Преобразователь

В заявке описан преобразователь для использования в системе мониторинга состояния продолговатых конструктивных элементов, а более конкретно, но не исключительно, преобразователь для использования в системе мониторинга железнодорожных рельсов и обнаружения в последних трещин и изломов. Преобразователь содержит цилиндрический металлический корпус и пьезоэлектрический актюатор, расположенный внутри этого корпуса. Пьезоэлектрический актюатор включает ряд пьезоэлектрических элементов, уложенных друг на друга в пакет и помещенных между кольцевой прокладкой и передним телом, причем пьезоэлектрические элементы и кольцевая прокладка расположены на установочном штифте, простирающемся от переднего тела. Преобразователь отличается тем, что переднее тело содержит функционально наружную поверхность, расположенную под углом к радиальной плоскости цилиндрического корпуса.

Область техники, к которой относится полезная модель

Настоящая полезная модель относится к преобразователю для использования в системе мониторинга состояния продолговатых конструктивных элементов, а более конкретно, но не исключительно, к преобразователю для использования в системе мониторинга железнодорожных рельсов и обнаружения в последних трещин и изломов.

Уровень техники

Существуют различные способы и системы, предлагаемые для использования с целью мониторинга целостности продолговатых конструктивных элементов, в частности железнодорожных рельсов. Эти способы и системы нацелены на обнаружение трещин в рельсах до их развития вплоть до полного излома, а также на обнаружение уже возникших трещин в рельсовых сетях. Трещины или изломы в рельсах, не обнаруженные заблаговременно, могут привести к сходу с рельсов железнодорожного транспортного средства, движущегося по данному пути. Ясно, что такой сход с рельсов будет иметь следствием финансовый ущерб и может также привести к травмам и гибели людей.

Следует отметить, что хотя речь идет о железнодорожных путях, упомянутые системы могут также потенциально применяться или применяются в других областях, где используются длинные элементы из конструкционной стали, например элементы армировки шахтных стволов и мосты.

Один из способов обнаружения трещин и изломов в рельсах железнодорожных путей предложен в южноафриканском патенте 99/6936, включенном в настоящее описание в качестве ссылки. Данный способ включает использование нескольких автономных акустических генераторов и размещенных между ними нескольких акустических приемников. Эти устройства расположены на заданных расстояниях друг от друга. Генераторы генерируют ряд акустических импульсов с конкретным составом частот, проходящих через рельсы и обнаруживаемых и анализируемых приемниками для мониторинга каких-либо нежелательных явлений, связанных с рельсами. Мониторинг состояния рельсов в данном способе предусматривает использование генераторов и приемников.

Разработка преобразователей для данного способа обнаружения и мониторинга трещин и изломов обсуждается в публикации Разработка пьезоэлектрических преобразователей для системы мониторинга целостности железнодорожных путей, Филип У. Лавдей (Philip W. Loveday), "Интеллектуальные структуры и материалы - 2000: интеллектуальные системы для мостов, конструкций и автострад, публикации Общества оптики и фотоники (SPIE), том 3988, 2000 г., Ньюпорт-Бич (США), стр. 330-338 (Development of piezoelectric transducers for a railway integrity monitoring system, Philip W. Loveday, Smart Structures and Materials 2000: Smart Systems for Bridges, Structures, and Highways, Proceedings of SPIE Vol. 3988, 2000, Newport Beach, pp. 330-338.). В системе используются пьезоэлектрические преобразователи, монтируемые (посредством зажимов) под головкой рельса на наружной стороне пути. Способ крепления пьезоэлектрических преобразователей посредством зажимов описан в публикации WO 2004/098974, содержание которой включено в настоящее описание в качестве ссылки.

Пьезоэлектрические преобразователи располагаются вдоль длины рельсовой сети и периодически посылают через рельсы ультразвуковые волны. Эти волны распространяются по рельсовому пути от одного преобразователя к следующему преобразователю в направлении распространения, действующему в качестве приемной станции. Расстояние между преобразователями составляет, как правило, около 1 км. Если приемная станция не обнаруживает ультразвуковой сигнал, то она активирует устройство аварийной сигнализации, сигнал которого указывает на наличие трещины или излома в рельсе.

Недостатком описанной выше системы является то, что пьезоэлектрические преобразователи крепятся (зажимаются) под головкой рельса на наружной стороне пути. Пьезоэлектрические преобразователи имеют большие размеры и не могут крепиться под головкой рельса на внутренней стороне пути, поскольку там они мешали бы колесам поезда. Пьезоэлектрические преобразователи необходимо снимать с рельсов во время планового технического обслуживания железнодорожных путей, поскольку шпалоподбивочная машина, используемая для повторного уплотнения балласта под шпалами, снабжена колесами, входящими в контакт с наружной стороной головки. Снятие и повторная установка пьезоэлектрических преобразователей (требующие подтягивания зажимов через две недели после повторной установки) повышают затраты на техническое обслуживание системы и имеют своим следствием периоды простоя последней.

