Michał Podwysocki, Juliusz Karolak
Politechnika Warszawska, Wydział Transportu, Koło Naukowe „Balisa”
PROPOZYCJA MODERNIZACJI STANOWISKA
LABORATORYJNEGO BADANIA UKŁADÓW
NASTAWCZYCH
Rękopis dostarczono, sierpień 2016Streszczenie: W ramach zajęć dydaktycznych realizowanych w laboratorium Sterowania Ruchem
Ko-lejowym na Wydziale Transportu Politechniki Warszawskiej studenci poznają budowę i działanie elek-trycznych napędów zwrotnicowych i wykolejnicowych oraz układów nastawczych wykorzystywanych do sterowania tych napędów i kontroli położenia nastawianych urządzeń. W styczniu 2016 roku wy-mieniony został wykorzystywany do dydaktyki elektryczny napęd zwrotnicowy typu JEA-29. Napęd połączono z istniejącym układem nastawczym.
W artykule przedstawiono propozycje przebudowy i unowocześnienia stanowiska laboratoryjnego ba-dania elektrycznego napędu zwrotnicowego typu JEA-29 i obwodu nastawczego. Koncepcja obejmuje wykorzystanie zregenerowanego napędu oraz przebudowę obwodu nastawczego, wykonanie konstruk-cji umożliwiającej rozmieszczenie i okablowanie aparatury, opracowanie instrukkonstruk-cji laboratoryjnej i in-nych materiałów dydaktyczin-nych.
Treść artykułu zawiera rozwiązania konstrukcyjne, rysunki i schematy obwodów elektrycznych. Roz-ważono możliwość wykorzystania różnych układów nastawczych.
Słowa kluczowe: elektryczne napędy zwrotnicowe i wykolejnicowe, sterowanie ruchem kolejowym,
dydaktyka szkoły wyższej
1. WPROWADZENIE
W laboratoriach Zakładu Sterowania Ruchem (Zespół Naukowo-Dydaktyczny Sterowania Ruchem Kolejowym) prowadzone są przedmioty laboratoryjne i zajęcia pokazowe dla stu-dentów specjalności SRK i innych (m.in. Logistyki Transportu Kolejowego, Telekomunika-cji w Transporcie) na studiach stacjonarnych i niestacjonarnych I i II stopnia. Studenci po-znają zasady budowy i projektowania prostych elementów, urządzeń a także skomplikowa-nych układów i złożoskomplikowa-nych systemów kierowania i sterowania ruchem kolejowym. Zajęcia laboratoryjne z różnych przedmiotów wykorzystują istniejące w laboratorium stanowiska dydaktyczne [7], [2], wśród których wymienić należy stanowisko napędu typu JEA-29.
W ramach umowy barterowej zawartej pomiędzy Politechniką Warszawską a firmą Kol-ster sp. z o.o. w Laboratorium Sterowania Ruchem Kolejowym zregenerowano część urzą-dzeń sterowania ruchem kolejowym stanowiących elementy stanowisk laboratoryjnych oraz
przekazano nowe stanowiska, co zostało opisane w artykule prasy branżowej [4]. Jednym ze zregenerowanych urządzeń jest napęd typu JEA-29.
W niniejszym artykule przedstawiono propozycje dalszej przebudowy i unowocześnienia stanowiska laboratoryjnego badania elektrycznego napędu zwrotnicowego typu JEA-29 oraz obwodu nastawczego.
2. ISTNIEJĄCE STANOWISKO
2.1. NAPĘD TYPU JEA-29
Napęd typu JEA-29 jest elektrycznym napędem wykorzystywanym do przestawiania iglic rozjazdu kolejowego oraz wykolejnic. Na sieci PKP PLK S.A. eksploatowano w 2013 roku ponad 13,5 tysiąca egzemplarzy napędu tego typu [5].
Napęd jest wyposażony w silnik repulsyjny prądu przemiennego na napięcie 220V. Napęd posiada jeden suwak nastawczy i w zależności od potrzeb może posiadać jeden lub dwa suwaki kontrolne. Napęd nie zawiera wewnętrznych zamknięć nastawczych. Suwak nastawczy jest wyprowadzony na zewnątrz obudowy napędu z obu stron i zakończony otwo-rami na sworznie. Dzięki temu napęd może być usytuowany z dowolnej strony zwrotnicy. Obudowa staliwna jest zamykana pokrywą na zamek. Elementy te zapewniają ochronę sil-nika i mechanizmów napędu przed działaniem czynników atmosferycznych i przed uszko-dzeniami mechanicznymi. Obudowa może być zdejmowana nawet w trakcie pracy napędu. Nieskomplikowana konstrukcja umożliwia łatwą wymianę podzespołów oraz wgląd w ich działanie.
