Контрольная работа по дисциплине «Эксплуатация технических средств обеспечения движения поездов» для СамГУПС

ОГЛАВЛЕНИЕ Введение………………………………………………………………………….……….3 Задача № 1 Нейтральные реле систем железнодорожной автоматики и телемеханики….………………………………………………………………………………..4 Задача № 2. Анализ работы пульс-пары………………………………………………………..8 Задача № 3. Герметизированные магнитоуправляемые контакты и реле на их основе…………………………………………………………………………………..……….10 Библиографический список……………………………………………………..……14 Приложение А……………………………………………………………………..….15   Введение Устройства железнодорожных систем автоматики и телемеханики для обеспечения движения поездов, в основном являются дискретными устройствами, причем значительная их доля выполнена на электромагнитных реле. Анализ работы таких устройств, при их эксплуатации, обслуживании и ремонте требует от специалиста умения «читать» их электрические принципиальные схемы. Во многих релейно-контактных схемах, важное значение для их работы имеет очередность срабатывания тех или иных реле, зависящая от их временных параметров. Наиболее полную и детальную информацию о работе релейно-контактной схемы дает ее временна́я диаграмма. Построению временной диаграммы простой схемы на электромагнитных реле (пульс-пары) посвящена задача № 2 в данных методических указаниях. В зависимости от применяемой элементной базы (контактные или бесконтактные реле, полупроводниковые логические элементы) конструкции данных реле представлены, для электромагнитных реле и магнитоуправляемых контактов, которые представлены в задачах № 1 и № 3 настоящих методических указаний. Целью изучения дисциплины является подготовка студентов к освоению дисциплин специальности СОДП 23.05.05, посвященных изучению устройств и систем автоматики и телемеханики на железнодорожном транспорте. Задачей дисциплины является изучение наиболее важных разделов автоматического управления, включающих в себя теорию проектирования и расчета элементов автоматики, теорию телемеханического управления, элементы автоматического регулирования, вопросы надежности телемеханических систем. Дисциплина «Теоретические основы автоматики и телемеханики» относится к циклу ООП Б1.Б36. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины «ТОАТ»: ОПК-1: способностью применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования; ОПК-12: владением основами расчета и проектирования элементов и устройств различных физических принципов действия; ПК-12:  способностью использовать информационные технологии при разработке новых устройств систем обеспечения движения поездов, ремонтного оборудования, средств механизации и автоматизации производства. В результате освоения дисциплины обучающийся должен: Знать: -теоретические основы систем автоматики, телемеханики и электроснабжения; телемеханические системы контроля и управления; основные характеристики элементов электроснабжения, сигнализации, связи и их узлов. Уметь:

-применять математические методы, физические законы и вычислительную технику для решения практических задач; использовать возможности вычислительной техники и программного обеспечения; определять параметры электрических цепей постоянного и переменного тока; читать электрические схемы систем управления; выполнять некоторые расчёты технических характеристик устройств. Владеть: -методами математического описания физических явлений и процессов, определяющих принцип работы различных технических устройств; основными методами работы на ПЭВМ с прикладными программными средствами; методами выбора электрических элементов и устройств для типовых электрических схем систем управления; методами чтения электрических схем систем управления исполнительными механизмами.

  ЗАДАЧА №1. НЕЙТРАЛЬНЫЕ РЕЛЕ СИСТЕМ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ И ТЕЛЕМЕХАНИКИ Изобразить кинематическую схему реле и колодку с обозначением контактов, представить графическое изображение контактной группы заданного реле и графическое изображение. Варианты заданий для составления кинематической схемы приведены реле в таблице №1. Варианты выбираются по логину. Например,

• логин имеет вид ХХ-ХХ-4, вариант задания 4;
• логин ХХ-ХХ-14, вариант – 14;
• если последняя группа цифр образует число, больше 19, то от числа нужно отнять 19, например, ХХ-ХХ-23, вариант находится следующим образом: 23-19 = 4.

