CC BY
120
10. Акт по результатам лабораторных испытаний акселерометра углового АТ2101. АТ2101.00.00.Д1, 2012 г.
S.F. Bilinkin, N.A. Komarov, V. V. Losev
AT-SERIES ACCELEROMETERS, DESIGNED AND PRODUCTED BY OAO ANPP "TEMP-AVIA "
Base development periods of AT-series accelerometers which design at OAO ANPP "TEMP-AVIA" are describe. Questionts of production technology of sensivity elements AT-series accelerometers are discussing. Base specification of this accelerometers is given.
Key words: accelerometer, sensitive element, transducer amplifer, photolithigrafy.
Получено 08.09.2012
УДК 629.4.015:625.1.03
В.Я. Распопов, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, (4872)35-19-59,
tgupu@yandex.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
Ю.В. Иванов, д-р техн. наук, (4872)35-19-59,
tgupu@yandex.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
Р.В. Алалуев, канд. техн. наук, (4872)35-19-59,
tgupu@yandex.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
ОПЫТ РАЗРАБОТКИ И ПРИМЕНЕНИЯ ДАТЧИКОВ УРОВНЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ПУТЕВЫХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ МАШИН
Рассмотрены конструктивные и схемотехнические особенности измерителей поперечного уровня для систем управления путевых железнодорожных машин в течение более чем 15 лет, разрабатываемых на кафедре «Приборы управления» Тульского государственного университета. Приведены технические характеристики, примеры и рекомендации по применению датчиков уровня.
Ключевые слова: линейный акселерометр, инклинометр, выправка железнодорожного пути по уровню.
Введение
Возрастающие объемы железнодорожных перевозок предъявляют повышенные требования к их скорости. Максимальная скорость подвижного состава достигает 300 км/ч, а нагрузка на ось колесной пары 25 т. Это, в свою очередь, выдвигает жесткие требования к состоянию железнодорожного пути. Исправление (выправка) железнодорожного пути осуществляется с помощью специальных железнодорожных машин (путевые машины) в трех плоскостях: в плане (рихтовка), в продольном профиле (нивелировка), в поперечном профиле (выправка по уровню).
В настоящее время на сети железных дорог России эксплуатируется
321
более 4 тысяч путевых машин. Применяется более 10 типов щебнеочисти-тельных машин (ЩОМ), 5 типов выправочно-подбивочно-рихтовочных машин (ВПР), 2 типа динамических стабилизаторов пути (ДСП) и др. Создаются новые типы машин, например, на «Кировском машзаводе им. 1 Мая» - путевая машина ВПРС-05. Сохранив функции выправочно-подбивочно-рихтовочного агрегата, она приобрела новую функцию - динамическую стабилизацию пути, которая до настоящего времени выполняется специальными вибрационными путевыми машинами типа ДСП, выпускаемыми Свердловским путевым ремонтно-механическим заводом.
Идет непрерывное совершенствование путевой техники. Завод «Ка-лугапутьмаш», используя двадцатилетний опыт производства машин типа ВПР-02, освоил выпуск модернизированной машины ВПР-02М, которая способна выправлять неровности длинной более 30 м. Машины типа ВПР, ДСП, ВПО (выправочно-подбивочно-отделочные) снабжаются бортовыми микропроцессорными системами, осуществляющими управление их работой на основании информации о состоянии пути, поступающей от специальных датчиков и информационно-измерительных систем.
Одним из датчиков, вырабатывающих информацию о поперечном уровне пути, является датчик уровня (датчик поперечной негоризонтальности пути). Такие датчики могут быть построены на основе линейного акселерометра или на базе физического маятника [1].
