В. В. БУРЧЕНКОВ Автоматизация контроля технического состояния подвижного состава

системы в горизонтальной плоскости 13° и 34° в вертикальной. При выборе углов ориентации оптической системы учитывались требования максимальной защиты оптики от прямого солнечного излучения, исключение попадания в зону обзора нагретых тормозных колодок и ободов колесных пар, соблюдение габарита приближения строений и др.

Рисунок 2.2 – Схема размещения напольного оборудования

С учетом этих требований и конструктивных размеров напольной камеры расстояние от внутренней грани головки рельса до контрольной точки на крышке напольной камеры (проекция центра болометра) составляет 620 мм. Для установки напольных камер по этому размеру концы шпалы, расположенной между ними, обрезаются под углом 13°, в случае участка с железобетонными шпалами шпала, расположенная между напольными камерами, заменяется на деревянную.

Расстояния от напольной камеры до первого по ходу движения поезда датчика и между первым и вторым датчиками выбираются из условия организации требуемой зоны стробирования сигналов от букс с целью исключения из контроля посторонних нагретых частей подвижного состава. Расчетная точка встречи оптической оси с контролируемым участком выбирается на расстоянии 1020 км от контрольной точки напольной камеры и расположена в зоне между первым и вторым датчиками прохода колес. Расстояние между первым и третьим по ходу движения поезда датчиками равно 3600 мм. Это обусловлено необходимостью обеспечения работы схемы рас-

31

познавания физических подвижных единиц при проходе по участку контроля.

Для системы ДИСК-Б применяется четыре напольных камеры. Основные напольные камеры устанавливаются в соответствии с рисунком 2.2, а вспомогательные камеры устанавливаются перпендикулярно оси пути. Ориентация их выполнена таким образом, чтобы контролировать подступичные части колесных пар.

Для защиты напольных камер от повреждений волочащимися деталями подвижного состава перед каждой камерой установлены специальные ограждения, которые крепятся к шпалам 9. На участках с железобетонными шпалами ограждения 12 устанавливаются на двух полушпалах, размещаемых в шпальных колодцах. При размещении аппаратуры на однопутных участках напольные камеры рекомендуется защитить с двух сторон установкой дополнительного ограждения 11.

Устройства рельсовой цепи наложения устанавливаются в путевой коробке 4 и соединяются с рельсами двумя парами перемычек. Прокладываются перемычки в верхней части двух соседних шпал. При монтаже перемычек к дальнему от путевой коробки рельсу необходимо изолировать те их части, которые проходят под подошвой ближнего рельса.

Кабели от датчиков прохода колес заводятся в две соединительные муфты типа УКМ-12, к которым подходят также кабели от путевой коробки. Из путевой коробки сигналы рельсовой цепи и датчиков прохода колес подаются по кабелю к устройствам постового оборудования 8. Прокладывают кабель от напольных камер и путевой коробки на глубине около 1 м в асбестоцементных или металлических трубах диаметром 100 мм.

Датчик прохода колес типа ДМ-95 приведен на рисунке 2.3.

4					40
				43-45

5

6

3

2

1

7

Рисунок 2.3 – Датчик прохода колес ДМ-95

32

Датчик прохода колес типа ДМ-95, используемый в КТСМ и ДИСК-Б, состоит из кронштейна 1, катушки 2, постоянного магнита 3 и скобы 6. С помощью кронштейна, скобы и гайки 7 датчик крепится к подошве рельса 5. Постоянный магнит установлен на кронштейне таким образом, что его поток замкнут через кронштейн, рельс и воздушный зазор между головкой рельса и одним из полюсов магнита.