Таблица №1

Последние цифры логина (после второго тире)	Тип реле
1	НМШ1-2000
2	НМШ1-7000
3	НМШ2-900
4	НМШ2-4000
5	НМШ3-460/400
6	НМШ4-530
7	НМШ2-1,5
8	НМШ4-600
9	НМШ4-2400
10	НМШМ2-700
11	НМШМ2-1750
12	НМШМ2-10/1750
13	НМШМ2-3500
14	НМШМ4-280
15	НМШМ4-560
16	НМШМ4-100/1300
17	АНШМ2-380
18	АНШМ2-620
19	НМШ1-500

  Существует много разновидностей нейтральных электромагнитных реле, различающихся конструкциями электромагнитных и контактных систем. Тем не менее, в основе действия всех этих реле лежит общий принцип, который можно рассмотреть на примере реле, конструкция которого показана на рис. 1.     Рис. 1. Основными деталями данного реле являются: электромагнит, состоящий из обмотки 1 и сердечника 2; ярмо 3; подвижная часть (якорь клапанного типа) 4; возвратная пружина (плоская) 5; контактные пружины 6 – 8 (контактная система); контактный поводок 9 и штифт отлипания 10. При отсутствии тока в обмотке якорь удерживается в исходном состоянии (показано на рис. 1) возвратной пружиной 5.  При этом контакты 7 и 8 замкнуты, контакты 6 и 7 разомкнуты. При подключении к обмотке напряжения питания U (ключом S₁)  по ней начинает протекать ток i, который после завершения переходных процессов равен: ,                                                   (1) где R – сопротивление обмотки. Ток i создает магнитный поток F, который замыкается через магнитопровод (образованный сердечником 2, ярмом 3 и якорем 4) и воздушный зазор d между якорем и сердечником. На рис. 1 магнитный поток F условно показан одной линией. Якорь, ярмо и сердечник изготавливают из магнитомягкого материала (электротехнической стали), поэтому под действием магнитного потока F происходит их намагничивание. В результате этого поверхности якоря и сердечника в области воздушного зазора d становятся разноименными полюсами магнита. При принятом на рис. 1  направлении магнитного потока F поверхность якоря является северным полюсом N (из него выходят силовые линии потока), а поверхность сердечника – южным полюсом S (в него силовые линии входят). За счет взаимного притяжения разноименных полюсов магнита создается электромеханическое (тяговое) усилие f_э, стремящееся переместить якорь в направлении сердечника. Сила f_э при малых значениях тока I и магнитного потока F мала, перемещению якоря препятствует механическая сила f_м, создаваемая возвратной и контактными пружинами, силами трения и др. Если ток I увеличить до значения, при котором тяговое усилие якоря f_э становится больше силы противодействия f_м (при всех значениях зазора d), то якорь будет перемещаться в направлении сердечника. Движение якоря через контактный поводок 9 передается подвижному контакту 7, который размыкается с контактом 8 и замыкается с контактом 6. Этот процесс называют срабатыванием реле. Если ток i уменьшать, то при некотором его значении усилие возвратной пружины и контактных пластин превысит тяговое усилие якоря, реле вернется в исходное состояние. Этот процесс называют отпусканием реле. При подключении к обмотке реле напряжения питания U в другой полярности ток I и магнитный поток F будут иметь другое направление. При этом поверхность якоря станет южным полюсом магнита, а поверхность сердечника – северным. Поскольку