автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Электромагнитные преобразователи для устройств экспресс-контроля геометрии и взаимного положения рельсов

На правах рукописи

ЛАВРОВ Андрей Юрьевич

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ УСТРОЙСТВ ЭКСПРЕСС-КОНТРОЛЯ ГЕОМЕТРИИ И ВЗАИМНОГО ПОЛОЖЕНИЯ РЕЛЬСОВ

Специальность 05.13.05 — Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Самара 2008

003457297

Работа выполнена на кафедре электротехники Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П.Королева»

Ведущее предприятие: Научно-производственный центр информационных и транспортных систем ИНФОТРАНС, г. Самара.

Защита диссертации состоится 25 декабря 2008 года в Ю00 часов на заседании диссертационного совета Д.212.215.05 при СГАУ по адресу: 443086, Самара, Московское шоссе, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГАУ.

Автореферат разослан 24 ноября 2008 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

(СГАУ)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Меркулов Алексей Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Калакутский Лев Иванович

кандидат технических наук, профессор Гуменников Валерий Борисович

д. т. н., профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Ширина железнодорожной колеи представляет собой один из факторов, определяющих безопасность движения транспорта, и зависит от взаимного положения и геометрии рельсов. Рельсы имеют большую протяжённость. Вопросы, касающиеся надёжности и безопасности движения подвижного состава железнодорожного транспорта, а также применения систем автоматизированного мониторинга пути, подробно освещены в работах Альбрехта В. Г., Архангельского С. В., ВеригоМ. Ф., Когана А. Я., и др. Сбор информации о состоянии рельсовой колеи для систем управления движением поездов осуществляется с помощью мобильных средств измерений, выполняющих комплексную компьютерную диагностику железнодорожного пути. В используемых в настоящее время электромеханических сканирующих системах ширина колеи определяется как отклонение роликов, контактирующих с внутренними кантами рельсов правой и левой нитей колеи от заданного размера — шаблона. При этом невозможно определить, вызвано ли изменение ширины колеи перемещением верха головки рельса или это вызвано износом рельса. Сложность и малая надежность механических сканирующих систем затрудняет их применение при повышенных скоростях движения, что определяет актуальность разработки многоканальной системы автоматического бесконтактного экспресс-контроля геометрии и взаимного положения рельсов железнодорожной колеи. При этом взаимное смещение рельсов в стыках обуславливают необходимость увеличенных зазоров между рельсом и устройством контроля. За рубежом широкое распространение получили оптические системы контроля состояния колеи. Однако экспресс-контроль с использованием оптических методов измерения геометрических параметров рельсовой колеи затруднён в условиях воздействия дождя и снега. Существенным недостатком оптических измерительных систем является их высокая стоимость и большие габариты измерительных модулей.

Электромагнитные методы контроля широко применяются в различных отраслях промышленности для бесконтактного измерения перемещений и геометрических параметров объектов сложной формы. В машиностроении широко используются вихретоковые компланарные накладные преобразователи (ПНк). В работах Герасимова В. Г., Клюева В. В., Стеблева Ю. И., СухоруковаВ. В., ШатерниковаВ. Е. и др. рассмотрены методологические принципы построения электромагнитных ПН. Проектирование многоканальных измерительных устройств и использование информационной избыточности отражено в известных работах Алиева Т. М., Конюхова Н. Е., Осадчего Е. П., Пустынникова В. Г. и др. Работа с повышенными зазорами безопасности требует увеличения диаметра катушек, что исключает возможность компактного размещения большого количества первичных накладных преобразователей (ПН) в зоне контроля.

В работах Меркулова А. И., Нестерова В. Н., Секисова Ю. Н. векторные многокомпонентные физические величины рассматриваются как функции от множества составляющих их информативных факторов, допускающих много-

вариантность их представления в зависимости от особенностей объекта исследования и поставленной задачи. Построение устройств для измерения геометрии и перемещений объектов контроля (ОК) базируется на использовании многоэлементных преобразователей со слабосвязанными однокомпонентными ПНк, размещение которых в зоне контроля оказывается малоэффективным, а в труднодоступных зонах — неосуществимой задачей ввиду значительных размеров автономных корпусов и элементов их крепления.

С учётом вышесказанного, решение задачи экспресс-контроля геометрии и взаимного положения рельсов железнодорожной колеи с помощью бесконтактных вихретоковых методов контроля требует теоретических и экспериментальных исследований, направленных на разработку матричного вихретокового преобразователя (МВП), обеспечивающего определение значений большого количества контролируемых факторов при условии сильной электромагнитной связи чувствительных элементов.

Целью диссертационной работы является разработка матричного вихретокового преобразователя для устройств многофакторного экспресс-контроля геометрии и взаимного положения рельсов при повышенных зазорах безопасности.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- анализ существующих электромагнитных методов контроля пространственного положения и геометрических параметров проводящих объектов сложной формы в загрязнённых средах;

-теоретическое и экспериментальное исследование влияния конструктив ных параметров МВП на чувствительность к контролируемым компонента перемещений и геометрии ОК;

-выбор оптимальных конструктивных и геометрических параметро МВП, обеспечивающего измерение в широком диапазоне изменения контроля руемых факторов при повышенных начальных зазорах безопасности;

- разработка структуры, алгоритма и программного обеспечения многока нальной аппаратуры многофакторного экспресс-контроля положения и геомет рических параметров рельсов при повышенных зазорах безопасности по сигна лам чувствительных элементов МВП.

Методы исследования. В работе использованы: теория эЛектромагнитног поля применительно к задачам контроля перемещений и геометрии электро проводящих объектов, методы аналитической геометрий, векторной алгебры дифференциального исчисления функций многих переменных, теория погреш ностей и инвариантности, теория электрических и магнитных цепей, имитаци онное моделирование с использованием ЭВМ. Достоверность положений рабо ты проверена экспериментально, а также сравнением полученных результатов данными, опубликованными другими авторами.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана математическая модель для численных расчётов индукгив ности МВП, представленного в виде дискретной токовой шины с общим элек тромагнитным полем.

2. Обосновано определение границ конструктивно неограниченных квазистационарных полей синфазных токовых элементов для расчёта индуктивности преобразователей.

3.Даны критерии выбора оптимальных конструктивных размеров МВП для многофакторного экспресс-контроля геометрических параметров ОК сложной формы в широком диапазоне изменения контролируемых факторов.

4. Предложена методика комплексной обработки измерительной информации многоканальной аппаратуры экспресс-контроля с автоматической селекцией контролируемых факторов по сигналам МВП с сильной электромагнитной связью первичных преобразователей.

Практическая значимость работы:

1. Разработана базовая конструкция ортогонального матричного вихрето-кового преобразователя для устройств многофакторного экспресс-контроля рельсов железнодорожной колеи при одностороннем доступе к объекту контроля.

2. Даны практические рекомендации по выбору оптимальных конструктивных размеров МВП и геометрических параметров ПНо на основе анализа эквивалентных параметров.

3. Предложены алгоритмы и программное обеспечение, обеспечивающее расчёт индуктивности ПНо МВП учётом переменных сечений магнитных потоков токовых элементов дискретной токовой шины, а также одновременный достоверный контроль в автоматическом режиме факторов с последующим определением отклонения геометрических параметров рельсовой колеи от нормативных значений.

4. Разработана структура многоканальной аппаратуры и создан компьютеризированный лабораторный стенд многофакторного экспресс-контроля перемещений и геометрических параметров ОК в широком диапазоне изменения контролируемых факторов при повышенных начальных зазорах безопасности.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Принцип построения ортогональных матричных вихретоковых преобразователей с сильной электромагнитной связью для многофакторного экспресс-контроля перемещений и геометрических параметров ОК сложной формы при одностороннем доступе к зонам контроля.

2. Математическая модель для численных расчётов электромагнитных полей ПНо МВП и вихревых токов ОК, учитывающая переменные сечения магнитных потоков ТЭ дискретной токовой шины.

3. Критерии выбора оптимальных конструктивных параметров дискретной токовой шины устройства бесконтактного экспресс-контроля перемещений и геометрических параметров ОК.