Napęd posiada przekładnię składającą się z trzech par czołowo zazębionych kół zębatych. Dwa stopnie przekładni są umieszczone wewnątrz obudowy zalanej olejem. W napędzie jest zastosowane tarczowe sprzęgło cierne oraz hamulec blokujący. Sprzęgło i hamulec pozwa-lają osiągnąć właściwą wartość siły trzymania iglic. Konstrukcja hamulca uniemożliwia ruch wału silnika podczas prucia rozjazdu. Szczegółowy opis budowy i działania napędu znajduje się w podręcznikach [6] i [1]. Budowę napędu typu JEA-29 przedstawiono na rysunku 1.
Jak opisano w poprzednim podrozdziale napęd typu JEA-29 ma nieskomplikowaną w stosunku do współcześnie produkowanych i instalowanych napędów konstrukcję. Z tego powodu i z powodu dużej liczby eksploatowanych na sieci kolejowej egzemplarzy celowym wydaje się dalsze stosowanie go w ramach zajęć dydaktycznych.
Rys. 1. Budowa napędu typu JEA-29
1 – silnik, 2 – hamulec, 3 – przekładnia dwustopniowa, 4 – sprzęgło, 5 – trzeci stopień przekładni, 6 – suwak nastawczy, 7 – suwaki kontrolne, 8 – przełącznik zestyków, 9 – obudowa.
Źródło: Opracowanie własne na podstawie [1].
2.2. KONSTRUKCJA STANOWISKA
Dotychczas eksploatowane w Laboratorium stanowisko laboratoryjne badania elektrycz-nego napędu zwrotnicowego typu JEA-29 i obwodu nastawczego składało się z opisaelektrycz-nego powyżej napędu typu JEA-29 połączonego z przekaźnikowym układem nastawczym.
Zastosowany na stanowisku układ nastawczy zawiera przekaźniki zaciskowe typu JRG, JRR i JRY. Jest to dość stary układ nastawczy, ale wciąż eksploatowany na sieci kolejowej
w Polsce. Schemat ideowy układu przedstawiono na rysunku 2. Szczegółowy opis działania znajduje się w podręczniku [6].
Rys. 2. Schemat ideowy aktualnie stosowanego na stanowisku układu nastawczego Źródło: Opracowanie własne na podstawie [8].
Zastosowany układ nastawczy spełnia podstawowe funkcje: przekazywanie do napędu poleceń nastawczych,
kontrola skrajnych położeń suwaka nastawczego napędu, zmiana kierunku przestawiania w trakcie przestawiania,
wykrywanie podstawowych usterek w kablu łączącym napęd z układem (zwarcia, przerwy).
W układzie zastosowano autotransformator i woltomierz umożliwiające zaobserwowanie pracy napędu przy zmniejszonym napięciu nastawczym. Zastosowano również amperomierz do pomiaru natężenia prądu nastawczego podczas rozruchu i w trakcie pracy silnika.
2.3. POTENCJAŁ DYDAKTYCZNY STANOWISKA
Stanowisko wykorzystywane jest corocznie podczas zajęć laboratoryjnych z przedmiotu Elementy i Układy Sterowania Ruchem Kolejowym. Dzięki typom zastosowanych napędu i układu nastawczego studenci podczas 3-godzinnego ćwiczenia:
poznają budowę, zasady działania i funkcje realizowane przez układ nastawczy, lokalizują i usuwają zadane przez prowadzącego drobne usterki w układzie,
poznają zasadę działania i budowę napędu elektrycznego oraz badają jego podstawowe parametry (czas przestawiania i jego zależność od napięcia zasilania, prąd nastawczy w wartości rozruchowej i ustalonej).
Część ćwiczenia polega na odszukaniu przez zespół prostych i możliwych do wykonania przez prowadzącego usterek w obwodach. Ma to na celu zweryfikowanie wiedzy zespołu na temat konstrukcji i działania napędu oraz układu nastawczego. Weryfikuje to umiejętność czytania schematów elektrycznych z oznaczeniami stosowanymi w technice sterowania ru-chem kolejowym. Ponadto ćwiczy umiejętności manualne - oswaja z prawdziwymi elemen-tami układów, które później absolwent z pewnością będzie w stanie spotkać w terenie.
Istotnym aspektem realizacji ćwiczenia jest wyciągnięcie wniosków dotyczących bez-piecznej reakcji układu nastawczego na podstawowe usterki obwodu, w tym zwarcia i prze-rwy żył kabla łączącego układ z napędem.