эти полюса остаются разноименными, то якорь и в этом случае притягивается к сердечнику, т. е. направление тягового усилия f_э не зависит от направления магнитного потока F. Этим и объясняется тот факт, что работа нейтрального электромагнитного реле не зависит от полярности напряжения на обмотке и направления тока в ней. Если на обмотке реле резко изменить полярность напряжения питания U, то якорь не останется в притянутом состоянии. Это обусловлено тем, что тяговое усилие f_э зависит не от напряжения U, а от магнитного потока F, создаваемого током в обмотке. При изменении полярности напряжения U ток быстро изменить свое направление не может, поскольку обмотка реле обладает большой индуктивностью. Поэтому имеет место переходный процесс, в течение которого ток в обмотке постепенно изменяется от исходного установившегося значения I = U/R до нового установившегося значения I = —U/R. Поскольку вначале ток i и магнитный поток F уменьшаются до нулевого значения, то уменьшается и сила притяжения f_э, что приводит к отпусканию якоря. Затем, по мере того, как ток i стремится к значению —U/R, магнитный поток вновь возрастает (в другом направлении), значение силы f_э возрастает, что и обеспечивает повторное срабатывание реле. Изменение тока i в течение переходного процесса имеет сложный характер, обусловленный изменением длины воздушного зазора и индуктивности обмотки при отпускании и срабатывании реле. Переходные процессы в реле подробно изучают при выполнении лабораторной работы № 4. Таким образом, говоря о том, что работа нейтрального электромагнитного реле не зависит от полярности напряжения на обмотке, надо иметь в виду только установившиеся процессы или переходные процессы, обусловленные подключением напряжения к обмотке, но не переходные процессы, обусловленные сменой полярности напряжения на обмотке. Для обеспечения избирательности реле (исключения ошибочной установки реле другого типа вместо требуемого) предусмотрена планка избирательности  с пятью кодовыми отверстиями (рис. 3),  в которые входят соответствующие пять штырей штепсельной розетки.  Для этих отверстий предусмотрено десять позиций, обозначаемых русскими буквами А, Б, …, И, К (рис. 3). Число возможных кодовых комбинаций, определяемое числом сочетаний из m элементов по n (m = 5, n = 10), равно: . Каждое реле имеет свой код избирательности. Например, реле РЭЛ1-1600 имеет код АБВИК (рис. 3), реле РЭЛ1М-10 – код АБЖЗИ и т. д. Обмотки реле могут быть включены раздельно, последовательно или параллельно. Обмотки нормальнодействующих реле РЭЛ1 намотаны на пластмассовые шпули, а медленнодействующих РЭЛ1М – на медные. Рис. 3   ЗАДАЧА № 2. АНАЛИЗ РАБОТЫ ПУЛЬС-ПАРЫ Изобразить схему пульс-пары с временнóй диаграммой (с соблюдением масштаба по оси времени). Тип реле А выбирается из таблицы №2 по предпоследней цифре шифра, тип реле В – по последней цифре шифра. Рассчитать и указать на диаграмме длительность импульса и интервала, мигания лампы EL. Считать, что t_{пер пр} = 0,2·t_пр, t_{пер отп} = 0,2·t_отп, t_пр = 0,4·t_отп. Время замедления на отпускание t_отп определять по справочным данным реле заданного типа при номинальном напряжении (токе). Таблица №2 Таблица типов реле пульс-пары