4. Методика определения перемещений и геометрических параметров объектов сложной формы и структура многоканальной аппаратуры для систем экспресс-контроля перемещений и геометрии рельсов при повышенных зазорах безопасности.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены на III Всероссийской НПК «Современные проблемы

создания и эксплуатации радиотехнических систем» (Ульяновск, 2001); VI Всероссийской научной конференции «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (Таганрог, 2002); международной НТК «Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении» (Саратов, 2002); всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы радиоэлектроники» (Самара, 2003); международном юбилейном симпозиуме «Актуальные проблемы науки и образования» (Пенза, 2003); XVII Российской НТК «Неразрушающий контроль и диагностика» (Екатеринбург, 2005); всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций» (Самара, 2006); IX Всероссийской НТК «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, 2007); Международной научно-практической конференции аспирантов и научных работников (Астрахань, 2007); 18-й Всероссийской конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика» (Нижний Новгород, 2008).

Реализация результатов работы. С ОАО Российские железные дороги подписан договор о намерении по разработке и внедрении автоматизированной системы экспресс-контроля железнодорожной колеи для использования в составе путеизмерительных вагонов-лабораторий. На предприятии ЗАО «Синко» в технологический процесс изготовления линолеума внедрен комплект приборов КТЛ-12, для контроля разнотолщинности изделий. Метод расчёта параметров МВП и имитационные модели используются в учебном процессе в курсе «Электрические измерения неэлекгрических величин», а также в студенческих научных работах на кафедре электротехники СГАУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 работ в научных сборниках, тезисов докладов, в том числе 2 статьи опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах, определённых Высшей аттестационной комиссией, получено 2 свидетельства об отраслевой регистрации разработки программ для ЭВМ и патент на полезную модель параметрического матричного электромагнитного преобразователя пространственных перемещений.

Структура и краткое содержание диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х разделов, заключения, списка литературы и приложений. Основная часть диссертации изложена на 153 страницах, содержит 55 рисунков и 7 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность проблемы, сформулированы цели и задачи работы, раскрывается научная новизна, основные положения, выносимые на защиту и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе рассмотрены факторы, влияющие на безопасность движения подвижного состава, а также условия экспресс-контроля рельсов железнодорожной колеи при повышенных зазорах безопасности. Показаны преимущества использования в системе управления движением железнодорожного транспорта электромагнитных преобразователей для устройств многофакторного экспресс-контроля геометрических параметров рельсовой колеи в составе

диагностического оборудования мобильных средств измерений с учётом динамических нагрузок от подвижного состава при одностороннем доступе к ОК.

Определение ширины колеи bm в процессе движения подвижного состава требует размещения устройства контроля на тележке вагона. В системе координат XoYoZo, связанной с колёсной парой, фиксируем координаты центров рабочих поверхностей корпусов ПНо левого и правого рельсов колеи, как OK, задающих системы координат ATZ преобразователей (рис. 1, система координат XoYoZo не показана). Ширина Ъш может быть определена как линейные перемещения hy"p), hyp) и ширина Ь(*р), Ъ?р) левого и правого рельсов:

Ьа={Ъкт + 2Ъко)-

где hm, - расстояние между внутренними торцами колёс, Ът - ширина колеса, Ъш - ширина металлического корпуса МВП, рабочая поверхность которого параллельна плоскости XY, представляющие собой конструктивные параметры. Надёжная работа преобразователей требует их установки с максимальным вертикальным зазором безопасности hZK. Измерительная система координат XYZ связана с МВП. Вертикальное hz и горизонтальное hy перемещения поверхности катания каждого рельса относительно преобразователей вычисляются автономно, как отклонения hy"p), hy"p)

систем координат XrYrZn связанных с серединой поверхности катания рельсов.

Ширина Ьш корпуса МВП должна быть больше суммы ширины Ъг рельса и диапазона hymax поперечных перемещений: Ъш > Ъг + Иута, а для безопасности работы, при движении вагона-лаборатории, Ьш меньше ширины Ько колеса вагона. Верх головки рельса образован сопряжением дуг различных радиусов и представляет собой объект контроля сложной формы. Для реализации многоточечного контроля количество преобразователей, размещаемых вдоль оси Y, составляет пу = b,JbM, где Ъм — ширина одиночного ПН.

Линейное размещение ПН матричного преобразователя характеризуется тем, что средние ПНо (5, 6, рис. 1), удалены от краев рельса и имеют домини-

Рис. 1. Взаимное положение рельса и матричного преобразователя

рующую чувствительность к вертикальным перемещениям йг. Крайние ПНо (3, 8), расположенные вблизи краёв рельса, чувствительны к к2 и ку. Установка промежуточных ПН (4, 7) позволяет дополнительно контролировать угловые отклонения поверхностей катания рельса и колеса, влияющих на динамику износа профиля рельса. Угловое положение можно определить по формуле:

. 2П гп

(рх = агсЩ---,

К

где Н™, /г'*' - текущие вертикальные зазоры наружного и внутреннего промежуточных ПН; Ь9- расстояние между их центрами.

Таким образом, задача сводится к определению значений вектора Р = (йг, ку, Ьг, (р^), задающего перемещение и геометрические параметры рельса

в пространстве факторов. Анализ допусков отступлений по ширине колеи, заданных нормативной документацией по содержанию железнодорожного пути, позволил определить необходимый диапазон изменения и допустимые погрешности измерения контролируемых факторов (табл. 1):

Таблица 1

Факторы hz, мм Йу, мм Ъп мм

Диапазон 5.0-15.0 ±25.0 60.0-72.0 ±5.0

Погрешность 0.50 0.70 1.40 0.50

В методе вихревых токов широко используются ПНк, у которых диапазон контролируемых перемещений связан с величиной диаметра эквивалентного контура вихревых токов D3 к DK, где DK — диаметр катушки ПНк, и коэффициентом связи Кт:

где L - максимальная, а Lm - текущая вносимые индуктивности преобразователей. Диаметр D,« Ък характеризует ослабление поля с увеличением hz, а коэффициент связи Кт — величину вносимых параметров преобразователей при начальном зазоре hz„. Диаметр D, ПНк определяется меньшей стороной прямоугольного токового контура, поэтому при больших h2H над поверхностью рельса возможна установка одного преобразователя и выполнение контроля только одного фактора.

Известны экранированные ортогональные накладные преобразователи (ПНо) с магнитопроводом размером /„ > bM» dM. Изменяя соотношение площадей /мх£м, lMxdm buxdM, определяющих электромагнитное поле преобразователя по заданному направлению, можно осуществить многовариантность соотношений чувствительностей к контролируемым факторам. При этом диаметр D, определяется размером /м. Количество пр контролируемых факторов определяет количество п^ пр рабочих ПНо в МВП, расположенных над поверхно-

стью рельса. Для селекции компонентов вектора Р контролируемых факторов требуется увеличение праб = Ьг1Ьм количества ПНо над контролируемой поверхностью рельса. При этом необходимы исследования влияния Ъм 2 Ъ^праб на чувствительность МВП к контролируемым факторам.

На рис. 2 показана схема предложенного устройства экспресс-контроля, вклю-

чающего Пу > Праб ПНо 2, размещаемых в плоскости ХУ над поверхностью рельса 1 и представляющих собой ПНо МВП. Рабочие 2 и компенсационный 3 преобразователи установлены в корпусе из высокопроводя-щего материала, обеспечивающего экранирование ПНо и повышение помехозащищённости устройства. Такое расположение обеспечивает одинаковое изменение параметров ПНо при вариации температуры и улучшает стабильность выходных напряжений дифференциальной схемы измерительных каналов. Для создания общего электромагнитного поля МВП используются синфазные колебательные переходные процессы. Когда ключи 4 замкнуты, катушка индуктивности ¿С-контура накапливают энергию. При размыкании ключей начинается синфазный переходный процесс, энергия, накопленная на Z, переходит на С. Полупериод Т колебаний определяется Ь тл С контуров. Индуктивность Ь зависит от магнитного потока Ф, создаваемого ПНо, и определяется суммарным значением напряжённости Н магнитного поля. Напряжение ПНо определяется разностью полупериодов Тк и Тр колебаний компенсационного и рабочего ПНо: II = 1!пхг {Тк - Тр)/Т!, где [/пит - напряжение питания источника 8;

Т, — период колебаний, задаваемый генератором 5.