На кафедре «Приборы управления» с 1996 г. ведутся работы по проектированию и внедрению датчиков уровня для путевых железнодорожных машин. Датчики уровня, разработанные в ТулГУ, применяют на своих путевых машинах многие производители, известные в нашей стране и за рубежом, такие, как: ОАО «Тулажелдормаш», ОАО «Калугапутьмаш», ОАО «Свердловский ПРМЗ -Ремпутьмаш"»,ОАО «Кировский машзавод им. 1 Мая» и др. В качестве поставщиков чувствительных элементов датчиков уровня и изготовителей элементов конструкции кафедрой «Приборы управления» привлечены к работе ОАО АНПП
«Темп-Авиа» (г.Арзамас) и ОАО «Ми- Рис. 1. ОАО «.Мичуринский чуринский завод «Прогресс» (рис.1). завод «Прогресс»
Датчики уровня на базе линейного акселерометра
Линейный акселерометр с горизонтально расположенной осью чувствительности преобразует проекцию ускорения свободного падения в электрический сигнал, пропорциональный углу отклонения оси чувствительности датчика от горизонта. Выход акселерометра соединен с фильтром нижних частот, подавляющий вибрационную составляющую сигнала, так как в большинстве случаев работа датчика уровня осуществляется одновременно с вибрационным уплотнением балласта. В связи с этим к акселерометру предъявляются жесткие требования по ударной и вибрационной прочности (ударные ускорения до 100g, трехкомпонентная вибрация с амплитудами ускорения до 15 g в диапазоне частот 30..50 Гц). Анализ конструкций акселерометров показал, что наиболее полно указанным требованиям отвечают акселерометры с кремниевым чувствительным элементом.
Требования к параметрам и структуре фильтров нижних частот, применяемых в разных режимах работы путевой машины, противоречивы. С одной стороны, они должны обеспечивать передачу без амплитудных и фазовых искажений сигнала, пропорционального превышению одного рельса над другим в диапазоне частот, ширина которого зависит от быстродействия системы, выправки и скорости движения машины. С другой стороны - эффективно подавлять вибрационную составляющую сигнала и импульсные всплески, возникающие при прохождении стыков рельсов.
В работах [1, 2] подробно рассмотрены алгоритмы цифровых фильтров, удовлетворяющих сформулированным выше требованиям, и даны расчетные соотношения для выбора их параметров.
Датчики уровня ИИУ-М, ИИУ-М1 ИИУ-М2, ИИУ-М3 предназначены для измерения превышения одного рельса над другим в поперечной плоскости на путевых выправочно-подбивочных машинах, снабженных автоматизированной системой управления.
Основные технические характеристики датчиков уровня серии ИИУ и типы путевых машин, комплемые ими, приведены в табл. 1 и на рис. 2.
Таблица 1
Технические характеристики датчиков уровня серии ИИУ
Параметр ИИУ-М ИИУ-М2 ИИУ-М3
Диапазон измерения (на базе 1520 мм), мм ± 180 ± 180 ± 180
Коэффициент преобразования, мВ/мм 24 11 24
Полоса пропускания, Гц 0,7 0,7 0,7
Потребляемая мощность не более, Вт 5 1 2
Габариты, мм:
Датчик; 90*65*61 90*65*61 120*155*83
электронный блок 130*130*77 - -
Масса не более, кг:
датчик; 0,1 0,15 0,7
электронный блок 1,2 - -
Рис. 2. Датчики уровня для путевых железнодорожных машин
Амплитуды вибрационных возмущений для различных типов путевых машин, которые комплектуются датчиками серии ИИУ, приведены в табл. 2.
Таблица 2
Амплитуды вибрационных возмущений для различных типов путевых машин
Тип измерителя Тип путевой машины Амплитуда Вибрационного ускорения, g
ИИУ-М1 ПРМ-5 1,5
ИИУ-М2 ВПР-02К, 1,5
ЭЛБ-4 12,3
ИИУ-М, ВПО-3-3000, 5,5
ИИУ-М3 МКТ, ЩОМ-6У, 1,5
ДСП 5,3
Основными параметрами, характеризующими качество датчика уровня, являются: время переходного процесса при единичном ступенчатом воздействии, дополнительная температурная погрешность, смещение сигнала при воздействии вибрации. Результаты экспериментов показывают, что датчики ИИУ-М2 и ИИУ-М3 имеют длительность переходного процесса не более 0,65 с, что соответствует требованиям для использования их в замкнутой системе автоматической выправки. Дополнительная температурная погрешность составляет для датчика ИИУ-М3 1,55 мВ/оС, или 0,018 %/оС.
