловых контактов не менее 0,2 мм; контактное давление фронтовых контактов не менее 0,294 Н (30 гр), а тыловых контактов не менее 0,147 Н (15 гр); неодновременность замыкания или размыкания контактов - не более 0,2мм.

ЭТТ к конструкции реле первого класса надежности включает следующее. Реле должно иметь конструкцию, не требующую дополнительного схемного контроля отпускания якоря. Положение контактов должно обеспечиваться механическим соединением их между собой и якорем. Штепсельные разъемы реле должны исключать возможность его ошибочного включения. Корпус реле должен исключать попадание во внутрь влаги, пыли и газов для устранения влияния внешней среды на работу реле. Реле должно устойчиво работать при температуре окружающего воздуха от -40 до +60 0С и относительной влажности до 95%, измеренной при температуре +200С.

3. Анализ методов контроля параметров электромагнитных реле железнодорожной автоматики

Для обеспечения соответствия ЭТТ реле железнодорожной автоматики проходят трудоемкий процесс регулировки и проверки на заводах-изготовителях, а также при входном контроле в РТУ сразу после получения и после длительного хранения. В процессе эксплуатации реле так же периодически проверяются и регулируются по всему комплексу параметров, так как в процессе длительной эксплуатации параметры реле изменяются. В настоящее время все основные работы по ремонту, регулировке и проверке параметров реле сосредоточены на ремонтно-технологических участках СЦБ [8,9].

Технология проверки электромагнитных реле первого класса надежности в РТУ изложена в технологической карте «Аппаратура СЦБ. Технологический процесс ремонта РМ32-ЦШ 09.36-85» [10]. Согласно [10] ремонт и проверка приборов СЦБ выполняется с соблюдением принципа двойной проверки. Регулировку и измерение электрических, временных и механических параметров реле осуществляет электромеханик-регулировщик, а контрольную проверку и пломбирование - другой электромеханик или старший электромеханик, имеющий право приема аппаратуры и печать для пломбирования. Согласно техническим условиям (ТУ) завода-изготовителя для электромагнитных реле первого класса надежности типов НМШ (ТУ32ЦШ72-76) и РЭЛ (ТУ32ЦШ451-86) измерению в процессе проверки и ремонта реле в РТУ подлежат следующие параметры:

1) электрические параметры: напряжение (ток) срабатывания реле при прямой полярности; напряжение (ток) срабатывания реле при обратной полярности; напряжение (ток) отпускания реле; сопротивление обмотки реле; переходное сопротивление контактов;

2) временные параметры: время срабатывания реле; время отпускания реле;

3) механические параметры: высота антимагнитного штифта; межконтактный зазор в крайних положениях якоря и при перелете контактов; совместный ход фронтовых и тыловых контактов; контактное давление фронтовых и тыловых контактов; неодновременность замыкания фронтовых и тыловых контактов.

Гарантировать безотказную работу реле в течение заданного срока эксплуатации возможно только при условии точного измерения их электрических, временных и механических параметров, а также соответствия этих параметров ТУ завода-изготовителя и технологическим картам на ремонт реле в РТУ. Электромеханик при проверке нейтральных реле в РТУ, в соответствии с технологическим процессом, должен выполнить измерение не менее пяти механических, пяти электрических и двух временных параметров. При этом общее число измерений, приходящихся на одно реле, может достигать до 50 для механических параметров и до 21 для электрических параметров, в зависимости от числа контактов и количества обмоток реле.

Для измерения электрических параметров реле в РТУ используют типовой универсальный стенд для испытания реле СЦБ, дешифраторных ячеек и трансмиттеров типа СИ-СЦБ заводского изготовления [11] или упрощенный специализированный стенд, изготавливаемый самостоятельно в РТУ [9]. Стенд представляет собой набор регулируемых вторичных источников питания, стрелочных электроизмерительных приборов, электросекундомера и вспомогательных коммутационных устройств. Стенд позволяет измерять напряжение (ток) срабатывания и отпускания реле постоянного и переменного тока с напряжением перегрузки до 250 В, а также переходное сопротивление контактов методом вольтметра-амперметра. Регулировку напряжения (тока) на обмотке реле осуществляют с помощью ЛАТРа. В качестве измерительных приборов до 1974 года применялись электромагнитные приборы М24 с установкой шунтов и добавочных резисторов, а с 1974 года внешний комбинированный прибор Ц4312. Комбинированный измерительный прибор Ц4312 имеет класс точности 1,0 по постоянному и 1,5 по переменному току, а приборы М24 - 1,5 по постоянному и 2,5 по переменному току.