Корпус МВП, выполненный из проводящего материала, экранирует электромагнитное поле части витков катушек ПНо, прилегающих к нему, тогда как противоположная часть витков создаёт рабочее поле, локализованное в зазоре между ОК и МВП. Это позволяет предложить указанную новую конструкцию МВП, расчётная схема которого представляет собой дискретную токовую шину, состоящую из ТЭ конечного размера Ьм. Принцип многоканальности позво-

Рис. 2. Структурная схема устройства экспресс-контроля

ляет рассматривать напряжения ПНо как вектор измерительных сигналов U = {м,,и2.....ип), который с электронного устройства 6 формирования выходных напряжений передаётся в ЭВМ 7 для последующей обработки. При этом сильная электромагнитная связь чувствительных элементов, образующих МВП, определяет необходимость алгоритма определения значений контролируемых факторов.

Во второй главе на основе уравнений Максвелла рассмотрены я-критерии подобия. Принято допущение о квазистационарности рассматриваемого электромагнитного поля. Для выбранной частоты / изменения поля эквивалентная глубина проникновения поля в металл 4ш->0. При этом обобщённый параметр

у0 = Дл/^СТ СО.

Определение магнитных потоков ПНо осложняется трёхмерным характером электромагнитного поля и требует определения границ конструктивно неограниченных квазистационарных полей синфазных токовых элементов, что затрудняет использование известных программных продуктов (ANSYS, Elcut и др.) и определяет необходимость разработки новых численных алгоритмов расчёта параметров ПНо МВП. Предложенная математическая модель позволяет определить начальную индуктивность L„ ПНо дискретной токовой шины с учётом взаимного влияния ТЭ. Магнитный поток каждого ПНо в пространстве между МВП и поверхностью ОК представлен в виде совокупности магнитных потоков элементарных трубок. В пределах малого сечения трубки ASM = AbsAhz, где Abs, Дhz — ширина и высота элементарной трубки магнитного потока, изменением напряжённости поля можно пренебречь, поэтому считаем Н = const. При этом L„ определяется суммой магнитных потоков = создавае-

мых z'-м ТЭ, и магнитных потоков Ф1у = juH^ASM, создаваемых j-м ТЭ и охватывающих /-Й ТЭ:

' njny ™i„ mv, 4

4 = Z i

mri "¡Г, '"'(( "'Щ

и.

i i i

Дк> (

//

где пх, пу - количество ТЭ дискретной токовой шины в направлении осей X и У; т2, ту - количество трубок магнитного потока в направлении осей 2 и У. Напряжённость Я,, # магнитного поля трубки в сечении определяется интегрированием уравнения Био-Савара-Лапласа с1Н = 1„<&м х для ТЭ

1кс1Ьм, удалённого на расстояние А от точки определения Я поля. Количество учитываемых вдоль оси 2 трубок магнитного потока, создаваемых 7-м ТЭ, определяется как т21 = (о.5/м - |)/Дх„, где /м - длина магнитопровода; хК/ - координата /-го ТЭ ПНо; Ахк - шаг размещения ТЭ вдоль оси X. Количество трубок, определяющих взаимодействие между ¡-м и у-м ТЭ, равно тг„ ~ \х*,' х*, |/А**. гДе хь ~ координата_/-го ТЭ ПНо.

Для определения количества ту = bJbM трубок, учитываемых вдоль оси Y, рассматриваются границы электромагнитных полей ТЭ дискретной токовой шины, представляющей собой поверхность между крайней левой и крайней правой силовыми линиями магнитных потоков соседних ТЭ. Расчет функций пространственного распределения магнитного поля ТЭ, с использованием принципа суперпозиции полей, показывает, что магнитные трубки с большой плотностью магнитной энергии обладают повышенным давлением р = 0.5¡ЛцН1. Поэтому в плоскости ZY наклон силовых линий трубок срм увеличивается с удалением Y зоны контроля поля, следовательно, необходимо учитывать увеличение ширины bs сечения магнитного потока при удалении по Z и У (рис. 3). Для определения положения границы используется условие:

2Х=2Х> (2)

1 t+1

где 2Х , HXi - суммы напряжённостей полей ПНо, расположенных соответственно слева и справа от границы между к-м и (Л+1)-м ПНо; к - порядковый номер ПНО в МВП. Проекция силовых линий магнитной индукции, определяемая по условию (2), между сечениями магнитных потоков соседних ПНо в плоскости YZ имеет нелинейный характер, но на рабочем участке может быть аппроксимирована прямыми линиями, расчётное положение которых показано на рис. 3. Для уменьшения погрешности определения SM следует увеличить количество ту трубок, учитываемых вдоль оси Y и уменьшить Abs. Однако, при этом объём вычислений

возрастает пропорционально количеству трубок магнитного потока вдоль оси Y. Рассмотренный подход к определению SM реализован в алгоритме расчёта начальных параметров катушек индуктивности ПНо МВП. Выполненные расчёты показывают, что наименьшее значение SM имеют средние и наибольшее 5„ — внешние ПНо.

В третьей главе выполнены расчёты вносимых параметров катушек индуктивности МВП от поля вихревых токов ОК. Русло вихревых токов на поверхности OK рассматриваем в виде совокупности ТЭ, токи которых определяется как /В[ = (22]"'"' Нх)А1п, где Д/„ - шаг разбиения русла вихревых токов вдоль оси X. В принятой расчётной схеме русло вихревых токов, определяющее индуктивность Ьв от вихревых токов по каждому ПНо, рассматривается в виде дискрет-

ПНо дискретной токовой шины

í

Рис. 4 Совокупность расчётных характеристик ПНо МВП, имеющих различное положение относительно имитационной модели ОК

ной токовой шины шириной br, расположенной со смещением hz, hy относительно ПНо МВП. По аналогии с (1) Lm, определяем суммированием магнитных потоков Ф1к , создаваемых к-м ТЭ русла вихревых токов и охватывающих

i-й ТЭ:

т„ j

Lm=MoMrASMa £ //,, (3

к=\ t=tH /

где пт пву - количество ТЭ русла вихревых токов вдоль осей Хи Y. Величина и,,,, ограничивается шириной Ъг ОК, а ограничивается допустимой погрешностью расчёта.

Над ОК расположено праб < пу рабочих ПНо. При этом часть ПНо МВП расположены вне контролируемой поверхности — свободные ПНо. Для расчёта индуктивности Ls данных ПНо используется алгоритм расчёта L„. При этом для определения границ магнитных потоков применяется условие (2).

На основе выражений (1), (3), с учётом изменения сечений магнитных потоков свободных ПНо, предложен алгоритм расчёта вносимых параметров дискретной токовой шины, реализованный в компьютерной программе, с помощью которой выполнено моделирование изменения параметров ПНо МВП при изменении взаимного положения МВП и ОК. Линейное размещение ПНо в МВП с шагом Ъм позволяет получить существенно отличающиеся друг от друга Lm различных ПНо. На рис. 4 представлена совокупность характеристик ПНо в диапазоне изменения hz. Графики функции £„„/£„ =fQiz) показывают, что наибольшее значение Lem характеризующее доминирующую чувствительность к вертикальным перемещениям hz, имеют средние ПНо. ПНо, расположенные вблизи краёв рельса, имеют наибольшую крутизну характеристик Ьен и чувствительны и к и к hy.

Установка промежуточных ПНо на расстоянии Ьр друг от друга позволяет дополнительно контролировать угловое положение поверхности ОК относительно МВП. Индуктивность Ьв„ дополнительных и внешних ПНо существенно зависит от изменения сечения их магнитных потоков, которое увеличивается при йг->0. При этом ЬМ>Ь„. Данный результат можно объяснить тем, что компенсация собственного поля среднего, промежуточных и крайних ПНо вихревыми токами ОК при йг -» О уменьшает ^ Нх внешних ПНо. Сильное увеличение

У. внешнего ПНо приводит к росту Ьм, что соответствует положению силовых линий магнитной индукции на краю дискретной токовой шины, показанному на рис. 3. Проведённые расчёты показали, что на величину Д, существенное влияние оказывает /к ПНо, а повышенные значения Кт при И. = И2и обеспечиваются увеличением пх ТЭ ПНо.

Для оценки взаимного влияния ТЭ рассмотрена схема наложения полей ПНо, упрощенный вариант которой для промежуточных преобразователей представлен на рис. 5. Из схемы видно изменение длины ДАу

радиус-векторов ТЭ ОК, проведённых к промежуточным

ПНо. В результате изменение Ьен ПНо уменьшает расчётное значение <рх. При этом с увеличением Иг величина Ар увеличивается. Проведённые расчёты показывают, что для контроля угловых перемещений необходимо увеличение Ъ9 и уменьшение Ъм. Однако увеличение Ь9 ограничено шириной Ъг ОК, а уменьшение Ьм — начальным зазором к1И фм и /гг„) безопасности, т. к. при малых Ьм соседние преобразователи будут иметь близкие характеристики. Для получения существенно различающихся характеристик изменения индуктивности преобразователей от влияния контролируемых факторов при ограничении (Ъ9 = ЪМ -нечётная симметрия преобразователей), соотношение ширины Ьм преобразователей и начального зазора Ъг должно быть близким к единице.