Nowa konstrukcja stanowiska umożliwi realizację dotychczasowych części ćwiczenia i nowych, związanych z dodatkowymi funkcjami i odmienna konstrukcją układu nastaw-czego.
3. KONCEPCJA STANOWISKA LABORATORYJNEGO
3.1. REGENERACJA NAPĘDU
Napęd przed regeneracją wymagał regulacji, smarowania, odnowienia powłok galwanicz-nych i lakierniczych. Pokrywa napędu, wykonana z cienkiej blachy, była wyposażona w okno z poliwęglanu, w którym umieszczono sworznie przepustowe zakończone z wierz-chu zaciskami typu laboratoryjnego umożliwiającymi podłączenie do napędu układu na-stawczego. Okno zmatowiało i popękało, przez co niewidoczne stały się elementy we-wnętrzne napędu. Napęd ustawiony był na kilku połączonych odcinkach drewnianych pod-kładów, które również były zniszczone. Utrudniało to w istotny sposób przeprowadzanie ćwiczenia.
W ramach umowy barterowej zawartej pomiędzy Politechniką Warszawską a firmą Kol-ster sp. z o.o. napęd wchodzący w skład stanowiska badania elektrycznego napędu zwrotni-cowego typu JEA-29 i obwodu nastawczego został zregenerowany.
Regeneracji oraz lakierowaniu zostały poddane wszystkie podzespoły i obudowa. Nowa pokrywa obudowy – podobnie jak dotychczasowa – zawiera okno z poliwęglanu umożliwia-jące obserwację pracy napędu. W pokrywie obudowy umieszczono również oświetlenie za pomocą taśm LED. Do napędu dodano zamiast podkładów postument a obudowę połączono elektrycznie i mechanicznie z typową puszka kablową JVA. Do jej zacisków dołączono z jednej strony okablowanie napędu, a z drugiej kabel zakończony wtyczkami, do połączenia z zaciskami przekaźników układu nastawczego. Suwaki napędu przykryto ocynkowanymi obudowami, co ogranicza dostęp do suwaków podczas pracy napędu.
Rys. 3. Zregenerowany napęd JEA-29 Źródło: Fotografia J. Karolak, opracowanie O. Karolak.
3.2. NOWY UKŁAD NASTAWCZY
Zregenerowany napęd w dalszym ciągu wyposażony jest w silnik repulsyjny, dzięki czemu możliwe jest jego podłączenie do istniejącego na stanowisku układu nastawczego. Układ ten, pozostaje, jak opisano powyżej układem starszego typu. Wykorzystane przekaźniki są przekaźnikami zaciskowymi, których wymiary i masa jest duża, zaś ich produkcja nie jest obecnie kontynuowana. Zaciski są połączone pomiędzy sobą zgodnie ze schematem ideo-wym przy użyciu kabli laboratoryjnych zakończonych wtyczkami. Część przekaźników i aparatury towarzyszącej (transformatory) ma wykonane podstawki z gniazdami banano-wymi. Tak zmontowany układ utrudnia odnalezienie poszczególnych połączeń pomiędzy elementami.
Propozycją dalszej modernizacji stanowiska jest wykorzystanie nowszego typu układu nastawczego. Układ ten został opisany w czasopiśmie [3] a jego schemat ideowy przedsta-wiony jest na rysunku 4.
Rys. 4. Schemat ideowy zmodernizowanego układu nastawczego Źródło: Opracowanie własne na podstawie [3].
Proponowany układ nastawczy posiada zalety w postaci dodatkowych funkcji, moduło-wej budowy oraz zastosowania nowszej aparatury. Modułowa budowa polega na tym, że podzespoły elektroniczne wykorzystane w układzie są zainstalowane w typowej obudowie przekaźnika JRK10 w postaci zestawu ERL11014. Przez nowszą aparaturę należy rozumieć szybko wymienne przekaźniki wtykowe JRK i RK możliwe do montażu na płycie JAZ. Za-stosowano stały prąd kontrolny.
Dodatkowe funkcje proponowanego układu nastawczego względem dotychczas stosowa-nego to:
kontrola rozprucia zwrotnicy,
kontrola zwarcia do ziemi żyły kabla łączącego napęd z układem.
Dodatkowe funkcje będą przedmiotem badań laboratoryjnych przeprowadzanych przez studentów w ramach zajęć. Zastosowanie przekaźników wtykowych umożliwi praktyczne zaprezentowanie studentom zasad ich montażu z wykorzystaniem płytek tożsamości, co przy zastosowaniu dotychczasowych przekaźników zaciskowych nie było możliwe.
