- высокое зрительное напряжение электромеханика-регулировщика;
- значительные затраты времени на регулировку, так как каждый контакт регулируется отдельно.
В условиях РТУ нет средств, позволяющих измерять значение неодновременности замыкания фронтовых и тыловых контактов. Сейчас в РТУ производится визуальная оценка параметра с помощью устаревшего приспособления [9], принцип работы которого основан на подключении контрольных лампочек в цепь проверяемых контактов. По неодновременности их загорания делается вывод о неодновременности замыкания контактов. Данный способ визуальной оценки неодновременности замыкания фронтовых и тыловых контактов очень субъективный и не позволяет однозначно определить соответствует параметр требованиям ЭТТ или нет.
Измерение контактного давления производится вручную с помощью граммометра часового типа Г-10-60 [10]. Контактное давление измеряют путем оттягивания фронтового (тылового) контакта от общего и отсчета показаний в момент их размыкания. Для повышения точности отсчета добавляют световой или звуковой контроль размыкания контактов [9]. При этом более точно фиксируется момент размыкания контактов и исключается довольно утомительная для регулировщика операция визуального контроля за положением контактов. Статистические наблюдения показывают, что недостатком данного способа измерения контактного давления является достаточно высокая погрешность. Она обусловлена как субъективностью при определении момента отсчета показаний, так как направление усилия и точка приложения усилия при оттягивании контакта устанавливаются электромехаником вручную, так и погрешностью самого граммометра. Граммометр Г-10-60 необходимо удерживать в руке на уровне продольной оси измеряемого контакта, так как любые относительные отклонения от этой оси приводят к увеличению погрешности измерения. Высокая погрешность измерения контактного давления (до 30%) отражается на качестве регулировки реле в РТУ и в сильной степени влияет на их коммутационный ресурс [13].
Из проведенного анализа технологии проверки реле в РТУ можно сделать следующие выводы:
- для проверки электрических и временных параметров реле в настоящее время применяются морально устаревшие стенды, не обеспечивающие необходимую точность;
- результаты измерений характеризуются высокой субъективностью, которая обусловлена ручным управлением исполнительными устройствами, недостатками стрелочных измерительных приборов непосредственной оценки (инерционностью, нелинейностью шкалы, низкой чувствительностью), а также отсутствием соответствия между допусками по отклонению измеряемой величины и классом точности измерительного прибора;
- процесс измерения параметров реле трудоемок, утомителен и требует от электромеханика высокой квалификации, постоянного зрительного напряжения и значительных затрат времени, так как практически все операции технологического процесса проверки параметров реле выполняются вручную;
- производительность труда является низкой из-за не высокой скорости измерений, а также потерь времени на сборку схем измерений и обработку результатов.
Статистические исследования, проведенные на кафедре АТС ДИИТа, показали, что до 10% реле выпускаются из РТУ с браком, т.е. их параметры лежат вне допустимых пределов, а величина межконтактного зазора при перелете якоря может отклоняться от нормы до 35% [14]. Резервы повышения качества проверки реле и производительности труда при использовании существующей технологии и измерительных приборов практически исчерпаны, поэтому для устранения данных недостатков необходимо оснащение РТУ стендами, позволяющими автоматизировать измерения параметров и характеристик электромагнитных реле железнодорожной автоматики.
4. Автоматизированные стенды для измерения и контроля параметров реле
Разработка методов измерений и автоматизированных измерительных стендов (АИС) для проверки параметров реле железнодорожной автоматики началась еще в 70-е годы [15,16,17]. В Уральском отделении ЦШ МПС в 1976-1979 годах проводились работы по созданию полуавтоматического измерительного стенда по проверке параметров реле [13]. В результате данной работы были предложены методы автоматизации измерения параметров реле, а также разработан и изготовлен макетный образец стенда. Стенд предназначался для автоматизации технологического процесса измерения параметров реле в РТУ и при выходном контроле на заводах-изготовителях. Данный стенд должен был измерять следующие параметры электромагнитных реле: напряжения срабатывания и отпускания реле; переходное сопротивление контактов; время срабатывания и отпускания реле с точностью 1мс; неодновременность замыкания контактов; межконтакный зазор при перелете контактов и в крайних положениях; физический зазор реле; контактное давление для реле типа НР; высоту антимагнитного наклепа (с помощью контрольного щупа при снятом кожухе реле).
