Новый британский стрелочный электропривод

Стрелочный привод одно из важнейших напольных устройств инфраструктуры железнодорожного транспорта, обеспечивающих безопасность движения,  остается одним из наименее надежных элементов. К недостаткам приводов относятся необходимость их регулярного технического обслуживания, а также высокая интенсивность отказов, особенно узла контроля положения стрелки и запирающего механизма, исключающего возможность перевода стрелки под составом.
Один из известных способов построения отказоустойчивых систем многократное резервирование приводных устройств. В частности, на воздушном транспорте на каждый управляемый объект устанавливаются три привода. При отказе одного и даже двух приводов третий может обеспечить безопасное функционирование устройства. Однако установка на один стрелочный перевод двух или более обычных электроприводов не обеспечит необходимое резервирование, поскольку запирающее устройство находится внутри привода, и при его отказе второй электропривод не сможет преодолеть его действие.

В 2011 г. в Университете Лафборо(Великобритания) началась разработка проекта, получившего название Repoint. Его целью стало создание новой конструкции стрелочного перевода, позволяющей улучшить технические характеристики, упростить процесс обслуживания и ликвидировать узлы, являющиеся источниками отказов. На начальном этапе проекта Repoint была создана межотраслевая фокус группа для проработки различных приемлемых решений реализации стрелочного перевода. Было предложено более 400 идей совершенствования стрелочных переводов, глухих пересечений и рельсовых крестовин, включая механическую конструкцию, средства сигнализации, эксплуатацию и техническое обслуживание. Наиболее обещающая концепция, выбранная для дальнейшего развития, предусматривала создание безострякового стрелочного перевода, в котором вместо длинных остряков используются короткие переводные рамные рельсы (рис. 1).

Университетской группе Control Systems удалось создать инновационную конструкцию стрелочного перевода и новый приводной механизм. Для проверки концепции был построен демонстрационный образец стрелки с переводными рельсами и новыми шпальными электроприводами. Обсуждения с представителями Совета по безопасности и стандартизации на железнодорожном транспорте (RSSB) и операторами инфраструктуры по поводу полномасштабного образца показали, что в заданных временных рамках проекта создание безостряковой стрелки с резервируемыми электроприводами нереально, и безостряковый стрелочный перевод был заменен обычной стрелкой. Система перевода стандартной стрелки с использованием резервируемых
шпальных электроприводов получила название Repoint Light. В результате изучения отказов существующих стрелочных механизмов и приводов исследователи пришли к прорывному техническому решению пассивного за пирания стрелки, позволяющему минимизировать последствия отдельных отказов благодаря использованию нескольких не зависимых приводных механизмов.
При этом любой исправно действующий привод может отпереть запертую стрелку. Для блокировки и разблокировки запирающего механизма используется перемещение привода в вертикальном направлении. При одновременном движении в вертикальном и поперечном направлениях остряки описывают полуокружность, которую разработчики устройства называют траекторией Repoint. Кулачковый механизм с сервоприводом приподнимает так называемый грейфер, на который опираются оба стрелочных остряка, перемещает их из одного крайнего положения в другое и опускает на фиксирующие блоки, препятствующие их поперечному смещению (рис. 2).
Фактически «грейфер» выполняет функцию рабочей тяги обычного стрелочного электропривода. Остряки остаются в нижнем положении под действием силы тяжести. Поскольку подъемный механизм привода не участвует в запирании остряков в нижнем положении, в случае его отказа их может поднять и переместить другой привод. В январе 2019 г. Университет Лафборо на станции Куорн и Вудхаус исторической линии железной дороги Great Central представил результат многолетних исследовательских и опытно конструкторских работ полномасштабный демонстрационный образец стрелочного переводного механизма Repoint Light (рис. 3).
В качестве опытного образца использовали уложенный на новые бетонные шпалы и оснащенный тремя приводами стандартный стрелочный перевод с крестовиной 1/8, рельсами типа CEN56E1 и рельсовыми скреплениями, а также стрелочными подушками с роликовым переводным устройством компании Schwihag. Его ролики служат вертикальной опорой остряков в запертом положении. Демонстрационный стрелочный перевод изготовлен на стрелочном заводе компании Progress Rail в близлежащем г. Сандиакре.
Демонстрационный прототип стрелочного перевода оснащен тремя параллельно работающими приводами, установленными в позициях первой, третьей и пятой шпал от острия остряка и различающимися размерами кулачковых механизмов для обеспечения различной высоты подъема кулачков в каждой позиции. При этом для перевода стрелки достаточно любого одного привода. Наличие трех независимо действующих приводов обеспечивает высокую степень резервирования, благодаря чему стрелочный перевод сохраняет работоспособность до замены неисправного узла. Конструкция электродвигателя и редуктора позволяет выполнять их замену на месте. В зависимости от вертикальной жесткости элементов стрелочного перевода и места расположения приводного механизма вдоль остряков необходимая высота подъема кулачков варьируется в пределах от 65 до 35мм и устанавливается при регулировке кулачкового механизма.
Переводной механизм демонстрационного образца собран в основном из стандартных узлов идеталей, включая два серводвигателя мощностью 1 кВт на каждый привод, редукторы и схему управления. По индивидуальным чертежам были изготовлены только устанавливаемая вместо шпалы стальная опорная балка, рабочий «грейфер» и запирающий механизм. Во избежание необходимости механической обработки остряков или рамных рельсов для ихподгонки к новым приводам основание каждого остряка крепится к приводу «грейферу» подпружиненной скобой с роликами, обеспечивающими необходимую подвижность при температурном расширении рельсов (рис. 4).
 