Dotychczasowa kontrola pracy napędu i obwodu odbywa się podczas zajęć wzrokowo. Studenci obserwują położenie kotwic przekaźników oraz wskazania amperomierza. Po-mocne jest przy tym zastosowanie w przekaźnikach przeszklonych obudów. W proponowa-nym nowym układzie nastawczym zastosowano przekaźniki JRK i RK, których obudowy są wykonane z przeźroczystego poliwęglanu. Kotwice mają wskaźniki pomalowane czerwoną farbą umożliwiające szybką ocenę tego, czy przekaźniki jest w stanie czynnym czy biernym. W celu szybszej interpretacji stanu układu proponuje się dodanie do stanowiska pulpitu nastawczego zawierającego elementy sterownicze w postaci przycisków i kontrolne w po-staci lampek, stan podświetlenia których będzie zależał od stanu przekaźników tak, jak to
ma miejsce dla rzeczywistych rozwiązań stosowanych na sieci kolejowej. Do układu powi-nien zostać również dodany przekaźnik Jz kontroli niezajętości rozjazdu wyposażonego w napęd. Pracą przekaźnika powinno się sterować poprzez dodatkowy przełącznik umiesz-czony osobno na pulpicie. Dodatkowo rozważane jest również opracowanie aplikacji, która pomogłaby analizować zmiany przepływ prądu podczas poszczególnych stanów pracy na-pędu.
Wszystkie elementy powinny zostać umocowane w konstrukcji umożliwiającej rozmiesz-czenie i okablowanie aparatury, mogącej mieć postać stojaka lub skrzynki. Stojak powinien umożliwiać umieszczenie go na stole laboratoryjnym, czyli posiadać odpowiednie pod-stawki. Dodatkowo tył stojaka po okablowaniu połączeń powinien zostać przykryty prze-źroczystą obudową z poliwęglanu. Skrzynka powinna umożliwiać umocowanie jej na ścia-nie laboratorium. Aparatura powinna zostać umocowana do ramy uchylanej na pionowym zawiasie, co umożliwiłoby dostęp do okablowania, zaś w trakcie normalnej eksploatacji sta-nowiska, okablowanie schowane byłoby wewnątrz skrzynki. Na rysunku 5 przedstawiono wymiary dwóch wariantów konstrukcyjnych i rozmieszczenie aparatury na stojaku lub w ramie.
Rys. 5. Wymiary zmontowanego układu nastawczego i rozmieszczenie elementów Rzuty z przodu i boku. Od lewej: dla postaci stojaka, dla postaci skrzynki
Źródło: Opracowanie własne.
Do skonstruowania opisywanego jednofazowego układu nastawczego potrzebne będą na-stępujące elementy: przekaźniki: przekaźnik RK 12614, przekaźnik RK 12814, przekaźnik JRK 10311, zestaw ERL 11014, bezpieczniki z oprawkami: 2A – 2 szt., diody BYP401/600 – 2 szt. płytki JAZ – 6 szt. przyciski: rozwierny (Kr),
zwierny (Jz), zwierny (+), zwierny (-),
przełączniki 5 szt. (U, Um, Jz, PKn+, PKn-),
mierniki (amperomierz do pomiaru prądu nastawczego, woltomierz do pomiaru napię-cia nastawczego, stoper do pomiaru czasu przestawiania) i sondy,
przewody i wtyczki pod zacisk i bananowe.
Elementy zmontowanego układu powinny zostać opisane etykietami z obu stron Powinny zostać wykonane połączenia wyrównawcze pomiędzy obudowami wykorzystanych elemen-tów a ramą stojaka stanowiska.
Należałoby również zachować wybrane połączenia wykonane na zasadzie zacisków la-boratoryjnych oraz odłączanych łatwo przewodów lub wtyczek i gniazd bananowych. Umożliwiałoby to badanie w trakcie realizacji ćwiczenia wpływu niewłaściwego połączenia elementów na pracę układu. Realizowana byłaby również część ćwiczenia polegająca na lokalizowaniu i usuwaniu usterek. Dodatkowo zastosowany przełącznik pozwalałby na wy-korzystanie jednego napędu w dwóch typach układów nastawczych (nowym i starym).
3.3. OPRACOWANIE MATERIAŁÓW DYDAKTYCZNYCH
W związku z modernizacją stanowiska należy opracować nową instrukcję laboratoryjną uwzględniającą zmiany konstrukcyjne stanowiska oraz nowy typ układu nastawczego. W ramach materiałów dydaktycznych należałoby również wykonać plansze szkoleniowe o du-żym formacie, na których znalazłyby się rysunki przekrojów napędu (np. przedstawiony wcześniej w niniejszym artykule na rysunku 1) oraz schematów ideowych opisywanych układów nastawczych (np. przedstawionych wcześniej w niniejszym artykule na rysunkach 3 i 4).