На рис. 3 показаны результаты работы в районе станции Вырица машины ДСП с контрольно-измерительной системой «Микрос-855МД», в состав которой входит датчик уровня ИИУ-М. Максимальная разница в замерах превышения одного рельса над другим системой «Микрос-855МД» и по путевому шаблону не превышает по модулю 2 мм.
3
1 5 9 13 17 21 25 29
Контрольные точки
Рис. 3. Результаты контроля состояния пути при работе
машины ДСП
В настоящее время ряд зарубежных и отечественных производителей выпускают микромеханические акселерометры с кремниевыми чувствительными элементами. Преимущества микромеханических приборов заключаются в их высокой устойчивости к ударным возмущениям, малых массе, габаритах и потребляемой мощности.
На основе микромеханического акселерометра разработан датчик уровня ИИУ-М4 (см. рис. 2). На рис. 4 показана его структурная схема.
Рис. 4. Структурная схема датчика уровня ИИУ-М4
325
Электрический сигнал, поступающий с выхода акселерометра, усиливается предварительным усилителем и фильтруется фильтром нижних частот. На выходе схемы включен масштабирующий операционный усилитель. При Ros «400 кОм он обеспечивает коэффициент передачи 24 мВ/мм. Дополнительный вывод M позволяет пользователю самому выбирать обратную связь и коэффициент передачи. Схема включения датчика оптимизирована по температуре (дополнительная температурная погрешность не превышает 0,035 %/°С).
Более чем десятилетний опыт эксплуатации измерителей уровня серии ИИУ на базе акселерометров с кремниевым чувствительным элементом показал их высокую надежность при работе в жестких условиях механических воздействий.
Датчики уровня на базе физического маятника
Известные конструкции таких датчиков построены по одинаковой схеме [1, 3]. В корпусе размещен массивный маятник, демпфирование колебаний которого осуществляется вязкой жидкостью. Измерение угла отклонения основания от направления местной вертикали осуществляется различными способами. В маятниковом датчике уровня ELT-133.00 Австрийской фирмы «Plasser and Theurer» преобразование «угол - напряжение» осуществляется с помощью кругового высокоточного потенциометра с напылённым резистивным слоем. Передача колебаний маятника на ось вращения потенциометра происходит с помощью шкивов и гибкой передачи (стальной тросик, кордовая нить, зубчатый ремень). Основным недостатком такого способа съема сигнала является наличие статической ошибки датчика, обусловленной моментом трения в механической передаче. Кроме того, имеет место износ потенциометра как при работе, так и при транспортировке датчика. К недостаткам можно также отнести аналоговую форму выходного сигнала. В других конструкциях маятниковых датчиков уровня съем сигнала осуществляется с помощью индуктивных датчиков угла (измеритель наклонов ИН-2 разработки Тульского государственного университета; датчик уровня, разработанный в ВНИИЖТ) [1]. Индуктивные датчики угла не имеют трения, но по сравнению с прецизионными потенциометрами обладают более высокой нелинейностью характеристики и достаточно большой величиной нулевого сигнала.
Указанных выше недостатков лишены оптико-электронные преобразователи «угол-цифровой код». На рис. 2 показан общий вид датчика уровня ИН-3 с оптико-электронным датчиком угла. Для подключения датчика к системам управления выправкой, имеющим аналоговый вход, предусмотрена возможность преобразования цифрового кода в напряжение с помощью ЦАП.
Основные технические характеристики и конструктивные параметры маятниковых датчиков уровня ELT-133.00 и ИН-3 приведены табл. 3.
326
Таблица 3
Параметры маятниковых датчиков уровня
Наименование параметра ЕГГ-133.00 ИН-3
Порог чувствительности, мм 1 0, 5
Крутизна выходной 24 24
характеристики, мВ/мм
Нелинейность выходной 0,3 0,16
характеристики, %
Напряжение питания, В ± 15 24
Габаритные размеры, м 0,35x0,145x0,415 0,34x0,13x0,365
Масса, кг 30 20
Приведенная длина 0,22 0,248
маятника, м
Масса маятника кг 10,216 7,08
Период собственных недемпфированных колебаний, с 0,95 1,0
На рис. 5 показана зависимость изменения выходного сигнала маятникового датчика уровня ИН-3 при изменении температуры окружающей среды.