Кроме того, существующая система не подходит для расстояний, превышающих 1 км, из-за недостаточной мощности сигнала, а также вследствие того, что преобразователь не согласован точно с конкретным конструктивным элементом, к которому он будет прикреплен, с точки зрения распространения сигнала и рабочей частоты.

Еще одна проблема, часто встречающаяся и связанная с конструкцией преобразователя, заключается в том, что контактные штырьки преобразователя не изолированы надлежащим образом от рельса, к которому крепится преобразователь, что имеет своим следствием короткие замыкания и ложные сигналы. Кроме того, преобразователи, используемые в упомянутых выше областях, подвергаются вибрации, что может иметь следствием электрические короткие замыкания и/или повреждение проводов и прокладок.

Соответственно, целью настоящей полезной модели является создание пьезоэлектрического преобразователя, в котором были бы устранены описанные выше недостатки.

Кроме того, целью настоящей полезной модели является создание пьезоэлектрического преобразователя, который стал бы полезной альтернативой существующим пьезоэлектрическим преобразователям.

Раскрытие полезной модели

В настоящей полезной модели предлагается преобразователь, пригодный для использования в системе мониторинга состояния продолговатых конструктивных элементов и содержащий цилиндрический металлический корпус и пьезоэлектрический актюатор, расположенный внутри этого корпуса и включающий ряд пьезоэлектрических элементов, уложенных друг на друга в пакет и помещенных между кольцевой прокладкой и передним телом, причем пьезоэлектрические элементы и кольцевая прокладка расположены на установочном штифте, простирающемся от переднего тела, а преобразователь отличается тем, что переднее тело содержит функционально наружную поверхность, расположенную под углом к радиальной плоскости цилиндрического корпуса.

Преобразователь содержит четыре кольцевых пьезоэлектрических элемента, образующих пьезоэлектрический пакет, расположенный на установочном штифте.

Преобразователь содержит первый изолирующий диск, расположенный между пьезоэлектрическим пакетом и кольцевой прокладкой, и второй изолирующий диск, расположенный между пьезоэлектрическим пакетом и передним телом.

Преобразователь содержит изолирующую крышку, заключающую в себе кольцевую прокладку, и изолирующую гильзу, расположенную в кольцевом пространстве, образованном между внутренней поверхностью цилиндрического металлического корпуса и наружной поверхностью пьезоэлектрического пакета.

Кроме того, предусмотрено заполнение цилиндрического металлического корпуса герметизирующим материалом для повышения устойчивости преобразователя к ударам и вибрации.

Краткое описание чертежей

Ниже описан, посредством неограничивающего примера, предпочтительный вариант осуществления настоящей полезной модели со ссылками на приложенные чертежи, на которых показано:

фиг. 1 - перспективное изображение преобразователя согласно одному из вариантов осуществления настоящей полезной модели,

фиг. 2 - вид сбоку преобразователя, показанного на фиг. 1,

фиг. 3 - вид сбоку в разрезе преобразователя, показанного на фиг. 1.

Подробное описание примера осуществления полезной модели

На приложенных чертежах, на которых схожим элементам присвоены схожие численные обозначения, представлен неограничивающий пример преобразователя, соответствующего настоящей полезной модели и обозначенного как целое ссылочным номером 10.

Преобразователь 10 содержит цилиндрический корпус 20, заключающий в себе пьезоэлектрический актюатор 30. Цилиндрический корпус 20 обычно изготавливается из металла, чем обеспечивается жесткая и прочная опорная конструкция. Корпус 20 имеет открытый верхний конец 21 и открытый нижний конец 22. На внутренней поверхности корпуса предусмотрен вырез 23, проходящий от верхнего конца 21 корпуса 20 примерно через две трети длины последнего в направлении нижнего конца 22.

Пьезоэлектрический актюатор 30 расположен внутри корпуса 20. Пьезоэлектрический актюатор 30 включает пьезоэлектрический пакет 30, который, в свою очередь, содержит четыре пьезоэлектрических диска 31. Важный аспект настоящей полезной модели состоит в том, что используются четыре диска толщиной 2 мм, а не, например, два диска толщиной 4 мм. Для активации четырех двухмиллиметровых дисков требуется привод с пиковым напряжением 400 В, тогда как для двухдисковой конструкции это напряжение составляет 800 В.

Пьезоэлектрические диски 31 образуют пьезоэлектрический пакет, на обоих концах которого предусмотрены изолирующие диски 32, обеспечивающие электрическую изоляцию контактных штырьков (соединяющих пьезоэлектрические диски 31 с сигнальным кабелем 70) от рельса (не показан), к которому крепится преобразователь 10. Кольцевая прокладка 33 расположена на стороне пьезоэлектрического пакета, противоположной переднему телу 40 преобразователя 10. Пьезоэлектрические диски 31, изолирующие диски 32 и кольцевая прокладка 33 расположены на несущем их установочном штифте 34, который, в свою очередь, крепится к переднему телу 40. Более конкретно, один конец установочного штифта 34 входит в зацепление, более конкретно - в резьбовое зацепление, с комплементарным отверстием 44, предусмотренным в переднем теле 40.