Для измерения механических параметров без снятия кожуха в данном стенде предлагалось использовать токовихревой измеритель перемещения якоря [13], который позволял получить на выходе напряжение пропорциональное координате якоря x(t). Промышленный образец стенда не был изготовлен, так как он обладал целым рядом недостатков, основными из которых являются:
- токовихревой датчик для измерения механических параметров реле был ненадежным в работе, требовал тщательной настройки и калибровки для каждого проверяемого реле и не отличался высокой точностью и стабильностью показаний;
- обработка информации проводилась в аналоговой форме, так как в стенде полностью отсутствуют цифровые микросхемы. Например, для хранения аналоговых величин предлагалось использовать интеграторы на базе операционных усилителей (ОУ) и полевых транзисторов, которые имели малое время хранения (30-40 минут), невысокую точность из-за разряда конденсаторов и ошибки вносимой самим ОУ, а также отличались сложностью в изготовлении и настройке. В результате этого стенд обладал невысокой точностью и низким быстродействием;
- в качестве элементной базы стенда использовалась транзисторная техника. Это привело к тому, что стенд получился громоздким, сложным в обслуживании, имел высокое энергопотребление и стоимость, а также отличался невысокой надежностью работы.
В 1983 году на кафедре АТС ДИИТа были начаты работы по созданию полуавтоматического стенда для проверки реле СЦБ на базе комплекса технических средств для локальных информационно-управляющих систем (КТС ЛИУС-2) [14,18,19,20,21]. Элементной базой КТС ЛИУС-2 являются ИМС средней степени интеграции (серия К155) и микропроцессорный комплект К580. В соответствии с техническим заданием на разработку полуавтоматического стенда, он должен был измерять следующие параметры реле: напряжение срабатывания и напряжение отпускания реле; напряжение полного подъема при прямой и обратной полярности; время отпускания реле; сопротивление обмотки реле и переходное сопротивление контактов; совместный ход контактов; межконтактное расстояние; неодновременность замыкания фронтовых контактов; величину хода якоря.
Для измерения механических параметров реле без снятия кожуха предлагалось использовать токовихревой датчик положения якоря, а также дополнительный оптоэлектронный измерительный преобразователь на базе лазерного излучателя (ИЛПН-205) и пироэлектронного приемника излучения (МГ-30).
Разрабатываемый стенд обладал целым рядом недостатков не позволившим довести его до промышленного изготовления:
- низкая надежность работы стенда, обусловленная выбором элементной базы (сам стенд и вычислительный комплекс КТС ЛИУС выполнены на базе микропроцессорного комплекта К580 и цифровые микросхемы средней степени интеграции типа К155);
- применение внешних дополнительных датчиков положения якоря, позволяло создать только полуавтоматический стенд, так как при проверке каждого реле датчики требовали индивидуальной калибровки и настройки;
- невысокая точность измерения временных параметров реле (t=1мс), не позволяла измерять такие временные параметры реле как, время срабатывания реле, время перелета контактов и время дребезга контактов;
- стенд не предусматривал возможность измерения таких важных параметров реле как контактное давление, высота антимагнитного наклепа, неодновременность замыкания тыловых контактов, время срабатывания реле;
- высокая стоимость стенда, обусловленная применением дорогостоящей вычислительной системы на базе СМ 1803 и оптоэлектронного лазерного измерительного преобразователя.
В 1991 -1992 гг. по заданию Управления сигнализации, связи и вычислительной техники МПС институт «Гипротранссигналсвязь» разработал автоматизированный комплекс РТУ для проверки характеристик реле (АРМ-РТУ-Р) и для проверки релейных блоков железнодорожной автоматики (АРМ-РТУ-Б) [22,23,24].
Автоматизированный комплекс АРМ-РТУ-Р выполнен в виде модуля, работающего под управлением компьютера типа IBM, и позволяет измерять характеристики железнодорожных реле типа НМШ и РЭЛ. Модуль АРМ-РТУ-Р измеряет следующие электрические и временные параметры реле: напряжение (ток) срабатывания реле; напряжение (ток) возврата реле; переходное сопротивление контактов и сопротивление обмоток реле постоянному току; напряжение (ток) срабатывания при смене полярности; время замедления реле на отпадание.
Автоматизированный комплекс позволяет вычислять механические параметры реле: совместный ход контактов; неодновременность замыкания и размыкания контактов; межконтактные зазоры в различных положениях якоря. Кроме этого АРМ-РТУ-Р позволяет определять наличие дребезга контактов, а также наличие или отсутствие прямого и полного срабатывания. Вычисление механических параметров происходит по кривой переходного процесса i(t), которая с помощью АЦП заносится в компьютер и подвергается обработке по определенному алгоритму. В базе данных компьютера хранится набор переходных характеристик во всем спектре изменения механических параметров реле. При вычислении механических параметров компьютер выбирает из базы данных ближайшие кривые перемещения якоря и на их базе известными методами аппроксимации определяет необходимые параметры реле [24]. Результаты измерений отображаются на экране монитора, записываются в базу данных на магнитном диске и распечатываются на бумагу в виде протокола испытаний.