Принцип действия датчика основан на наведении в катушке ЭДС индукции за счет изменения величины магнитного потока при проходе гребня колеса в воздушном зазоре. В момент приближения гребня колеса к зоне действия датчика магнитный поток в цепи увеличивается и достигает своего максимального значения, когда колесная пара находится над датчиком. При этом в катушке индуктивности наводится колоколообразный импульс напряжения. Когда гребень колеса удаляется из зоны действия датчика, магнитный поток в цепи уменьшается и датчик вырабатывает импульс напряжения обратной полярности. Амплитуда и длительность выходных сигналов датчика определяются скоростью изменения магнитного потока, т. е. скоростью движения поезда. В результате, в обмотке с числом витков ω индуцируется электродвижущая сила

Е =–ωdФ/dt.

Скорость прохождения колеса над педалью определяет скорость изменения магнитного потока dФ/dt и, следовательно, значение выходного сигнала E. Таким образом, амплитуда и длительность выходных сигналов датчика определяется скоростью изменения магнитного потока, т. е. скоростью движения поезда. Нижний предел скорости движения поезда, при котором сигналы с датчика превышают уровень наводок и могут управлять работой устройств ДИСК-Б и КТСМ, составляет 5 км/ч.

Датчик ДМ-95 может устанавливаться на рельсы типов Р50, Р65 и Р75. Расстояние от головки рельса до датчика выбирается из условия, чтобы при проходе колеса воздушный зазор между гребнем и магнитом был минимальным, но достаточным для исключения механического контакта даже при максимально возможном прокате колеса. Для регулировки положения катушки и магнита относительно головки рельса предусмотрена возможность перемещения их относительно кронштейна.

Напольная камера (рисунок 2.4) предназначена для размещения в ней и защиты от механических и климатических воздействий приёмной капсулы, включающей в себя болометр и предварительный электронный усилитель. Корпус напольной камеры имеет в верхней части передней стенки окно для пропускания инфракрасного излучения от букс, перекрываемое заслонкой при отсутствии поезда в зоне контроля. В окне укреплено обрамление из водоотталкивающего материала для предотвращения примерзания заслонки к корпусу камеры. Управление заслонкой осуществляется через тяги от элек-

33

тромагнита 4. Возвращается заслонка в исходное состояние после прохода поезда по участку контроля за счет пружины. На внутренней стороне заслонки установлен специальный отражатель для проектирования светового потока контрольной лампы на линзу болометра. В состав напольной камеры аппаратуры КТСМ и ДИСК-Б входят наружный обогреватель 2, корпус 8, приемная капсула 9, основание 13 и опора 14.

1	2		6	7
	3	4	5
					17
					8
					9
					10
					11
					12
					13
					14
				16	15

Рисунок 2.4 – Напольная камера ДИСК-Б

В передней части боковых стенок корпуса крепятся два электронагревательных элемента 17 мощностью по 140 Вт, входящие в систему термостатирования напольной камеры. С целью уменьшения потерь тепла напольной камеры в зимний период стенки корпуса и верх основания покрыты слоем теплоизоляционного материала.

Для вентиляции внутренней полости корпуса в летний период в верхней части боковых стенок корпуса имеются по четыре аэрационных окна 7 с пылеулавливающими фильтрами. За счет вентиляции полости корпуса удается избежать выпадания влаги на линзу оптической системы и другие узлы напольной камеры, а также снизить температуру внутри камеры при нагреве корпуса за счет солнечной радиации. В зимний период года аэрационные окна корпуса камеры закрываются заглушками.

Корпус напольной камеры крепится к основанию шарнирным соединением 11 и специальным замком, расположенным в передней части корпуса. Шарнирное соединение позволяет открыть напольную камеру без отделения

34

корпуса от основания или полностью отделить корпус от основания, чем обеспечивается доступ к узлам напольной камеры.

Приемная капсула 9 выполнена в виде отдельного съемного узла. Корпус ее состоит из литой рамки с наклонной лицевой панелью и боковых съемных пластинок, которые крепятся к рамке через резиновые уплотнительные прокладки.

Внутри рамки установлена плата предварительного усилителя и источника питания болометра.

На наклонной лицевой панели приемной капсулы установлен узел крепления болометра 6, который допускает установку болометра под углом или 34 или 44 относительно платформы напольной камеры. С помощью двух специальных винтов приемная капсула устанавливается на специальной платформе.