В четвертой главе описывается многоканальный компьютеризированный лабораторный стенд вихретокового контроля объектов сложной формы, созданный для проверки достоверности теоретических расчётов. Эталонные многокомпонентные перемещения задавались с помощью инструментального микроскопа ММИ-1, микрометрические винты которого позволяют задавать положение ОК относительно МВП с высокой точностью. С использованием образ-

Рис. 5 Схема наложения полей ТЭ дискретной токовой шины

цов реальных рельсов проведена оценка погрешности измерения, которая определяется как:

где - случайная погрешность, обусловленная различными факторами; 8Г — погрешность гистерезиса; 8НЛ - погрешность нелинейности характеристик функций отклика. Для снижения погрешности влияния случайных факторов выполняется усреднение {У/ вектора сигнальных напряжений 0. Погрешность 5,. не учитывается, т. к. метод измерения основан на полевом взаимодействии МВП и ОК. Доминирующее влияние имеет погрешность нелинейности 8Ш функций отклика ПНо МВП. Шаг дискретизации факторного пространства выбирался по допустимой погрешности 5„л нелинейности характеристик контролируемых факторов.

На начальном этапе создаётся обучающая выборка, представляющая собой массив напряжений МВП при вариации контролируемых факторов: ик = /к{\,Ъу,Ъг,(р^). На рис. 6 показана совокупность характеристик ик = /к(ку)

ПНо МВП для 5.0; 10.0 мм. Симметрия расположения ПНо относительно середины ОК позволяет указать смещение Иу, при котором выполняется равенство и{"] = напряжений ПНо, находящихся над внутренним и наружним

краями ОК. При этом переключение между ПНо МВП осуществляется по условию:

Рк-^р,б-1) -V 1с \ = Рк~ и^{праб-\) >

Рис. 6 Совокупность характеристик ПНо МВП в диапазоне изменения hy при вариации зазора hz

При переключении средний ПНо становится промежуточным, промежуточный

— крайним и т. д.

Объём N массивов градуировочных напряжений С* определяется количеством пу каналов, по каждому из которых задаются возможные состояния ОК:

Л' = пу(пх-пу-пь-п^),

где'и» пу, щ, п<? - количество градуировочных точек по каждому фактору. С помощью АЦП напряжения ПНо преобразуются в цифровую форму и сохраняются в файлах. Для заданных диапазонов изменения контролируемых факторов и выбранных шагов дискретизации, с учётом переналадок стенда, общее время градуировки составляет около 4 часов.

В режиме измерения, при контроле взаимного положения рельсов, вектор Р! рассматривается как отклонение АРх относительно известного положения Р0 факторного пространства. Используя кусочно-линейную аппроксимацию функции отклика, представим вектор сигнальных напряжений и(Р,) как отклонение от вектора напряжений и(Ра) в градуировочной точке Р0 факторного пространства:

й(Р0 +АР1)=й(Р0)+УйАР1+с, _ (4)

где и(Р0 + АРг)=и{Р1)~ вектор сигнальных напряжений МВП; VII - матрица, определяющая чувствительность ПНо по каждому контролируемому фактору; е

— погрешность определения факторов. Выражая из (4) отклонение АР5, получим:

А^=(У[7)-1[с7(Р0+АР1)-У(Р0)]. (5)

Выбор базовой точки Р0 из градуировочного массива выполняется по условию:

и=

П11П

¿к-"»,)2

С целью упрощения решения уравнения (5) представим разность сигнальных напряжений и(Р5) и напряжений (7(Р0) градуировочного массива в виде:

\ -"о, ,)+*,(ил

-"о, =*»(«», -"о 1)+ку{иу1-ио,)+кь{\ -"о,)+*г(ил -"оД

(6)

-"о, = *гк. "ио.)+*,(",. -"о,)+ кь{\ -"о.К^к где иг1, «л, иЬк, ип - дополнительные напряжения ПНо МВП по каждому контролируемому фактору, выбираемые в окрестности Р0. При выборе дополнительных точек, вектор и (Р0) исключается. В каждой такой точке имеем вектора напряжений:

■ и^и^.Ь^+АЬ^),

Для малого шага дискретизации АР факторного пространства коэффициенты отклонений разности напряжений Чэ в выражении (6) считаем равными коэффициентам отклонений сигнальной точки от базовой:

K=K+k*Mz,

hy = hya+ky&hy,

Ьг=К+кьАЬг>

<Рх = <Р„+КА(Р*

Количество уравнений (6) соответствует количеству ПНо МВП, поэтому система линейных уравнений является переопределённой. Значения коэффициентов определяем методом наименьших квадратов, реализованным во многих распространённых программах обработки экспериментальных данных. Условием существования решения системы (6) является наличие известных и различных U, = /¡(Р), что обеспечивается заданной асимметрией размещения ПНо МВП относительно контролируемых факторов, приводящей к отличию от нуля функционального определителя (Якобиана):

d(u},u2,...,u„)ld{hz,hy,br,<p;)*o.

Программное обеспечение лабораторного стенда реализовано в среде Mat-lab с помощью интерпретатора со встроенного языка программирования, что позволяет без дополнительной перенастройки стенда изменять алгоритм обработки измерительных сигналов МВП. Дополнительно была выполнена оценка времени измерения, которая составила 20 мс, что при скорости движения подвижного состава 100 км/ч позволяет выполнить не менее 15 отсчётов по длине рельса.

Полученные результаты позволяют дать рекомендации по использованию измерительных модулей с дискретной токовой шиной для контроля геометрических параметров и перемещений объектов сложной формы. Ниже приведены основные технические характеристики устройства экспресс-контроля перемещений и геометрии рельса, полученные на лабораторном стенде:

Технические характеристики устройства:

№ Контролируемые параметры Диапазон изменения Погрешность

1. Диапазон вертикальных перемещений, мм 5.0-15.0 0.25

2. Диапазон поперечных горизонтальных ±25.0 0.40

перемещений, мм

3. Диапазон изменения ширины ОК, мм 60.0-72.0 0.85

4. Диапазон изменения углового положения ОК, ° ±5.0 0.5

В заключении формулируются основные выводы и результаты работы. В приложении приведены таблицы отступлений от нормативных значений по ширине колеи и геометрии рельса, решение о выдаче патента на полезную мо-

дель устройства электромагнитного контроля с матричным преобразователем, свидетельства об отраслевой регистрации разработки программ и исходные тексты основных модулей программ, акты внедрения разработанных устройств контроля, позволяющие расширить функциональные возможности средств диагностики железнодорожного пути и повысить производительность испытаний дорогостоящего оборудования.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Обоснована возможность построения перспективных матричных вихре-токовых преобразователей с сильной электромагнитной связью между образующими их чувствительными элементами для многофакторного экспресс-контроля геометрических параметров и перемещений объектов сложной формы.

2. Исследованы основные характеристики возбуждающих полей МВП и полей вихревых токов ОК. Установлено, что в случае использования в качестве информативной компоненты комплексной составляющей сопротивления, выбор оптимального диапазона изменения зазоров по условию наибольшего изменения вносимой индуктивности получается при значении относительного зазора бДй/Оз и 0.8.

3. Предложена математическая модель и алгоритмы численных расчётов электромагнитных полей дискретных токовых элементов, с помощью которых исследованы характеристики комплексной составляющей сопротивлений, учитывающие изменение границ сечений конструктивно неограниченных магнитных потоков преобразователей.

4. Даны критерии выбора оптимальных конструктивных размеров МВП для многофакторного экспресс-контроля геометрических параметров ОК сложной формы в широком диапазоне изменения контролируемых факторов.

5. Предложена методика комплексной обработки измерительной информации многоканальной аппаратуры экспресс-контроля с автоматической селекцией контролируемых факторов по сигналам МВП с сильной электромагнитной связью первичных преобразователей, позволяющая повысить помехозащищённость устройств вихретокового контроля.

