5.2. Режим перевода стрелки

При переводе стрелки, остряки осуществляют перемещение из одного крайнего положения в другое на величину хода шибе­ра S_ш со скоростью перевода V:

, (5.1)

или переходя от линейной скорости к угловой,

ω = (5.2)

В процессе перевода стрелки [19, 40]энергия электропривода, затрачивается на работу по приведению остряков в движение в начале перево­да и поддержанию движения в процессе перевода с необходимой ско­ростью (преодоление сил сопротивления движению остряков). Затрачиваемая энергия определяется как:

, (5.3.)

где: Т_нач - энергия в начальный момент процесса перевода стрелки;

Т_уст - энергия в установившемся режиме движения остряков с постоянной

скоростью.

- динамическая составляющая кинетической энергии

движущихся частей стрелочного перевода;

m΄ – удельная масса движущихся частей стрелки (остряков).

Соотношение для энергии в установившемся режиме имеет следующий вид:

(5.4)

где: J_пр - приведенный момент инерции остряков;

ω –угловая скорость перемещения остряков;

V – линейная скорость движения остряков.

Соотношение между линейной и угловой скоростью имеет следующий вид:

, (5.5)

тогда выражение для энергии в установившемся режиме можно записать как:

(5.6)

Приведенный момент инерции J_пр является величиной постоянной для конкретной стрелки и не зависит от угла , т.е. переменной является угловая скорость . Зная закон изменения угловой скорости , можно описать энергетический характер движения остряков (рис.5.1.).

Анализ полученных зависимостей позволяет утверждать, что весь процесс перевода остряков стрелки, с точки зрения изменения кинетической энергии, делится на три фазы:

• разгон - приведение остряков из состояния покоя в состояние равномерного движения (фаза а);

• равномерное движение со скоростью  - установившийся режим (фаза б);

• торможение - приведение остряков стрелки из состоя­ния движения со скоростью  в состояние покоя,  = 0 (фаза в).

Разгон и торможение остряков относится к неустановившемуся ре­жиму работы стрелочного электропривода.

Фаза а (рис.5.1.) определяется механической характеристикой силового механизма. Например, электропривод с асинхронным двигателем переменного тока имеет механическую характеристику, показанную на рисунке 4.1а, кр.1, повторяющую механическую характеристику электродвигателя в начальной ее стадии (учас­ток СDN).

Вторая фаза движения остряков (фаза б) - равномерное движение с установившейся скоростью . Равномерным это движение можно назвать с достаточной точностью по условию рабочей характеристики силового механизма.

Частота вращения ротора асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором представляет собой жесткую характеристику (рис.5.1а, кр.1, участок DE), т.е., при достаточно значительном изменении нагрузки, его угловая скорость  изме­няется незначительно и, в пределах номинальных нагрузок, практически остается постоянной.

Третья фаза - торможение (фаза в) представляет в режиме перевода остряка (шибера) в системе электрической централизации (ЭЦ) наибольший интерес, т.к. именно в этом конечном положении шибера (остряка) происходят динамические процессы, влияющие на надежность работы стре­лочного перевода и гарнитуры.

Согласно теореме об изменении кинетической энергии в системе:

, (5.7.)

где: ∑А^e – работа внешних сил системы;

∑Аⁱ – работа внутренних сил системы;

Т_кон - энергия системы в конце процесса перевода.

Учитывая тот факт, что механическая система (остряки, гарнитура) является неизменяемой (Т_нач = 0) соотношение (5.7.) приобретает следующий вид:

, (5.8.)

Суммарная работа внешних сил включает в себя работу по преодолению сил трения и работу по переводу остряков стрелки:

. (5.9.)

Выражение для определения работы по переводу остряков из одного крайнего положения в другое имеет следующий вид:

, (5.10.)

где F_пер – усилие перевода остряков.

Выражение для определения работы, затраченной на преодоление сил трения остряков об стрелочные подкладки, имеет вид:

Рис.5.1. Скорость движения остряков

, (5.11.)

где: М_тр – приведенный момент трения остряков.

Подставив соотношения (5.10.) и (5.11.) в выражение (5.9.), получаем соотношение, описывающее распределение энергии в установившемся режиме (перевод остряков с установившейся скоростью):

. (5.12.)

Выражение (5.12.) показывает, какой кинетической энергией остряки стрелки обладают при подходе к рамному рельсу, т.е.:

. (5.13.)

Считая, что электродвигатель обладает значительным запасом мощности, и разгон происходит за короткий интервал времени, можно утверждать, что энергия движущихся частей стрелки в установившемся режиме затрачивается на перевод остряков стрелки и равна кинетической энергии остряков в конце перевода стрелки, т.е.:

. (5.14.)

Анализ соотношения (5.14.) показывает, что в момент окончания рабочего хода шибера S_ш, его линейная скорость V имеет максимальное значение, процесс торможения инер­ционной системы сопровождается только силовым фактором, которым является приведенный момент М_пр. Иначе говоря, для того чтобы остановить инерционную систему необходимо приложить к ней определенное силовое воздействие, направленное в сторону противоположную движению перемещающихся масс.