Приемная капсула крепится к платформе, которая установлена на четырех амортизаторах типа АД-7. Регулируется положение приемной капсулы относительно базовой поверхности основания, а следовательно, и относительно входного окна корпуса за счет регулировки амортизаторов платформы.

На корпусе приемной капсулы установлен узел ввода кабеля 15. Конструкция этого узла предусматривает крепление разъема внешних соединений напольной камеры и уплотнение вводимых в камеру кабелей. Узел ввода имеет разъем, к которому от постового оборудования подводится сигнальный кабель 16. Ответная часть разъема соединена с кабелем, идущим от приемной капсулы.

Ко второму узлу ввода кабеля от постового оборудования подходит силовой кабель, по которому подаются питающее напряжение на нагревательные элементы и сигналы управления работой узла заслонки, лампы контроля и др. При необходимости сигнальный и силовой кабели могут быть отделены вместе с разъемами от основания напольной камеры.

Основание напольной камеры 13 устанавливается на четырех специальных винтах 12, которые крепятся к опоре 14. Поворачивается напольная камера в горизонтальной плоскости при ориентации оптики в зону контроля за счет пазов основания, где проходят винты 12. Регулируется положение камеры в вертикальной плоскости смещением основания на винтах 12. Опора при установке напольной камеры скрепляется с металлической установочной рамой. Для перемещения напольной камеры относительно установочной рамы винты могут смещаться вдоль опоры, а в месте крепления опор к раме предусмотрены пазы.

Наружный обогреватель 2 напольной камеры предназначен для защиты входного окна от заносов снегом и покрытия его льдом. Он также предотвращает попадание снега и пыли на приемную оптику капсул при открытой заслонке напольной камеры. Обогреватель выполнен в виде съемной конст-

35

рукции и легко может быть отделен от корпуса напольной камеры. На боковых стенках его установлены два пластинчатых электрических нагревательных элемента 1 мощностью по 50 Вт. Кожух обогревателя имеет в верхней части овальное окно для пропускания инфракрасной энергии от букс на приемную оптику.

В качестве рельсовой цепи наложения в аппаратуре КТСМ и ДИСК-Б используется типовая электронная педаль ЭП-1, разработанная для аппаратуры автоматической переездной сигнализации. Педаль типа ЭП-1 (рисунок 2.5) представляет собой генератор и приемник, которые подключаются к рельсам и образуют короткую бесстыковую рельсовую цепь тональной частоты.

			12B			Вход		Выход РЦ
					T2	РЦ
		VT1
				1
		T1								C3
	1	5				R4
		6	C6	2						ДР2
		7		3
						ДР1
		VT2			5		1			2
C1	2
		8
										T3
	3
				4
					6 C2		3	4	5	6
		9
		VT3				C7
	4	10
			C4	R3						DD1-DD4
						R5	C5
	R1
				R2
							К реле

Рисунок 2.5 – Принципиальная схема электронной педали

Генератор электронной педали состоит из задающего каскада с самовозбуждением, собранного на транзисторе VТЗ, и двухтактного усилителя мощности, выполненного на транзисторах VТ1 и VТ2.

Задающий каскад на транзисторе VТЗ выполнен по схеме с общим эмиттером и положительной обратной связью для создания незатухающих колебаний. В коллекторную цепь транзистора VТЗ включен колебательный контур, состоящий из трансформатора Т1 и конденсатора С1. Контур настроен на частоту 5000 Гц. Напряжение обратной связи подается на базу транзистора VТЗ через вторичную обмотку трансформатора Т1. Делитель напряжения, состоящий из резисторов R1, R2 и терморезистора R5, образует источник смещения базы транзистора VТЗ, чем устанавливается режим работы задающего каскада. Терморезистор R5 выполняет роль компенсирующего элемента и обеспечивает стабилизацию частоты генератора при изме-

36

нениях температуры окружающего воздуха. Резистор RЗ служит для создания напряжения смещения на эмиттере транзистора VТЗ.