ы К В
ч
«
^ п
в -О
со В
и О
в
ч о к 2 га
-одз в
-0.15 16
17
18 19
-0. -о,
-0,
-0,2
■
ж _
0
60 4°с 40 30 20 10 о -10 -20 -30
сЗ &
Р
св Он 0)
В
%
1)
н
20
40
60 80 — Время
100
МИН
140
Рис. 5. Зависимость изменения выходного сигнала датчика уровня ИН-3 при изменении температуры окружающей среды: 1 - график изменения выходного напряжения; 2 - график изменения температуры
Из рис. 5 следует, что дополнительная температурная погрешность датчика уровня не превышает 0,019 %/°С.
Выправка пути ведется одновременно с вибрационным уплотнением балласта. В связи с этим для датчика уровня особенно важна устойчивость к воздействию вибрации. На рис. 6 показаны осциллограммы выходного напряжения датчика уровня ИН-3 при воздействии двухкомпонентной («косой») вибрации с разными значениями амплитуды и частоты.
Рис. 6. Осциллограммы выходного сигнала датчика ИН-3 при воздействии вибрации: 1 - частота вибрации 0,10,15, 20, 25 Гц, амплитуды вибрации менее 37м/с2;
2 - частота вибрации 30 Гц,амплитуда вибрации 53 м/с2;
3 - частота вибрации 33 Гц,амплитуда вибрации 97м/с2
Кривые 1 представляют собой процессы, записанные при различных значениях амплитуды и частоты вибрации. Из рис. 6 видно, что изменение частоты и амплитуды вибрации в указанных пределах не приводит к сдвигу нулевого сигнала датчика. При увеличении амплитуды и частоты вибрации (кривые 2 и 3) появляется вибрационный сдвиг нулевого сигнала, характерный для физического маятника, подвергающегося воздействию «косой вибрации» [4]. Учитывая, что амплитуда вибрации рабочих органов путевых машин, на которых могут применяться маятниковые датчики уровня, не превышает 50 м/с , полученные результаты являются удовлетворительными.
Таким образом, приведенные результаты экспериментальных исследований маятникового датчика уровня ИН-3 с оптико-электронным съе-
328
мом сигнала подтверждают возможность его применения в системах управления выправкой путевых машин.
Заключение
На основе проведенного анализа условий эксплуатации датчиков уровня для путевых железнодорожных машин можно сделать вывод о том, что наиболее полно предъявляемым требованиям отвечают акселерометры с кремниевым чувствительным элементом. Перспективными для таких датчиков являются микромеханические акселерометры, имеющие высокую вибрационную и ударную прочность.
Сравнительный анализ конструкций и параметров датчиков уровня, построенных на базе акселерометра и физического маятника, показывает, что первые имеют лучшие массо-габаритные характеристики. Преимуществом датчиков уровня на базе физического маятника является более высокий коэффициент передачи по углу отклонения от горизонта. Это позволяет использовать их при больших горизонтальных ускорениях точки подвеса, что на практике дает возможность размещать датчики на высоте 2-3 м от рельса.
Список литературы
1. Распопов В.Я., Иванов Ю.В. Датчики уровня систем управления железнодорожных машин. Тула: Тул. гос. ун-т, 2000. 176 с.
2. Иванов Ю.В. Датчики уровня путевых машин с цифровыми фильтрами // Датчики и системы 2001. № 5. С.13 - 15.
3. Распопов В.Я., Иванов Ю.В., Зотов С.А. Датчики уровня систем управления выправочных железнодорожных машин // Датчики и системы. 1999. № 4. С.40-43.
4. Капица П.Л. Маятник с вибрирующим подвесом: Успехи физ. наук. Т. 44. Вып. 1, 1951.
V.Ya. Raspopov, Yu.V. Ivanov, R.V. Alaluev
THE EXPERIENCE OF THE DEVELOPMENT AND USAGE OF THE RAIL TRACK MACHINES CONTROL SYSTEM LEVEL SENSORS
The design and circuit features of the transversal level gauges for the rail track machines control systems which have being developed for more than 15 years by the Control Devices Department of the Tula State University are considered. The technical characteristics, examples and level sensors usage recommendations are given.
Key words: linear accelerometer, inclinometer, level tracking bearing.
Получено 10.09.2012