Опорная балка привода Repoint представляет собой полый кожух, к которому крепится «грейфер» с кулачковым механизмом, содержащим два кулачка, каждый из которых независимо приводится в движение своим электродвигателем. Кулачки снабжены датчиками положения, служащими для обеспечения синхронности перемещения, а также возможности калибровки и самодиагностики после отключения питания. На кронштейнах рамы каждого приводного механизма установлено по четыре датчика Холла, определяющих наличие или отсутствие соседнего остряка в открытом и запертом положениях. При этом проверяется не только состояние остряка по горизонтали, но также вертикальный зазор между остряком и датчиком, который не должен превышать 3 мм, гарантируя правильность посадки «грейфера» на фиксирующий блок. Сигналы всех датчиков трех независимых приводов подаютсяна схему контроля, работающую по логике 2 из 3, для определения правильности положения стрелочных остряков.
Несмотря на то что микропроцессорное устройство управления сервоприводом оснащено высокоточными средствами мониторинга, в соответствии с общепринятыми принципами построения систем железнодорожной сигнализации предусмотрена отдельная система контроля положения стрелки, гарантирующая запирание остряков в соответствующем положении после каждого перевода. Хотя в опытном лабораторном демонстрационном образце было установлено несколько замыкателей, полномасштабные приводы имеют по одному фиксатору с каждой стороны, благодаря чему запирается только остряк, прижатый к рамному рельсу, в то время как второй остряк за счет стального упора остается в открытом положении. Однако независимая система контроля положения стрелки проверяет состояние обоих остряков. Время перевода демонстрационной стрелки из одного крайнего положения в другое составляет 3 5 с, однако, как сообщаютразработчики, это произвольно выбранное значение, определенное исходными установками сервопривода. В ходе испытаний будет уточнена целесообразность ускорения или замедления перевода стрелки с учетом компромисса между необходимой скоростью установки маршрута, долговременным износом механизма и частотой технического обслуживания.
Демонстрационный стрелочный перевод установлен на боковом пути с невысокой допустимой скоростью движения. Тем неменее его действие проверялось с различным подвижным составом, включая тепловоз и моторвагонный электропоезд. В дальнейшем будут проведены испытания на долговечность с увеличенным числом циклов перевода для получения данных об износе критически важных узлов и работоспособности при попадании посторонних предметов между остряком и рамным рельсом.
 
Материалы Университета Лафборо; Railway Gazette Inter national, 2019.