6. Разработана многоканальная аппаратура экспресс-контроля перемещений и геометрических параметров ОК, включающая матричный вихретоковый преобразователь, блок формирования выходных напряжений и программное обеспечение для автоматизированной обработки измерительной информации, позволяющая расширить функциональные возможности современных средств диагностики железнодорожного пути и повысить производительность испытаний дорогостоящего оборудования.

7. Создан многоканальный компьютеризированный лабораторный стенд для исследований электромагнитных систем, который используется в промышленности, научных исследованиях и учебном процессе.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией'.

1. Лавров А. Ю., Меркулов А. И. Бесконтактный экспресс-контроль взаимного положения рельсов железнодорожной колеи [Текст] // Самара: Компьютерная оптика. — 2008. Т. 32 № 3. — С. 270-277.

2. Лавров А. Ю., Меркулов А. И. Линейный матричный электромагнитный преобразователь перемещений с односторонним доступом к объекту контроля [Текст] // Самара: Известия Самарского научного центра РАН. — 2008. №3, —С. 823-830.

Получено-.

3. Решение о выдаче патента на полезную модель по заявке №2008125730/22 (031299) РФ, 0 01В7/00, О0Ш27/90. Устройство электромагнитного контроля с матричным преобразователем / Меркулов А. И., Лавров А. Ю., Меркулов Б. А. -заявл 24.06.08.

4. Лавров А. Ю. Монитор экспресс-контроля геометрических параметров изделий сложной формы Р\Ю111а у.2.03 // Свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 9304 от 20.10.2007. М.: ВНТИЦ — № 50200702321

5. Лавров А. Ю. Моделирование вихретокового устройства экспресс-контроля изделий сложной формы. // Свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 9378 от 26.10.2007. М.: ВНТИЦ — № 50200402380

Опубликовано в других гаданиях и прошли научную экспертизу на научно-технических конференциях".

6. Меркулов А. И., Лавров А. Ю. Кластер ортогональных электромагнитных преобразователей [Текст] // Неразрушающий контроль и техническая диагностика: тезисы докладов 18-й Всероссийской конф. «Неразрушающий контроль и техническая диагностика». — М.: Машиностроение, 2008. — С. 43-44.

7. Лавров А. Ю., Меркулов А. И. Кластер вихретоковых преобразователей для устройств экспресс-контроля перемещений изделий сложной формы [Текст] // Вестник Самарского отделения Поволжского центра Метрологической академии России «Информационные, измерительные и управляющие системы». — Самара: Самарский научный центр РАН, 2007. — С. 128-132.

8. Лавров А. Ю., Меркулов А. И. Взаимодействие полей токовых элементов вихретоковых преобразователей [Текст] // Современные проблемы радиоэлектроники: Сб. науч. ст. / ред.: А. И. Громыко, А. В. Сарафанов. — Красноярск: Сибирский федеральный университет; Политехнический институт, 2007.

— С. 346-348.

9. Лавров А. Ю., Меркулов А. И. Компоновка кластеров экранированных вихретоковых преобразователей перемещений [Текст] // Материалы Международной научно-практической конференции аспирантов и научных работников.

— Астрахань: АГУ, 2007. — С. 31-34.

10. Меркулов А. И., Лавров А. Ю. Дискретизация токов вихретокового преобразователя пространственного положения изделий сложной формы [Текст] // Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций: Ма-

териалы Всероссийской научно-технической конференции / Под ред. И. Г. Мироненко, М. Н. Пиганова — Самара: СГАУ, 2006. — С. 103-109.

11. Меркулов А. И., Лавров А. Ю., Меркулов Б. А. Анализ конструктивной топологии электромагнитных преобразователей перемещений [Текст] / Материалы XVII Российской НТК Неразрушающий контроль и диагностика. Екатеринбург: ИМАШ УрО РАН, 2005. — С. 22.

12. Меркулов А. И., Лавров А. Ю., Меркулов Б. А., Скоробогатов Е. Г. Численный расчёт параметров экранированных электромагнитных преобразователей перемещений [Текст] / Материалы XVII Российской НТК Неразрушающий контроль и диагностика. Екатеринбург: ИМАШ УрО РАН, 2005. — С. 52.

13. Меркулов А. И., Лавров А. Ю. Многофакторная ИИС для бесконтактного контроля железных дорог [Текст] // Актуальные проблемы радиоэлектроники. Материалы Всероссийской научно-технической конференции — Самара: Изд-во "НТЦ", 2003. — С. 77-78.

14. Меркулов А. И., Лавров А. Ю., Конюхов Вл. Н., Меркулов Б. А. Широкодиапазонные преобразователи перемещений и формы изделий с повышенной разрешающей способностью [Текст] // Актуальные проблемы науки и образования. Труды международного юбилейного симпозиума: в 2-х т. Т. 2 / Под ред. д.т.н., проф. М.А. Щербакова — Пенза: Информационно-издательский центр ПГУ, 2003, —С. 221-223.

15. Буткевич Р. В., Лавров А. Ю. Многоэлементные электромагнитные преобразователи перемещений и деформаций изделий [Текст] // Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления: VI Всероссийская научная конференция. — Таганрог: 2002. — С. 193-194.

16. Буткевич Р. В., Лавров А. Ю., Меркулов А. И. Моделирование частных петель гистерезиса магнитопроводов электромагнитных преобразователей перемещений [Текст] // Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании: VII Всероссийская научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов. — Рязань: 2002. — С. 8-9.

17. Меркулов А. И., Лавров А. Ю., Скоробогатов Е. Г. Система бесконтактного измерения профиля верха головки рельса [Текст] // Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении. Материалы международной конференции. — Саратов: 2002. — С. 189-190.

18. Меркулов А. И., Скоробогатов Е. Г., Лавров А. Ю. Электромагнитные преобразователи для контроля перемещений поверхности металлических изделий [Текст] // Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем: Труды третьей всероссийской научно-практической конференции (с участием стран СНГ). — Ульяновск: 2001. — С. 42-44.

Личный вклад автора в работах, написанных в соавторстве:

В работах [1, 2, 3] предложена математическая модель для численных расчётов индуктивности вихретоковых преобразователей МВП, представленного в виде дискретной токовой шины с общим электромагнитным полем, реализация которой представлена в [6]. В [1, 2, 11] дано обоснование определения границ

конструктивно неограниченных квазистационарных полей синфазных токовых элементов для расчёта индуктивности преобразователей. В [13] дан сравнительный анализ систем измерения перемещений и геометрии контролируемых объектов. Критерии выбора оптимальных конструктивных размеров МВП, работающего в широком диапазоне изменения контролируемых факторов, рассмотрены в [8,9]. Основные характеристики МВП с сильной электромагнитной связью ПНо исследованы в [7, 9, 15]. В [4, 10, 12] разработана базовая конструкция ортогонального МВП для устройств экспресс-контроля рельсов железнодорожной колеи при одностороннем доступе к объекту контроля и в [8] даны практические рекомендации по выбору геометрических параметров ПНо на основе анализа эквивалентных параметров. Принципы построения и структура устройства экспресс-контроля представлены в [14, 16, 17]. В работах [1, 2, 11] описан алгоритм селекции компонентов вектора контролируемых факторов, программная реализация которого представлена в [5]. В [1, 2] описан созданный многоканальный компьютеризированный лабораторный стенд вихретоко-вого контроля объектов сложной формы.

_Подписано в печать 21.11.2008 Усл. печ. л. 1.00. Тираж 100 экз.

Отпечатано с готовых оригинал макетов СГАУ 443086, Самара, Московское шоссе, 34

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИЗ ОБЪЕКТА КОНТРОЛЯ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ЭКСПРЕСС-КОНТРОЛЯ РЕЛЬСОВ

1.1 Геометрические факторы, влияющие на безопасность движения железнодорожного транспорта.

1.2 Анализ работ по измерению пространственного положения и геометрических параметров изделий сложной формы.

1.2.1 Контактные системы контроля геометрических параметров железнодорожной колеи.

1.2.2 Оптические системы контроля геометрических параметров железнодорожной колеи.

1.2.3 Электромагнитные преобразователи для контроля геометрических параметров объектов сложной формы

1.3 Постановка задачи на разработку устройства экспресс-контроля геометрических параметров железнодорожной колеи

1.3.1 Контролируемые факторы, определяющие взаимное положение рельсов.

1.3.2 Выбор моделей рельса железнодорожной колеи.