Последняя цифра логина	Тип реле А	Тип реле В
0	НМШМ1-10	НМШМ2-700
1	НМШМ1-20	НМШМ2-1750
2	НМШМ1-180	НМШМ2-10/1750
3	НМШМ1-360	НМШМ2-3500
4	НМШМ1-750	НМШМ4-280
5	НМШМ1-1000/560	НМШМ4-560
6	НМШМ1-1120	НМШМ4-100/1300
7	НМШ2-1,5	АНШМ2-380
8	НМШМ2-1,7	АНШМ2-620
9	НМШМ2-350	АОШ2-1

  Процессы, которые происходят при притяжении и отпускании якоря реле, удобно отображать на специальных временны́х диаграммах [1]. При срабатывании реле происходят три события, которым соответствуют точки на временнóй диаграмме (рис. 4): точка 1 – момент подачи напряжения на обмотку реле; точка 2 – момент размыкания тылового контакта; точка 3 – момент замыкания фронтового контакта. Отрезок 1—2 соответствует времени трогания якоря реле на притяжение t_{тр пр}, отрезок 2—3 – времени перелета якоря реле при притяжении t_{пер пр}, отрезок 1—3 – времени притяжения якоря реле t_пр. При обесточивании реле также происходят три события: точка 4 – снятия напряжения с обмотки реле, точка 5 – момент размыкания фронтового контакта, точка 6 – момент замыкания тылового контакта. Отрезок 4—5 соответствует времени трогания якоря реле на отпускание t_{тр отп}, отрезок 5—6 – времени перелета якоря реле при отпускании t_{пер отп}, отрезок 4—6 – времени отпускания якоря реле t_отп. Заштрихованная площадь на диаграмме представляет собой время (отрезок 1—4), в течение которого по обмотке реле протекает ток. Рис. 4 Временны́е диаграммы используют для записи работы релейно-контактных схем. Работа пульс-пары (рис. 5, а) генератора импульсов на двух реле А и В отображена на временнóй диаграмме (рис. 5, б). Рис. 5 В момент нажатия кнопки S срабатывает реле А (точка 1). При замыкании фронтового контакта 11—12 А (точка 3) срабатывает реле В (точка 1‘). Размыкание тылового контакта 11—13 В (точка 2‘) приводит к обесточиванию реле А (точка 4). При размыкании контакта 11—12 А (точка 5) обесточивается реле В (точка 4‘), а при замыкании контакта 11—13 В (точка 6‘) опять срабатывает реле А и работа схемы повторяется до тех пор, пока нажата кнопка S. Лампа EL периодически включается контактом 21—22 А. Временны́е диаграммы являются наиболее детальным способом записи работы релейно-контактных схем, который отражает все события, происходящие в ее работе, и позволяет рассчитывать временны́е характеристики схемы. Например, зная временны́е параметры реле А и В, можно рассчитать время, в течение которого горит (t_имп) и не горит (t_инт) лампа EL:     Составить временную диаграмму для схемы на рис. 5, при условии, что реле А и В имеют замедления, представленные в таблице 1. В графе таблицы «№ п/п» указаны порядковые номера вариантов, в графе «Зам. А» — замедление реле А в секундах, в графе «Зам. В» — замедление реле В в секундах. При составлении временной диаграммы сначала приводится схема включения реле А и В, а также схема включения лампочки, затем сама диаграмма. Горизонтальный масштаб диаграммы – в одном сантиметре 0,1 с, вертикальный масштаб выбирается произвольно.

Последняя группа цифр логина	Зам. А	Зам. В	Последняя группа цифр логина	Зам. А	Зам. В	Последняя группа цифр логина	Зам. А	Зам. В
1	0,1	0,2	11	0,1	0,3	21	0,1	0,4
2	0,2	0,3	12	0,2	0,4	22	0,2	0,5
3	0,3	0,4	13	0,3	0,5	23	0,3	0,1
4	0,4	0,5	14	0,4	0,1	24	0,4	0,2
5	0,5	0,1	15	0,5	0,2	25	0,5	0,3
6	0,1	0,2	16	0,1	0,3	26	0,1	0,4
7	0,2	0,3	17	0,2	0,4	27	0,2	0,5
8	0,3	0,4	18	0,3	0,5	28	0,3	0,1
9	0,4	0,5	19	0,4	0,1	29	0,4	0,2
0	0,5	0,1	20	0,5	0,2	30	0,5	0,3