Opracowane materiały powinny zostać wprowadzone do nowego skryptu obejmującego laboratoria z zakresu kierowania i sterowania ruchem kolejowym realizowane w ramach za-jęć dydaktycznych na Wydziale Transportu Politechniki Warszawskiej.
4. PODSUMOWANIE
Opracowany materiał stanowi podstawę do rozpoczęcia prac konstrukcyjnych i montażo-wych, w efekcie których zostanie przebudowane i unowocześnione stanowisko laborato-ryjne badania elektrycznego napędu zwrotnicowego typu JEA-29 oraz obwodu nastaw-czego.
Prace można prowadzić w ramach działalności Studenckiego Koła Naukowego Nowo-czesnych Technik Sterowania Ruchem Kolejowym „Balisa”, działającego przy Wydziale Transportu Politechniki Warszawskiej oraz w ramach realizacji tematu inżynierskiej pracy dyplomowej.
W ramach laboratoriów istniejących na Wydziale Transportu Politechniki Warszawskiej użytkowane są również inne stanowiska laboratoryjne, opisane m.in. w artykułach [7], [2]. Część z nich wymaga również modernizacji. Wśród nich należy wymienić:
stanowisko blokady Eap, stanowisko blokady Eac, stanowisko blokady SHL,
stanowisko diagnostyki systemu EBILOCK,
stanowisko podsystemu kontroli dyspozytorskiej CD systemu kierowania ruchem ko-lejowym (krk),
stanowisko blokady kodowej COB-58, stanowisko badania systemu SHP,
stanowisko badania przekaźników prądu stałego i specjalnych, stanowisko badania przekaźników prądu przemiennego.
Opracowanie dokładniejszych wytycznych modernizacji wyżej wymienionych stanowisk powinno stanowić pierwszy krok do realizacji prac oraz stanowić element długookresowej strategii rozwoju bazy naukowo-dydaktycznej Zakładu Sterowania Ruchem.
Bibliografia
1. Dąbrowa-Bajon M.: Podstawy sterowania ruchem kolejowym. Funkcje, wymagania, zarys techniki. OWPW, Warszawa 2007, s. 124-139.
2. Karolak J., Kochan A.: Laboratorium kierowania i sterowania ruchem kolejowym. Technika Transportu Szynowego 9/2012, s. 2105–2115.
3. Kempny J., Roszkowski E.: Zmodernizowany jednofazowy układ nastawczy zwrotnic. Automatyka kole-jowa nr 2/1988, s. 29-31.
4. Kolster Olsztyn na Politechnice Warszawskiej. Rynek Kolejowy, 2016, nr 3, s. 4.
5. Kuziemski M.: Ocena eksploatacyjna systemów i urządzeń srk stosowanych na sieci PKP PLK S.A. Pre-zentacja multimedialna. Warszawa 4-6 czerwca 2014r.
6. Mickiewicz T., Mikulski A.: Elektryczne urządzenia zabezpieczenia ruchu kolejowego. Urządzenia sta-cyjne. WKiŁ. Warszawa 1968, s. 114-122.
7. Sitek I., Karolak J.: Nowe stanowiska dydaktyczne w Laboratorium SRK Zakładu Sterowania Ruchem Kolejowym. Technika Transportu Szynowego 10/2013, s. 2813–2821.
8. Sobolewski J., Gogolewski A.: Laboratorium sterowania ruchem pociągów. WPW, Warszawa 1979, s. 137-150.
THE PROPOSAL OF MODERNIZATION OF THE LABORATORY STAND OF POINT OPERATION AND CONTROL CIRCUITS
Summary: As part of the didactic work, implemented in the Laboratory of Railway Traffic Control on the
Faculty of Transport of the Warsaw University of Technology students learn to know about the construction and functioning of the electrical points and derailers machines with their operation and control circuits used to steer and to control positions of the adjustable devices. In January 2016 the point machine type JEA-29 used for didactic work has been exchanged. The point machine has been connected with the existing circuit.
The paper shows the proposal of reconstruction and modernization of the laboratory stand of testing the elec-trical point machine type JEA-29 and the operation and control circuit. The conception includes the use of the regenerated point machine, reconstruction of the operation and control circuit which will allow to arrange and wire the apparatus, elaboration of the laboratory manuals and other didactic materials.
Contents of this paper comprise design, drawings and diagrams of electric circuits. The possibility of using other adjustment operation and control circuits was considered.