Измерение сопротивления обмотки реле производят любым способом, обеспечивающим погрешность не более 1%. Для измерения сопротивления обмоток реле используют ампервольтметр Ц4312 или омметр Щ-30. Для токовых реле, имеющих малое сопротивление обмотки, используют мост постоянного тока. Наличие короткозамкнутых витков в обмотках реле определяют с помощью отдельного прибора [9], представляющего собой мост переменного тока. При насадке на сердечник катушки с короткозамкнутыми витками, индуктивное сопротивление плеча изменится, что приведет к разбалансу моста, и отклонению стрелки миллиамперметра.

Измерение переходного сопротивления контактов проводят четырехпроводным методом, позволяющим исключить влияние соединительных проводов на результаты измерения. Через измеряемые контакты пропускают ток 0,5 А и с помощью милливольтметра измеряют падение напряжения на контактах, значение которого будет пропорционально переходному сопротивлению контактов. Если переходное сопротивление контактов больше нормы, то производят еще три измерения для исключения ошибки [10]. Точное измерение переходного сопротивления контактов возможно только при наличии стабильного источника тока, который в универсальном стенде СИ-СЦБ отсутствует.

К недостаткам технологии измерения электрических параметров реле относятся:

- невысокий класс точности измерительных приборов;

- низкая чувствительность измерительных приборов электромагнитного типа;

- неравномерность шкалы стрелочных измерительных приборов;

- частые отказы измерительных приборов из-за пропадания электрических цепей или увеличения переходного сопротивления в контактах переключателей пределов измерений;

- отсутствие в стенде стабилизированных источников питания, что увеличивает погрешность измерения;

- ручная регулировка выходного напряжения (тока) с помощью ЛАТРа, не обеспечивающая достаточной точности измерения;

- большое количество ручных операций при измерении параметров реле (до 30 коммутаций на одно реле).

Измерение временных параметров реле осуществляется с помощью универсального стенда для проверки приборов СЦБ и электросекундомера типа ПВ-53Щ, встроенного в стенд, или с помощью внешнего цифрового измерителя временных параметров реле Ф291 [12]. Стрелочный электросекундомер ПВ-53Щ имеет шаг измерения временных интервалов 10 мс, а цифровой измеритель временных параметров реле Ф291 - 1 мс.

Недостатками технологии измерения временных параметров реле являются:

- низкая точность измерения времени срабатывания и времени отпадания нормальнодействующих реле, особенно электросекундомером ПВ-53Щ;

- невозможность измерения времени дребезга контактов, так как оно сопоставимо, либо меньше шага измерения электросекундомера ПВ-53Щ и Ф291;

- возможность попадания электромеханика под опасное напряжение (220В) при измерении временных параметров электросекундомером ПВ-53Щ;

- затраты времени на сборку схемы измерения временных параметров реле.

В настоящее время измерение механических параметров реле осуществляется различного рода приспособлениями, шаблонами, граммометрами, щупами и т.п.

Высота антимагнитного наклепа согласно ЭТТ к реле первого класса надежности нормируется, так как она оказывает существенное влияние на коэффициент возврата, электрические и другие параметры реле. Сейчас эта операция проводится вручную, с помощью набора щупов №2 и №3 [10], причем электромеханик-регулировщик визуально определяет момент равенства измеряемой величины и подбираемых щупов. Также измерение высоты антимагнитного наклепа может проводиться при помощи устройства на базе стрелочного индикатора часового типа (люфтомера) [9], позволяющего определять высоту антимагнитного наклепа с точностью до 0,01 мм. Данная технология измерения высоты антимагнитного наклепа отличается субъективностью при оценке измеряемой величины, малой производительностью и требует от электромеханика напряженного и утомительного визуального контроля.

Совместный ход фронтовых (тыловых) контактов определяется ходом якоря от момента прямого касания замыкающихся контактов до момента полного притяжения (отпускания) реле. Измерение этого параметра производится щупами при визуальном контроле нахождения общих контактов в соприкосновении с фронтовыми (тыловыми). Необходимый совместный ход фронтовых и общих контактов обеспечивают следующим образом. Между сердечником и якорем вводят щуп толщиной 0,4 мм и добиваются прямого касания замыкающихся контактов при минимально различимом просвете 0,01-0,03 мм. Для определения совместного хода тыловых контактов между якорем и сердечником вводят щуп толщиной 0,9 мм. При такой регулировке совместный ход контактов будет не менее 0,35 мм согласно ЭТТ к реле первого класса надежности. Данная операция выполняется для каждого контакта отдельно, т.е. для реле НМШ необходимо порядка 16 последовательных измерений. Для снижения зрительного напряжения регулировщика к контактам подключают световую или звуковую индикацию для фиксации моментов замыкания и размыкания контактов [9]. Данный метод измерения совместного хода контактов обладает следующими недостатками:

Страницы: 1, 2