К недостаткам стенда АРМ-РТУ-Р можно отнести:
- применяемый метод оценки механических параметров реле по кривой тока i(t) имеет большую погрешность [24];
- отсутствие возможности измерения контактного давления и высоты антимагнитного штифта;
- модуль автоматизированного комплекса АРМ-РТУ-Р выполнен на ИМС средней степени интеграции, в результате чего он обладает большими габаритами и весом, высокой стоимостью и энергопотреблением.
Кроме стендов, решавших комплексную задачу автоматизации измерения параметров реле, разрабатывались и стенды, решавшие задачи частного характера. Например, стенды для автоматизации измерения отдельных параметров реле [25], системы контроля параметров реле на базе стандартных источников питания типа Б5-47(49) и универсальных цифровых измерительных приборов [26,27], стенды для автоматизации проверки монтажа релейных блоков ЭЦ [28,29,30,31] и т.п. Но данные стенды были изготовлены либо в единичных экземплярах на дистанциях в РТУ, либо в виде лабораторных макетов и не получили широкого распространения из-за их специфичности и слишком высокой стоимости.
5. Анализ методов автоматизации измерения механических параметров реле
При автоматизации измерения параметров электромагнитных реле наибольшую трудность вызывает разработка устройств для измерения механических параметров реле. Системы для измерения механических параметров реле электрическими методами строятся по трехзвенной структуре: 1) первичный датчик, который осуществляет преобразование механического параметра в электрический сигнал; 2) блок преобразования, который реализует обработку сигнала (масштабирование, линеаризация, и т.п.); 3) блок регистрации.
Для расчета механических характеристик реле необходимо знать координаты положения якоря при перемещении в любой момент времени t. Все методы контроля положения якоря (t) можно разделить на два вида: контактные и бесконтактные [32].
Контактные методы контроля подразумевают механическое соединение измерительной системы и проверяемого реле [33 - 38]. Общий принцип работы контактных датчиков основан на кинематическом воздействии исследуемого реле на подвижную часть измерительной системы. Перемещение подвижной части приводит к изменению электрических параметров измерительной системы и как следствие к изменению электрического сигнала на выходе датчика. По типу контролируемого электрического параметра измерительного датчика, различают индуктивные, емкостные, резистивные (потенциометрические преобразователи или тензодатчики) и оптоэлектронные контактные системы.
Контактные способы не получили широкого распространения, так как обладали рядом недостатков, не позволяющих создавать на их базе автоматизированных систем измерения механических параметров реле: необходимость снятия кожуха реле; большое количество ручных операций (подключение измерительной системы, калибровка датчика для каждого реле и т.п.); значительное обратное влияние самой измерительной системы на механические параметры реле; сложность конструкции измерительной системы и большое время измерения параметров одного реле.
Более перспективными являются бесконтактные методы измерения механических параметров реле. По сравнению с контактными, бесконтактные методы позволяют измерять механические параметры реле без снятия кожуха реле, не оказывают влияния на параметры самого реле, а также гораздо проще в изготовлении и эксплуатации. Это позволяет строить на базе бесконтактных датчиков перемещения якоря полуавтоматические и автоматические стенды для измерения механических параметров реле. Классификация бесконтактных датчиков приведена на рис. 2.
Рис. 2. Классификация бесконтактных датчиков измерения механических перемещений
Большую группу составляют индукционные датчики перемещения, принцип действия которых основан на явлении электромагнитной индукции [13,39-44]. Датчик представляет собой разомкнутый П - или Ш - образный магнитопровод, полюсные наконечники, которого замыкаются якорем реле. На магнитопровод наматывается измерительная обмотка, которая включается в колебательный контур автогенератора LC-типа. При движении якоря, изменяется индуктивность контура LC-генератора, а также потери в контуре из-за влияния вихревых токов, возникающих в якоре реле. При изготовлении индукционных датчиков используются оба явления. К общим недостаткам индукционных датчиков перемещения можно отнести:
- нелинейная зависимость выходного напряжения датчика от хода якоря;
- контроль перемещения якоря возможен только для реле имеющих корпус из диэлектрика;
- нестабильность работы из-за влияния температуры и напряжения питания на параметры обмоток датчиков, что вызывает изменение сигнала на выходе датчиков при неподвижном якоре.
Основным недостатком рассмотренных датчиков является невозможность создания полностью автоматизированной измерительной системы, так как для каждого реле индукционные датчики требуют индивидуальной настройки и калибровки.
Измерительные системы, использующие магнитный метод, строятся на датчиках положения якоря выполненных на элементах Холла [45 - 48]. Датчик Холла размещается на неподвижном сердечнике и при перемещении якоря с него снимается напряжение, пропорциональное магнитной индукции. Изменение магнитной индукции, пропорционально скорости движения якоря d/dt. Проинтегрировав напряжение, пропорциональное d/dt получим напряжение, пропорциональное координате якоря электромагнитного реле. К недостаткам данного метода можно отнести необходимость снятия кожуха реле для крепления датчика Холла, а также то, что не у всех типов реле есть место на сердечнике для размещения датчика Холла.