Во всех отечественных, кроме электроприводов серии ВСП, и в большинстве зарубежных стрелочных электроприводах (за исключением в электрогидроприводах фирмы "Lorens" L-710) третья фаза движения остряков осуществляется без участия механики электропривода, т. е. скорость движения остряков остается неизменной вплоть до отключения электродвигателя (рис.5.1а, кр.2). Это означает, что работа по гашению кинетической энергии в конце перевода стрелки проводится лишь за счет сил трения в кинематических парах (в основном: остряк — скользуны, и упругих сил рамного рельса и гарнитуры), т. е. без снижения ее самим электроприводом (рис.5.1а, кр. 3), что недостаточно и приводит, практически, к ударам остряков о рамный рельс, его отжиму и отбою остряков. В практике имелись случаи излома остряков. При этом в стрелочных электроприводах серии СП к кинетической энергии остряков добавляется кинетическая энергия вращающихся масс самого электропривода.

Рассмотрим в качестве примера работу механизма запирания шибepa электроприводов серии СП. На рисунке 3.16 показан запирающий механизм, процесс работы его в конце перевода стрелки. Поступательное движение шибера 1 осуществляется путем реечной передачи от шестерни главного вала 4 на рейку, которая выполнена заодно с шибером (рис. 3.16а, 3.16б). Крайние зубья шестерни 2 и 5 и рейки 3 и 6 имеют специальную форму и являются запирающими зубьями в крайних положениях шибера (рис. 3.16в)

Анализируя данную конструкцию, недостатки, описанные выше, объясняются с позиции энергии движущихся масс тем, что в момент выработки шибером электропривода своего рабочего хода S_ш, его линейная скорость V или угловая скорость остряков ω имеет максимальное установившееся значение (рис. 5.1а, кр. 2) Остряк подходит к рамному рельсу именно с такой скоростью, а запасенная кинетическая энергия движущихся масс Т, согласно выражению (5.3), как видно из графика (рис. 5.1а, кр.3), в виде упругого удара переходит в потенциальную энергию рамного рельса, отжимая его рабочую тягу и гарнитуру крепления электропривода на величину Δ. Эти упругие силы ведут к ослаблению креплпния электропривода, рамных рельсов и т.д.

На рисунке 3.17 показан запирающий механизм нового винтового стрелочного электропривода ВСП-150, кинематический процесс работы сводится к следующему. Толкатель 1 (рис.3.17а), движущийся поступательно слева направо упирается в кулачки 2 и 3 в точке "А", пытаясь повернуть их на своей оси. Однако, этому препятствуют упоры 4 и 5, в поверхность "В" и "Г" которых упираются кулачки. Поступательное движении толкателя 1 приводит к поступательному движению кулачков 2 и 3, закрепленных в корпусе 6 и 7 механизма запирания шибера 10. В конце перевода кулачки выходят за пределы поверхности "В" и "Г" упоров 5 и 6, поворачиваются на своей оси под действием толкателя 1 и входят в контакт с упорами 5 и 6 поверхностями "Д" и "Е" (рис.3.17б), а толкатель занимает место, контактируя с поверхностью кулачков "Ж" и "З", и тем самым запирает их. Шибер заперт в крайнем правом положении.

Для того чтобы осуществлялся перевод шибера в другое крайнее положение (рис.3.17в) необходимо толкателю 1 двигаться справа на лево до упора о кулачки 11 и 12, освободив кулачки 2 и 3 для поворота и, тем самым, разомкнув шибер.

Дальнейший процесс перевода и запирания шибера идет аналогично предшествующему.

При дальнейшем движении (рис. 3.17) кулачок начинает проворачиваться на своей оси на угол φ по мере выхода из упора. При этом скорость движения шибера V_ш, и угловая скорость остряков в будут уменьшаться (рис.5.1, кр.4) по мере роста угла φ, что определяется из выражения

V_ш = Vт (1 — соsφ + tgφ — sinφ tgφ). (5.15)

Кинетическая энергия остряков снижается (рис.5.1 б. кр.5).

Из изложенного можно дать определение, вывести форму­лу динамического коэффициента гашения кинетической энергии остряков стрелки в конце перевода:

, (5.16)

где Т_тек - кинетическая энергия остряков в текущий момент времени;

Т - кинетическая энергия остряков в установившемся режи­ме движения.

Подставляя в формулу (5.13) выражение (5.15) и зная, что

w_тек=w*(1-cosj+tgj-sinj*tgj), (5.17)

получим

, (5.18)

после преобразований получим:

, (5.19)

где: w_тек - значение угловой скорости остряков в текущий мо­мент времени,

w - значение угловой скорости остряков в установившемся режиме движения.

Как видно из выражения (5.19), этот коэффициент не зави­сит от типа стрелок (J_пр), а только от закона движения, т.е. конструкции механизма запирания электропривода, и явля­ется безразмерной величиной или может выражаться в процен­тах.

Динамический коэффициент гашения кинетической энергии остряков по своей физической сущности показывает, какую часть кинетической энергии остряков от ее величины в устано­вившемся режиме составляет в данный момент процесса тор­можения остряков.

С математической точки зрения, динамический коэффициент гашения кинетической энергии остряков представляет собой взятое в квадрате отношение скорости движения остряков (шибера) на текущий момент к скорости его равномерного движения (до начала торможения).

Сравнительный анализ характера движения остряков серий­ных электроприводов с реечной передачей на шибере и винтовых показывает значительные преимущества последних по условию их гашения энергии остряков в конце перевода стрелки, т.к. в конце перевода стрелки энергия остряков у винтового стрелочного электропривода ВСП практически равна нулю и z = 0.