Генерируемые электрические колебания с вторичных обмоток 5–6 и 7–8 трансформатора Т1 подаются на вход двухтактного усилителя мощности. Нагрузкой усилителя является выходной трансформатор Т2. Напряжение питания усилителя –12 В подается через среднюю точку первичной обмотки 1–4 трансформатора Т2, подключенной к коллекторам транзисторов VТ1 и VТ2. Первичная обмотка трансформатора зашунтирована конденсатором С6, величина емкости которого выбрана из соображений настройки цепи в резонанс на частоту 5000 Гц.

Усиленные электрические колебания с вторичной обмотки 5–6 трансформатора Т2, являющегося одновременно согласующим с низкоомным сопротивлением рельсовой цепи, через фильтр, состоящий из дросселя Др1 и конденсатора С2, подаются в рельсовую цепь (к первому и второму рельсам). Фильтр Др1-С2 настроен на частоту 5 кГц и служит для защиты трансформатора Т2 от токов электротяги и рельсовых цепей автоблокировки. Резистор R4 величиной 1 Ом предназначен для ограничения тока короткого замыкания при шунтировании рельсовой цепи в момент прохода поезда по участку контроля.

Приемник электронной педали состоит из повышающего трансформатора Т3 и выпрямительного моста, собранного на диодах DD1–DD4. Первичная обмотка 1–2 трансформатора подключается к рельсам через фильтр, состоящий из дросселя Др2 и конденсатора СЗ. Фильтр настроен на частоту генератора и предназначен для защиты приемника от помех со стороны рельсовых цепей автоблокировки. Напряжение 5 кГц с вторичной обмотки трансформатора Т3 поступает на выпрямительный мост и после выпрямления подается к реле. Конденсатор С5 сглаживает пульсации выпрямленного напряжения. Уровень выходного напряжения приемника регулируется подключением моста к различным секциям вторичной обмотки трансформатора Тр3.

Генератор и приемник ЭП-1 подключаются к рельсам на расстоянии 1 м. Зона действия рельсовой цепи около 50 м. Напряжение питания ±12 В. При работе на номинальную нагрузку (последовательно соединенные индуктивность 0,04 мГ и сопротивление 1,5 Ом) педаль ЭП-1 обеспечивает не менее 0,6 В при максимальном потребляемом токе не более 100 мА. Напряжение на выходе приемника педали при нагрузке 3 кОм не менее 10 В.

2.3 Устройства приемоусилительного тракта

Устройства приемоусилительного тракта предназначены для улавливания инфракрасной энергии излучения корпусов, букс, преобразования ее в

37

электрические импульсные сигналы и усиления последних до требуемой величины. В состав КТСМ включены два либо четыре приемоусилительных тракта для правой и левой сторон поезда. Каждый приемоусилительный тракт включает в себя приемник инфракрасного излучения (иммерсионный терморезисторный болометр), предварительный и оконечный усилители и источник питания болометра. Болометр, предварительный усилитель и источник питания болометра размещаются в приемной капсуле напольной камеры, а оконечный усилитель – в блоке усиления стойки аппаратуры.

Болометр совмещает приемник инфракрасного излучения (терморезисторные элементы) и приемную оптику. Принцип действия болометра основан на изменении электрического сопротивления терморезисторного элемента за счет падающего лучистого потока. Конструктивно болометр БП-2 (рисунок 2.6) состоит из корпуса 2, держателя линзы 3, линзы 5, основания 7, изоляторов 8, цоколя 9 и выводов 10. Внутри корпуса болометра размещены основной 4 и компенсационный 6 терморезисторные элементы.

5	6
4	7
3
	8
	9
2	10
1

Рисунок 2.6 – Болометр БП-2

Линза болометра БП-2 выполнена из германия, пропускающего инфракрасное излучение с длиной волны от 1,7 до 15 мкм. Линза впаяна в держатель, который крепится к основанию при помощи тугой посадки. Таким же образом крепится основание в цоколе. Держатель линзы, основание и цоколь установлены в цилиндрическом корпусе из ковара. Наружный диаметр корпуса 17,6 мм, а длина 28 мм. Торцы держателя линзы и цоколя соединяются с корпусом с помощью сварки, чем обеспечивается герметичность внутренней полости болометра.