    ЗАДАЧА №3. ГЕРМЕТИЗИРОВАННЫЕ МАГНИТОУПРАВЛЯЕМЫЕ КОНТАКТЫ И РЕЛЕ НА ИХ ОСНОВЕ Изобразить схему феррида с дифференциальным возбуждением, с указанием направления электромагнитных потоков в каждой обмотке, показать, как обмотка намотана на феррид. Выбор варианта: последняя цифра логина нечетная – контакт замкнут, четная или 0– контакт разомкнут. В устройствах автоматики и связи широкое применение находят герметизированные магнитоуправляемые контакты – герконы (сокращенное от «герметизированные контакты»). Они представляют собой плоские ферромагнитные пружины (пластины), запаянные в стеклянный баллон, который заполнен азотом или инертным газом под давлением. Это предотвращает окисление и загрязнение контактов. Иногда в баллоне создается вакуум. Конструкция простейшего язычкового (т. е. состоящего из консольно закрепленных изгибающихся пластин) замыкающего геркона показана на рис. 6. Пластины 1 и 2 выполняют одновременно роль магнитопровода, контактных и возвратных пружин. Их концы 3 являются контактами. Контактные пластины изготавливают из магнитомягкого материала (обычно пермаллоя), их концы в области контактов покрывают золотом, палладием или родием. К наружным концам 4 пластин припаивают соединительные провода.     Рис. 6 Пластины в баллон замыкающего геркона впаяны так, что в нормальном положении контакты разомкнуты. Если геркон поместить в управляющее магнитное поле, направленное вдоль пластин, то эти пластины намагничиваются (подобно магнитопроводу обычных реле). В области воздушного зазора (контактов) поверхности этих пластин становятся разноименными полюсами магнита, за счет притяжения которых возникает тяговое усилие f_э. Если это усилие больше механических сил упругости пластин, контакты замыкаются. При снятии магнитного поля контакты размыкаются под действием упругих сил пластин. Магнитное поле, управляющее герконом, создается обмоткой с током или постоянным магнитом. На рис. 7, а показан геркон с обмоткой, создающей управляющее магнитное поле, на рис. 7, б упрощенно показан характер магнитных потоков в герконе для этого случая. Рабочий магнитный поток F_d проходит через пластины и рабочий воздушный зазор. Основной поток рассеяния F_s через них не проходит и замыкается вокруг обмотки. Частично поток рассеяния проходит по пластинам (F_s1), но не проходит через рабочий воздушный зазор. Большой поток рассеяния приводит к необходимости в несколько раз увеличивать в герконах МДС по сравнению с обычными электромагнитными реле, где большая часть магнитного потока, создаваемого обмоткой, проходит через магнитопровод и намагничивает якорь и сердечник. Это является одним из недостатков геркона. Другими недостатками герконов являются дребезг при замыкании контактов, малое число контактных групп в одном баллоне и влияние внешних магнитных полей на работу герконов. Тем не менее, герконы находят широкое применение благодаря следующим преимуществам перед обычными реле:

• высокой надежности коммутации в любой среде;
• длительному сроку службы ( до 10 ⁸ – 10 ⁹ срабатываний);
• высокому быстродействию (в герконах нет массивного якоря, поэтому время срабатывания и отпускания у них составляет доли миллисекунды);
• небольшим габаритам (диаметр баллона от 2,0 до 5,5 мм, длина от 7,5 до 50 мм);
• удовлетворительной виброустойчивости.

а) б) Рис. 7 На основе герконов можно создать не только одноконтактные, но и многоконтактные реле, расположив, например, в обмотке несколько коммутационных элементов (рис. 8). Однако в многоконтактных герконовых реле срабатывание и отпускание отдельных герконов в общем случае происходит при различных значениях МДС обмотки. Это обусловлено разбросом параметров самих герконов и различием напряженности магнитного поля в местах расположения различных герконов. Кроме того, замыкание одного геркона приводит к магнитному шунтированию других, и поэтому требует дополнительного увеличения МДС обмотки для замыкания всех герконов в реле. Рис. 8   В системах железнодорожной автоматики и связи применяются ферриды с дифференциальным возбуждением. Устройство такого феррида, используемого в устройствах связи, показано на рис. 9.  

		Рис. 9

  Он содержит геркон, размещённый в катушке с четырьмя обмотками. Обмотки Х_l и У₁ имеют число витков в два раза большее, чем обмотки Х₂ и У₂, причём направление тока в обмотках Х_l и У_l противоположно току в обмотках Х₂ и У₂. Для срабатывания феррида необходимо пропустить ток одновременно через обмотки Х_l+Х₂ и У_l+У₂; благодаря этому создаются разностные магнитные потоки, которые вызовут притяжение пружин 1. С помощью постоянного магнита 2, наконечников из магнитной пластмассы 3 и рамендюровых пластин 4 создаётся магнитный поток удержания контактных пружин в притянутом состоянии. Для выключения феррида достаточно пропустить импульс тока через обмотки Х_l+Х₂ или У_l+У₂. Применение дифференциальных ферридов не требует для выключения контакта подачи специального импульса в обмотки, а делается это попутно в процессе установления соединений, что упрощает процесс управления МСФ и коммутационной станцией в целом.