1.3.3 Выбор схемно-конструктивной компоновки устройства экспресс-контроля перемещений и геометрии рельса

Выводы.

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ ДИСКРЕТНОЙ ТОКОВОЙ ШИНЫ

2.1 Расчётная схема дискретной токовой шины.

2.2 Допущения, принятые при расчёте трёхмерного электромагнитного поля матричного преобразователя.

2.3 Функции пространственного распределения магнитного поля линейных токовых элементов.

2.4 Определение оптимальных размеров матричного преобразователя по параметрам возбуждающего поля.

2.5 Расчёт начальной индуктивности матричного преобразователя

2.5.1 Математическая модель дискретной токовой шины

2.5.2 Алгоритм определения начальной индуктивности первичных преобразователей.

Выводы.

АНАЛИЗ ВНОСИМЫХ ПАРАМЕТРОВ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

3.1 Распределение вихревых токов по поверхности рельса.

3.2 Расчёт вносимой индуктивности матричного вихретокового преобразователя.

3.2.1 Влияние вихревых токов на вносимые параметры преобразователей.

3.2.2 Влияние изменения сечений магнитных потоков на индуктивность преобразователей.

3.2.3 Алгоритм определения вносимой индуктивности матричного преобразователя.

3.3 Характеристики вносимой индуктивности матричного преобразователя.

3.4 Оценка нелинейности характеристик преобразователей.

Выводы.

4 РЕАЛИЗАЦИЯ УСТРОЙСТВА ЭКСПРЕСС-КОНТРОЛЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОБЪЕКТОВ СЛОЖ

НОЙ ФОРМЫ

4.1 Разработка функциональной схемы лабораторного стенда

4.2 Алгоритм градуировки устройства экспресс-контроля.

4.3 Алгоритм определения влияющих факторов

4.4 Технические характеристики разработанных устройств впхрстокового контроля.

Выводы.

В современных условиях работы железных дорог средства контроля приобретают первостепенное значение как основной источник получения информации для принятия правильных и экономически оправданных решений. Взаимное положение и геометрия рельсов определяет безопасность движения транспорта по железнодорожной колее. Рельсы имеют большую протяжённость, подвержены динамическому и климатическому воздействию. Вопросы, касающиеся надёжности и безопасности движения подвижного состава железнодорожного транспорта, а также применения систем автоматизированного мониторинга пути подробно освещены в работах Альбрехта В. Г., Архангельского С. В., Вериго М. Ф., Koran а А. Я. и др. Сбор информации о состоянии рельсовой колеи для систем управления движением поездов представляет собой трудоёмкую операцию. Использование компьютеризированных средств измерений, выполняющих комплексную диагностику железнодорожного пути, определяет актуальность разработки всепогодной системы автоматического бесконтактного экспресс-контроля геометрических параметров и взаимного положения рельсов с учётом их динамического взаимодействия с колёсными парами. Выполнение измерений в процессе движения подвижного состава с установленной скоростью обуславливает необходимость увеличения зазоров между поверхностью катания рельса и датчиками устройства контроля для обеспечения их безопасной работы.

Механические сканирующие системы, использующие контактные способы контроля, характеризует простота обработки сигналов информационных каналов и высокая точность измерения. Чувствительные элементы таких систем имеют жёсткую и стабильную механическую связь с объектом контроля (ОК). На результирующую погрешность оказывает влияние стабильность контакта в зоне контроля и деформация элементов механических связей, что снижает динамические качества системы «рельс-устройство контроля». Сложность и малая надёжность механических сканирующих систем затрудняет их применение при повышенных скоростях движения.

Более перспективным представляется использование бесконтактных способов контроля. Однако, экспресс-контроль с использованием оптических методов измерения предъявляет высокие требования к чистоте зоны контроля. Существенным недостатком оптических измерительных систем является их высокая стоимость. В условиях загрязнённой среды с повышенной влажностью широко используются электромагнитные методы контроля статических и динамических пространственных перемещений, основанные на взаимодействии с ОК электромагнитных полей. В работах Герасимова В. Г., Клюева В. В., Стеблева Ю. И., Сухорукова В. В., Шатерникова В. Е. и др. подробно рассмотрены методологические принципы построения вихретоковых накладных преобразователей (ПН). Кроме того, проектирование многоканальных измерительных узлов и использование информационной избыточности отражено в известных работах Алиева Т. М., Конюхова Н. Е., Осадчего Е. П., Пустынникова В. Г., Скобелева О. П. и др. Работа с повышенными зазорами безопасности требует увеличения диаметра катушек, что исключает возможность размещения большого количества ПН в зоне контроля. Создаваемое ПН общее электромагнитное поле требует анализа измерительных сигналов и выделения информативных составляющих.

В работах Меркулова А. И., Нестерова В. Н., Секисова Ю. Н. векторные многокомпонентные физические величины рассматриваются как функции от множества информативных факторов, допускающих многовариантность их представления в зависимости от особенностей объекта исследования и поставленной задачи. Однако, построение подобных систем контроля геометрических параметров ОК базируется на использовании слабосвязанных одно-компонентных преобразователей перемещений, размещение которых в зоне контроля OK оказывается малоэффективным, а в труднодоступных зонах — неосуществимой задачей ввиду значительных размеров автономных корпусов и элементов их крепления.

Решение задачи экспресс-контроля состояния железнодорожной колеи с помощью вихретоковых методов требует теоретических и экспериментальных исследований, направленных па разработку матричных вихретоковых преобразователен (МВП). обеспечивающих определение значений большого количества контролируемых факторов при условии сильной электромагнитной связи между образующими их чувствительными элементами.

Цель диссертационной работы. Целью диссертационной работы является разработка матричного вихретокового преобразователя для устройств многофакторного экспресс-контроля геометрии и взаимного положения рельсов при повышенных зазорах безопасности.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- анализ существующих электромагнитных методов контроля пространственного положения и геометрических параметров проводящих объектов сложной формы в загрязнённых средах;

- теоретическое и экспериментальное исследование влияния конструктивных параметров МВП на чувствительность к контролируемым компонентам перемещений и геометрии ОК;

- выбор оптимальных конструктивных и геометрических параметров МВП, обеспечивающего измерение в широком диапазоне изменения контролируемых факторов при повышенных начальных зазорах безопасности;

- разработка структуры, алгоритма и программного обеспечения многоканальной аппаратуры многофакторного экспресс-контроля положения и геометрических параметров рельсов при повышенных зазорах безопасности по сигналам чувствительных элементов МВП.

Методы исследования. В работе использованы: теория электромагнитного поля применительно к задачам контроля перемещений электропроводящих объектов, методы аналитической геометрии, векторной алгебры, дифференциального исчисления функций многих переменных, теория погрешностей и инвариантности, теория электрических и магнитных цепей, имитационное моделирование с использованием ЭВМ. Достоверность положений работы проверена экспериментально, а также сравнением полученных результатов с данными, опубликованными другими авторами.

Структура и краткое содержание диссертации. Постановка задачи определяет содержание диссертации, которая включает в себя введение, четыре раздела, заключение, список литературы и приложения. Во введении даётся обоснование актуальности разработки устройства экспресс-контроля геометрии и взаимного положения рельсов как ОК сложной формы и формулируются основные задачи исследования.

Выводы:

1. Разработан лабораторный стенд исследования характеристик многоканальной аппаратуры экспресс-контроля пространственного положения и геометрических параметров ОК, включающий матричный вихретоковый преобразователь, работающий в широком диапазоне пространственных перемещений, электронный блок формирования выходных напряжений и программное обеспечения для одновременного автоматического контроля геометрических факторов с последующим определением отклонения параметров рельсовой колеи от нормативных значений.

2. Предложенная методика оценки коэффициентов отклонений влияющих факторов от базовых значений факторного пространства в каждой зоне контроля путём определения коэффициентов отклонений вектора сигналов от соответствующих базовых сигналов градуировочных массивов позволяет упростить обработку измерительной информации.

3. Разработанный алгоритм экспресс-контроля позволяет выделить следующие влияющие факторы: линейные вертикальное hz и поперечное горизонтальное hz перемещения, ширину br и угловое положение ipx О К относительно МВП. Использование последовательной обработки вектора сигнальных напряжений ПНо, не содержащей итеративных блоков, обеспечивает требуемое быстродействие устройства вихретокового экспресс-контроля.