Активный терморезисторный элемент 4 размещается в фокусе линзы, где концентрируется измеряемое излучение, и находится с ней в оптическом контакте, т. е. осуществлена иммерсия чувствительного материала. Компен-

38

сационный терморезисторный элемент 6 размещается на сапфировой подложке и защищен от инфракрасной радиации алюминиевым экраном. Оба элемента подключены к выводам серебряной проволокой диаметром 0,05 мм. Выводы болометра укреплены в цоколе на изоляторах из специального стекла. Для влагозащиты стеклянных изоляторов цоколь заливается специальным компаундом.

Одним из важных требований к аппаратуре КТСМ и ДИСК является обеспечение небольшого диаметра поля обзора корпуса буксового узла с целью исключения приема энергии излучения от посторонних нагретых предметов во время движения поезда.

В достаточной степени этому требованию удовлетворяют характеристики приемной оптики болометра БП-2. Диаграмма направленности оптики болометра зависит от размеров приемной площади чувствительности элемента, радиуса линзы и коэффициента преломления материала линзы. При выбранных конструктивных параметрах болометра ширина диаграммы на-

правленности оптики на уровне 0,5 выходного сигнала Uс составляет 3° (рисунок 2.7).

При такой ширине диаграммы направленности оптики болометра и выбранных размерах установки напольных камер относительно рельсов диаметр поля обзора корпуса буксового узла в расчетной точке встречи составляет приблизительно 80 мм.

Активный и компенсационный терморезисторные элементы болометра БП-2 имеют сопротивление 2,5 ± 0,5 мОм при температуре окружающего воздуха 25 °С. Температурный коэффициент сопротивления полупроводникового материала равен 4 % / °С, при уменьшении температуры окружающего воздуха сопротивление болометра резко возрастает и при температуре минус 20 °С достигает 50 мОм.

			1
		отн.ед.
			0,8
			0,6
				U c
			0,4	30
			0,2
1,8	1,2	0,6	0	0,6	1,2	град	1,8

Рисунок 2.7 – Диаграмма направленности болометра БП-2

39

Интегральная чувствительность болометра определяется по формуле

S20 WUcF ,

ýô á

где U c – сигнал на выходе болометра, В;

Wýô – полная плотность теплового потока, Вт/см2;

Fá – площадь поверхности чувствительного элемента, см2.

Для болометра БП-2 значение интегральной чувствительности задано на уровне 2,5 ∙ 103 В/Вт при температуре окружающего воздуха 25 °С.

Наличие температурной зависимости сопротивления болометра и его интегральной чувствительности привело к необходимости стабилизации температуры внутри напольных камер. За счет применения системы термостатирования напольных камер удалось в значительной степени уменьшить влияние температуры наружного воздуха на характеристики болометра.

При работе аппаратуры обнаружения перегретых букс в широком диапазоне скоростей движения контролируемых поездов важным параметром приемника инфракрасного излучения является его постоянная времени τ. Постоянная времени болометра БП-2 зависит от теплоемкости и коэффициента теплоотдачи чувствительного слоя, определяется его частотной характеристикой (рисунок 2.8) и рассчитывается по формуле

τ 1 ,

2πf

где f – частота, на которой чувствительность болометра составляет 0,7 его чувствительности на частоте 10 Гц.

Постоянная времени болометра БП-2 находится в пределах 2,3 мс. С целью расширения диапазона скоростей движения контролируемых поездов до 250 км/ч в состав оконечных усилителей включены специальные корректирующие цепи.

отн./ед.

100

80

60

40

Uc 20

10

8

6

4

2	4 6	8 10	20	40 6080100200 400 Гц
				f

Рисунок 2.8 – Частотная характеристика болометра БП-2

40