Переднее тело 40 выполнено в форме по существу цельного металлического цилиндра, входящего в зацепление с верхним концом 21 цилиндрического корпуса 20. Наружная поверхность 41 переднего тела расположена под углом к радиальной плоскости цилиндрического корпуса 20. Другими словами, наружная поверхность 41 не перпендикулярна стенке цилиндрического корпуса 20, а имеет относительно нее угловую ориентацию. Это обстоятельство представляет собой важный аспект полезной модели, поскольку обеспечивает возможность крепления преобразователя 10 к подошве рельса (не показан) на внутренней стороне последнего. Поэтому нижний конец 22 преобразователя 10 несколько отступает от шейки рельса (не показан), что упрощает установку преобразователя, а также создает больше пространства для сигнального кабеля 70, выходящего из преобразователя 10. В процессе работы преобразователя кольцевой выступ 42 на переднем теле 40 располагается на верхнем конце 21 цилиндрического корпуса 20. Кроме того, на боковой поверхности переднего тела 40 предусмотрена кольцевая канавка 43, которая в процессе работы преобразователя обеспечивает более качественное уплотнение, реализуемое при контакте переднего тела 40 с цилиндрическим корпусом 20, а более конкретно - при заполнении этой канавки герметизирующим материалом.

Электроизолирующая крышка 50 охватывает кольцевую прокладку 33, а между пьезоэлектрическим пакетом и корпусом 20 предусмотрена электроизолирующая гильза 60. Крышка 50 и гильза 60 улучшают электрическую изоляцию между пьезоэлектрическим пакетом и рельсом. Гильза 60 размещается в вырезе 23, предусмотренном во внутренней поверхности корпуса 20.

Торцевая крышка 80 входит в контакт с нижним концом 22 корпуса 20, образуя замкнутый объем, заключающий в себе пьезоэлектрический пакет. В торцевой крышке 80 предусмотрено сквозное центральное отверстие для прокладывания внутри него сигнального кабеля 70. Кабель 70 уплотнен относительно торцевой крышки 80 посредством подходящего уплотнительного сальника 81. Проводник 71 кабеля 70 соединяется с пьезоэлектрическим пакетом. Весь внутренний объем преобразователя заполнен герметизирующим материалом, препятствующим вибрации провода и оболочки внутри преобразователя.

В процессе эксплуатации преобразователь 10 может крепиться к рельсу, а более конкретно - к нижней поверхности шейки рельса на внутренней стороне последнего. Благодаря своим малым размерам преобразователь 10 может быть постоянно смонтированным, а его скошенная верхняя часть способствует простой и эргономичной установке. Подбор характеристик и конфигурация пьезоэлектрических дисков позволяют сохранить мощность преобразователя несмотря на его малые размеры. Кроме того, преобразователь хорошо изолирован, а также защищен от вибрации. Переднее тело и торцевая крышка образуют хорошее уплотнение, благодаря чему устройство является герметичным и экологически безопасным. Все вышеупомянутые аспекты предлагаемой конструкции обеспечивают возможность использования данного преобразователя, в частности, в системе мониторинга состояния рельсов, и автор полезной модели полагает, что эта новая и обладающая признаками полезной модели конструкция будет представлять собой значительное усовершенствование по сравнению с существующими преобразователями.

Ясно, что описанный выше пример представляет собой лишь один из вариантов осуществления настоящей полезной модели, и что в пределах сущности и/или объема последнего в этот вариант могут быть внесены многочисленные изменения.

1. Преобразователь, пригодный для использования в системе мониторинга состояния продолговатых конструктивных элементов и содержащий:

цилиндрический металлический корпус;

пьезоэлектрический актюатор, расположенный внутри этого корпуса и включающий ряд пьезоэлектрических элементов, уложенных друг на друга в пакет и помещенных между кольцевой прокладкой и передним телом, причем пьезоэлектрические элементы и кольцевая прокладка размещены на установочном штифте, простирающемся от переднего тела,

отличающийся тем, что переднее тело имеет функционально наружную поверхность, смещенную под углом относительно радиальной плоскости цилиндрического корпуса.

2. Преобразователь по п.1, содержащий четыре кольцевых пьезоэлектрических элемента, образующих пьезоэлектрический пакет, размещенный на установочном штифте.

3. Преобразователь по п.2, содержащий первый изолирующий диск, расположенный между пьезоэлектрическим пакетом и кольцевой прокладкой, и второй изолирующий диск, расположенный между пьезоэлектрическим пакетом и передним телом.

4. Преобразователь по п.1, содержащий изолирующую крышку, заключающую в себе кольцевую прокладку, и изолирующую гильзу, расположенную в кольцевом пространстве, образованном между внутренней поверхностью цилиндрического металлического корпуса и наружной поверхностью пьезоэлектрического пакета.

5. Преобразователь по п.1, в котором цилиндрический металлический корпус заполнен герметизирующим материалом для повышения устойчивости преобразователя к ударам и вибрации.

РИСУНКИ