4. Выполненные с помощью лабораторного стенда эксперименты подтвердили достоверность теоретических исследований характеристик матричного вихретокового преобразователя, представленного в виде дискретной токовой шины.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ мероприятий по контролю состояния железнодорожной колеи показывает необходимость экспресс-контроля перемещений и геометрических параметров рельсов в реальных условиях эксплуатации колеи, что позволит повысить безопасность движения транспорта и эффективность функционирования систем управления движением железнодорожного транспорта. Изучение условий эксплуатации и известных оценок состояния рельсов позволило выделить основные группы моделей, использование которых упрощает разработку устройства для экспресс-контроля железнодорожной колеи.

Вихретоковые методы контроля широко применяются для бесконтактного измерения смещений и профиля поверхности сложной формы в загрязнённых средах. Применение в качестве чувствительных элементов ортогональных накладных преобразователей позволило разработать миниатюрный МВП. В ходе выполнения исследований были получены следующие результаты:

1. Обоснована возможность построения перспективных матричных вихретоковых преобразователей с сильной электромагнитной связью между образующими их чувствительными элементами для многофакторного экспресс-контроля геометрических параметров и перемещений объектов сложной формы.

2. Исследованы основные характеристики возбуждающих полей МВП и полей вихревых токов ОК. Установлено, что в случае использования в качестве информативной компоненты комплексной составляющей сопротивления, выбор оптимального диапазона изменения зазоров по условию наибольшего изменения вносимой индуктивности получается при значении относительного зазора 6hz/D3 ж 0.8.

3. Предложена математическая модель и алгоритмы численных расчётов электромагнитных полей дискретных токовых элементов, с помощью которых исследованы характеристики комплексной составляющей сопротивлений, учитывающие изменение границ сечений конструктивно неограниченных магнитных потоков преобразователей.

4. Даны критерии выбора оптимальных конструктивных размеров МВП для многофакторного экспресс-контроля геометрических параметров ОК сложной формы в широком диапазоне изменения контролируемых факторов.

5. Предложена методика комплексной обработки измерительной информации многоканальной аппаратуры экспресс-контроля с автоматической селекцией контролируемых факторов по сигналам МВП с сильной электромагнитной связью первичных преобразователей, позволяющая повысить помехозащищённость устройств вихретокового контроля.

6. Разработана многоканальная аппаратура экспресс-контроля перемещений и геометрических параметров ОК, включающая матричный вихре-токовый преобразователь, блок формирования выходных напряжений и программное обеспечение для автоматизированной обработки измерительной информации, позволяющая расширить функциональные возможности современных средств диагностики железнодорожного пути и повысить производительность испытаний дорогостоящего оборудования.

7. Создан многоканальный компьютеризированный лабораторный стенд для исследований электромагнитных систем, который используется в промышленности, научных исследованиях и учебном процессе.

Использование для обработки измерительной информации компьютерной техники обеспечивает универсальность применения устройства. В процессе проведения имитационного моделирования рассмотрены условия «ассимет-рии» измерительных каналов относительно контролируемых факторов, выделены информационные сигналы и условия их обработки. Предложенный алгоритм определения границ конструктивно неограниченных магнитных полей позволяет расширить сферу применения матричных вихретоковых преобразователей при контроле геометрических параметров объектов сложной формы. В работе показана возможность использования системы конструктивно одинаковых ортогональных ПНо с сильной электромагнитной связью для бесконтактного контроля различных машиностроительных изделий в труднодоступных зонах.

1. Автоматизированные средства контроля параметров рельсовой колеи на базе вагонов-лабораторий / Под ред. С. В. Архангельского, В. Б. Каменского и В. П. Конакова. — Самара: Самарский научный центр РАН, 2002. - 236 с.

2. А. с. 1024821 СССР, МКИ G01N27/90 Электромагнитный преобразователь / Меркулов А. И., Лелеков П. А., Денисов В. А. и др. — № 3403059/25-28; Заявл. 25.02.82; Опубл. 23.06.83. Бюл. № 23. С. 4.

3. А. с. 1193442 СССР, МКИ G01B7/00 Преобразователь перемещений / Конюхов Н. Е., Меркулов А. И., Полулех А. В. и др. № 3692658/25-28; Заявл. 24.11.83.; Опубл. 23.11.85. Бюл. № 43. - С. 3.

4. Баев Е. Ф., Фоменко Л. А., Цымбалюк В. С. Индуктивные элементы с ферромагнитными сердечниками. — М.: Сов. радио, 1976. — 318 с.

5. Бесстыковой путь / В. Г. Альбрехт, Н. П. Виногоров, Н. Б. Зверев и др.; Под ред. В. Г. Альбрехта, А. Я. Когана. — М.: Транспорт, 2000. — 408 с.

6. Бинс К., Лауренсон П. Анализ и расчёт электрических.и магнитных полей. — М.: Энергия, 1970. — 375 с.

7. Блейхут Р. Быстрые алгоритмы цифровой обработки сигналов. — М.: Мир, 1989. 448 с.

8. Буль Б. К. Основы теории и расчёта магнитных цепей. — М: Энергия, 1967. 463 с.

9. Буль О. Б. Методы расчёта магнитных систем электрических аппаратов. Программа ANSYS: уч. пособие для студ. высших учеб. заведенений / О. Б. Буль — М: Издательский центр «Академия», 2006. — 288 с.

10. Буров В. Н., Шатерников В. Е. Влияние конструктивных параметров накладных трансформаторных вихретоковых преобразователей на выбор структуры и метрологические характеристики электромагнитных измерительных средств // Дефектоскопия — 1980, № 4. — С 80-85.

11. Буткевич Р. В., Лавров А. Ю. Многоэлементные электромагнитные преобразователи перемещений и деформаций изделий // Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления: VI Всероссийская научная конференция. — Таганрог: 2002. — С. 193-194.

12. Вайнштейн Л. А. Электромагнитные волны. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Радио и связь, 1988. — 440 с.

13. Веников В. А., Веников Г. В. Теория подобия и моделирования (применительно к задачам электроэнергетики). — М.: Высш. шк., 1984. — 439 с.

14. Вычислительные методы в электродинамике / Под ред. Р. Митры — М.: 1977. 483 с.

15. Герасимов В. Г., Клюев В. В., Шатерников В. Е. Методы и приборы электромагнитного контроля промышленных изделий. — М.: Энергоатомиз-дат, 1983. 272 с.

16. Гринберг Г. А. Избранные вопросы математической теории электрических и магнитных явлений. — М.: АН СССР, 1948. — 728 с.

17. Демирчян К. С., Чечурин В. JI. Машинные расчёты электромагнитных полей. — М.: Высш. шк., 1986. — 240 с.

18. Деммель Дж. Вычислительная линейная алгебра. Теория и приложения. Пер. с англ. — М.: Мир, 2001. — 430 с.

19. Денис Дж., мл., Шнабель Р. Численные методы безусловной оптимизации и решения нелинейных уравнений: Пер. с англ. — М.: Мир, 1988. — 440 с.

20. Денисов В. А., Меркулов А. И. Исследование модулей матричных вих-ретоковых преобразователей // Докл. 3 Всесоюзн. конф. по неразруша-ющим методам контроля. — Кишинев, 1977. —- Вып. 2. — С. 547-550.

21. Кирко И. М. Исследование электромагнитных явлений в металлах методом размерности и подобия. — Рига: АН Латв. ССР, 1959. — 182 с.

22. Коган А. Я. Динамика пути и его взаимодействие с подвижным составом. М.: Транспорт, 1997. — 326 с.

23. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике (для научных работников и инженеров). — М.: Наука, 1974. — 832 с.

24. Краевые характеристики в задачах электродинамики / Кравченко А. Н.; Отв. ред. Шидловский О. К.; АН УССР, Ин-т электродинамики — Киев: На,ук. думка, 1989. — 224 с.

25. Курбатов П. А., Аринчин С. А. Численный расчёт электромагнитных полей. — М.: Энергоатомиздат, 1984. — 168 с.

26. Лавров А. Ю. Монитор экспресс-контроля геометрических параметров изделий сложной формы PVGRla v.2.03 // Свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 9304 20.10.2007. М.: ВНТИЦ — № 50200702321.

27. Лавров А. Ю. Моделирование вихретокового устройства экспресс-контроля изделий сложной формы. // Свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 9378 26.10.2007. М.: ВНТИЦ № 50200402380.