Ультразвуковые методы измерения перемещений, основаны на измерении времени прохождения сигнала от излучателя до препятствия и обратно [49]. Метод обладает небольшой погрешностью (0,5-1%), но на погрешность существенное влияние оказывает температура воздуха, от которой зависит скорость распространения ультразвука. К недостаткам также можно отнести сложность аппаратуры и невозможность измерять параметры реле с металлическим корпусом.
Оптоэлектронный преобразователь [20,50] состоит из источника светового потока и блока фотодиодов. Сфокусированный световой поток проходит через зазор между якорем и сердечником реле и попадает на фотодиоды. Сопротивление фотодиодов зависит от величины светового потока, поэтому при движении якоря, напряжение на выходе блока фотодиодов будет изменяться. Для улучшения метрологических характеристик оптоэлектронной измерительной системы в качестве источника светового потока применяют лазерные излучатели [21]. Недостатками таких измерительных систем являются сложность оборудования и высокая стоимость.
Отдельно можно выделить способы оценки качества контактной системы реле, используемые при массовом производстве, по времени дребезга контактов [51,52], а также для определения межконтактного зазора по времени перелета контактов [53 - 55]: Lмкз=Ktперелета , где К - коэффициент для данного типа реле.
Наиболее перспективным методом измерения механических параметров реле является непосредственный метод контроля за изменением индуктивности обмотки реле. Во время движения якоря уменьшается физический зазор между якорем и сердечником, что приводит к изменению параметров магнитной цепи реле и как следствие к изменению индуктивности обмотки реле. Таким образом, изменение индуктивности обмотки несет информацию о координате положения якоря. Используются два способа измерения индуктивности обмотки реле: включение обмотки реле в измерительную систему [56,57] и по форме тока в обмотке реле при включении или выключении реле [58-67].
Для железнодорожных реле первого класса надежности наиболее перспективным является способ вычисления механических параметров по форме тока в обмотке реле [13,24], однако методика вычисления до сих пор не разработана.
Выводы. Постановка цели и задач научно-исследовательской работы
Приведенный выше анализ технологии проверки параметров реле, применяемый в настоящее время в РТУ, а также разрабатываемых методов автоматизации измерения параметров электромагнитных реле железнодорожной автоматики, позволяет сделать следующие выводы.
Существующая технология проверки параметров реле и релейных блоков в РТУ не обеспечивает необходимого качества обслуживания устройств железнодорожной автоматики, морально и технически устарела, а также требует большого количества ручных операций, что приводит к значительным затратам времени на проверку реле и релейных блоков. Помимо этого, используемая технология не позволяет с необходимой точностью измерить такие механические параметры реле как неодновременность замыкания и размыкания контактов, совместный ход контактов, которые влияют на коммутационный ресурс и надежность работы реле.
2. Разработанные устройства и стенды для автоматизации измерения параметров электромагнитных реле железнодорожной автоматики не получили широкого распространения из-за их низкой надежности и сложности в эксплуатации, высокой стоимости и значительных массогабаритных показателей.
3. Существующие методы автоматизации измерения механических параметров электромагнитных реле не позволяют измерять значения механических параметров, а только производить комплексную оценку качества работы реле. Большинство данных методов не учитывают специфику конструкции железнодорожных реле первого класса надежности и поэтому не пригодны для применения в РТУ при измерении параметров реле и релейных блоков. Наиболее перспективным является метод вычисления механических параметров реле по форме тока переходного процесса, для внедрения которого необходимо разработать математическое обеспечение.
Целью диссертационной работы является повышение безопасности релейных систем железнодорожной автоматики, совершенствование технологического процесса их обслуживания и снижение эксплуатационных расходов за счет разработки методов и средств автоматизированного измерения параметров и характеристик нейтральных реле железнодорожной автоматики.
В соответствии с поставленной целью подлежат решению следующие задачи:
- разработка математической модели, описывающей электромеханические процессы, протекающие в электромагнитных реле железнодорожной автоматики с учетом особенностей их конструкции;
- проведение экспериментальных исследований электромеханических процессов в реле первого класса надежности для научного обоснования методов автоматизированного измерения параметров и характеристик нейтральных реле железнодорожной автоматики;
- разработка методов определения положения якоря и вычисления механических параметров нейтральных реле первого класса надежности без снятия кожуха;
- разработка метода автоматизированного определения контактного давления в электромагнитных реле типов НМШ и РЭЛ;
- разработка методов и алгоритмов автоматизированного измерения электрических и временных параметров реле;
- аппаратная и программная реализация методов автоматизированного измерения характеристик и параметров электромагнитных реле железнодорожной автоматики.
Страницы: 1, 2