28. Лавров А. Ю., Меркулов А. И. Бесконтактный экспресс-контроль взаимного положения рельсов железнодорожной колеи // Компьютерная оптика. Т. 32, № 3, 2008. - С. 270-277.

29. Лавров А. Ю., Меркулов А. И. Линейный матричный электромагнитный преобразователь перемещений с односторонним доступом к кобъ-екту контроля // Известия Самарского научного центра РАН. — 2008.3. С. 823-830.

30. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика: Учеб. пособие для вузов. В 10 т. Т. VIII. Электродинамика сплошных сред. — 4-е изд., стереот. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001. - 656 с.

31. Локшина Н. Н., Шкарлет Ю. М. Приближенная методика расчёта накладных вихретоковых датчиков // Дефектоскопия. — 1970, № 1. -С. 41-49.

32. Лоусои К., Хансон Р. Численное решение задач метода наименьших квадратов. — М.: Наука, 1986. — 280 с.

33. Лысюк В. С. Причины и механизм схода колеса с рельса. Проблема износа колес и рельсов. — М.: Транспорт, 1997. — 188 с.

34. Лысюк В. С., Сазонов В. Н., Башкатова Л. В. Прочный и надёжный железнодорожный путь. — М.: ИКЦ "Академкнига", 2003. — 589 с.

35. Меркулов А. И. Ортогональные электромагнитные преобразователи для контроля радиальных перемещений лопаток турбомашин // Вибрационная техника. Материалы семинара. — М.: МДНТП, 1983. — С. 22-25.

36. Меркулов А. И. О подобии конструкций параметрических накладных электромагнитных преобразователей // Приборы и системы управления. 1992, № 8. - С. 20-23.

37. Меркулов А. И. Оценка эффективности конструктивной топологии вихретоковых преобразователей для ИИС контроля многокомпонентных перемещений // Пути повышения качества и надежности контроля радиоэлектронного оборудования. — Куйбышев, 1980. — С. 74-76.

38. Меркулов А. И. Приближенный анализ накладных вихретоковых преобразователей // Дефектоскопия. — 1982, № 1. — С. 55-61.

39. Меркулов А. И. Электромагнитные преобразователи устройств измерения многокомпонентных перемещений изделий. Автореф. дисс. докт. техн. наук. — Самара, 2000. — 36 с.

40. Меркулов А. И., Лавров А. Ю. Многофакторная ИИС для бесконтактного контроля железных дорог // Актуальные проблемы радиоэлектроники. Материалы Всероссийской научно-технической конференции — Самара: Изд-во "НТЦ", 2003. С. 77-78.

41. Меркулов А. И., Лавров А. Ю. Кластер ортогональных электромагнитных преобразователей. // Неразрушающий контроль и техническая диагностнка: тезисы докладов 18-й Всероссийской конференции. — М.: Машиностроение, 2008. — С. 43-44.

42. Меркулов А. И., Лавров А. Ю., Меркулов Б. А. Анализ конструктивной топологии электромагнитных преобразователей перемещений / Материалы XVII Российской НТК Неразрушающий контроль и диагностика. Екатеринбург: ИМАШ УрО РАН, 2005. С. 22.

43. Меркулов А. И., Лавров А. Ю., Меркулов Б. А. Параметрический матричный электромагнитный преобразователь пространственных перемещений // Решение о выдаче патента на полезную модель от по заявке , G01B7/00, G01N27/90

44. Меркулов А. И., Стеблев Ю. И., Корнеев Б. В. Принципы построения матричных вихретоковых преобразователей с магнитопроводом // Дефектоскопия. 1979, № 6. — С. 9-19.

45. Нейман Л. Р., Демирчан К. С. Теоретические основы электротехники: В 2-х т. Т. 2. — 3-е изд., перераб. и доп. — Л.: Энергоатомиздат, 1981. —416 с.

46. Немцов М. В. Справочник по расчёту параметров катушек индуктивности. — М.: Энергоиздат, 1987. — 192 с.

47. Неразрушающий контроль качества изделий электромагнитными методами / Под ред. В. Г. Герасимова. — М.: Энергия, 1978. — 216 с.

48. Нестеров В. Н. Методы и средства инвариантных измерений составляющих многокомпонентных физических величин: Автореферат дисс. докт. техн. наук. — Самара, 1996. — 43 с.

49. Никитенко А. Г. Пеккер И. И. Расчёт электромагнитных механизмов на вычислительных машинах. — М.: Энергоатомиздат, 1985. — 216 с.

50. Новицкий П. В., Зограф И. А. Оценка погрешностей результатов измерений. — JL: Энергоатомиздат, 1991. — 304 с.

51. Пат. 1803851 РФ, МКИ G01N27/90. Устройство электромагнитного контроля / Католиков В. И., Меркулов А. И., Кн5хзев Я. А. и др. — № 4913764/28; Заявл. 25.02.91; Опубл. 23.03.93. Бюл. № 11. С. 6.

52. Пат. 1772600 РФ, МКИ G01B7/00. Устройство для контроля пространственных перемещений / Меркулов А. И., Католиков В. И., Евсиг-неев А. Б. и др. 4836272/24; Заявл. 24.09.90; Опубл. 30.01.92. Бюл. № 40. - С. 8.

53. Розенблат М. А. Магнитные элементы автоматики и вычислительной техники. — М.: Наука, 1974. — 768 с.

54. Самарский А. А., Гулин А. В. Численные методы. — М.: Наука, 1989. —432 с.

55. Секисов Ю. Н. Методы и средства измерений многомерных перемещений элементов конструкций силовых установок: Дисс. докт. техн. наук. Самара, 1999. — 321 с.

56. Соболев В. С., Шкарлет Ю. М. Накладные и экранные датчики. — Новосибирск.: Наука, 1967. — 142 с.

57. Стародубцев Ю. Н., Белозёров В. Я. Магнитные свойства аморфных и нанокристаллических сплавов. — Екатеринбург: Изд-во Уральского унта, 2002. 384 с.

58. Стеблев Ю. И. Разработка методов синтеза вихретоковых преобразователей и повышение на их основе эффективности средств неразрушающего контроля изделий сложной структуры: Автореферат дисс. докт. техн. наук. — М.: НИИИН, 1988. — 49 с.

59. Сухоруков В. В. Математическое моделирование электромагнитных полей в проводящих телах. — М.: Энергия, 1976. — 50 с.

60. Тозони О. В., Майергойз И. Д. Расчёт трёхмерных электромагнитных полей. — Киев: Техника, 1974. — 352 с.

61. Трунов В.Г. Выбор линейной модели и оценка числа избыточных переменных. // Алгоритмы обработки экспериментальных данных. — М.: Наука, 1986. — 184 с.

62. Туровский Я. Электромагнитные расчёты элементов электрических машин: Пер. с польск. — М.: Энергоатомиздат, 1986. — 200 с.

63. Федотов А. В. Расчёт и проектирование индуктивных измерительных устройств. — М.: Машиностроение, 1979. — 173 с.

64. Шапиро Д. Н. Основы теории электромагнитного экранирования. — JL: Энергия, 1975. 112 с.

65. Шатерников В. Е. Взаимодействие полей электромагнитных преобразователей с проводящими телами сложной формы // Дефектоскопия. — 1977, № 2. С. 54-63.

66. Шкарлет Ю. М. Общие и частные закономерности теории вихретокового контроля // Дефектоскопия. — 1991, № 4. — С. 71-76 .

67. Aho A., Hopcroft J., Ullman J. The Design and Analysis of Computer Algorithms. Addison-Wesley, Reading, MA. 1974.

68. Anderson E., Bai Z., Bischof C., etc. LAPACK Users' Guide (2nd edition). SI AM, Philadelphia, PA, 1975.

69. Craig S. Т., Krause Т. W., Luloff В. V. Eddy current measurement of remote tube in CANDU reactors — http://www.ndt.net/article/wcndt2004/pdf/-nuclear/446crai.pdf

70. Doust K. Track geometry control system // International Railway Journal.- 1991. № 9. - p.45

71. High-speed measurement // International Railway Journal. — 1993. — № 1.- p.20

72. Lawson C., Hanson R. Kincaid D., Krogh F. Basic Linear Algebra Subprograms for Fortran usage. ACM Trans. Math. Software, 5:308-323, 1979.

73. Optical rail wear measurer // International Railway Journal. — 1992, № 1. R 55.

74. The MathWorks, Inc., Natick, MA. MATLAB Reference Guide, 1992.