автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Инерциальные измерители перемещений для систем автоматики железнодорожных машин

Тнтаев Владислав Евгеньевич

На правах рукописи

РГК ОЛ

ИНЕРЦИАЛЪНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛИ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ДЛЯ СИСТЕМ АВТОМАТИКИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ МАШИН

Специальность 05.13.07 - Автоматизация технологических процессов и производств (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ '

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тула - 2000 г.

Работа выполнена на государственного университета.

кафедре "Приборы управления" Тульского

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор В.Я.Распопов

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Л.Н.Толкалин

кандидат технических наук, профессор Е.Г.Воропаев

Ведущая организация: АО "Тулажелдормаш" .

Защита диссертации состоится "/¿Ы^Л-М^ 2000 г. в /У часов на заседании диссертационного совета Д 063.47.04 в Тульском государственном университете по адресу : 300600, г.Тула, пр.Леиина, 92 (учебный корпус № 9, ауд.101). '

Ваши отзывы на автореферат в одном экземпляре, заверенные печатью организаций, просьба высылать по указанному адресу.

С диссертацией, можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета. • '

Автореферат разослан " '/В" ^¿¿уупл. 2000 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета .

д.т.н., профессор -\С(' В.М.Мазуров

Ош -т.ся -я -оя -ш'+-ъ ишь, ш-м-м

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Россия имеет самую протяжённую и разветвлённую сен. железных дорог и мире. От исправного технического состояния пути зависит безопасность и бесперебойность движения составов, динамические нафузки на их ходовые части. Исправление геометрических параметров железнодорожного полотна осуществляют путевые машины типа В ПО, ВИР, ДСП и др.

Важным элементом автоматической системы выправки пути, устанавливаемой на этих машинах, является иперциалышй измеритель перемещений (ИИП), который определяет положение железнодорожного экипажа н системе координат, связанной с Землёй, и замыкает цепь обратпоп связи системы. Внедрение ИИП - необходимый этап автоматизации технологического процесса выправки железнодорожного пути, поскольку позволяет свести к минимуму участие в нем технического персонала, а следовательно, снизить затраты времени, финансовых и материальных ресурсов на данном производстве. Необходимо отметить, что использование ИИП способствует повышению безопасности движения железнодорожного транспорта, обеспечивая непрерывный автоматический контроль состояния пути. До этого дорожный мастер осуществлял выборочный контроль с помощью путеизмерительного шаблона.

Вместе с тем, создание прибора, предназначенного для работы в составе систем автоматики железнодорожных машин, является сложной научно-технической задачей. Измерение перемещений осуществляется в условиях трёхкомпонеитной вибрации с амплитудой ускорения (5-8)й на частотах до 33 Гц по каждой компоненте, создаваемой рабочими органами ремонтных железнодорожных машин, а чувствительность измерительного прибора должка составлять не менее 2,3 угловых минут.

Совершенствование систем автоматики железнодорожных машин и ограниченные финансовые возможности их Отечественных потребителей ставят вопрос о необходимости повышения эффективности ИИП. Повышение эффективности ИИП связано с повышением его точности, а также снижением стоимости ИИП и затрат на его эксплуатацию и техническое обслуживание.

ИИП может быть создан на основе:

• физического маятника (прибор прямого измерения);

• акселерометра компенсационного типа (прибор компенсационного типа);

• гироскопа (гироскопический стабилизатор).

В настоящее время базовым измерителем негоризонталыюсти железнодорожного полотна является прибор ЕЬТ-133.00 австрийской фирмы "Ркзвег & ТЬеигег", реализующий прямую схему измерений. Основной недостаток прибора - высокая стоимость и затраты на техническое обслуживание. Он не приспособлен к российским климатическим условиям, поэтому обладает неудовлетворительной точностью.

В железнодорожной практике имеется опыт применения в качестве измерителя негоризонтальности прибора компенсационного типа серии ИПМ (завод "Сибтензоприбор", Россия). Он не рассчитан на железнодорожные условия эксплуатации и не обеспечивает необходимой точности измерений.

Таким образом, у отечественной железнодорожной промышленности существует потребность в достаточно точных и дешёвых ИИП.

Обзор литературы по теме диссертационной работы показал, что существует ряд публикации, имеющих непосредственное отношение рассматриваемому кругу проблем. Однако, ещё не было проведено комплексного исследования ИИП, посвященного повышению их эффективности. Таким образом, актуальной является задача повышения эффективности инерциальных измерителей перемещений для систем автоматики железнодорожных машин.

Цель работы

Повышение точности и снижение стоимости инерциальных измерителей перемещений для систем автоматики железнодорожных, машин.

Указанная цель требует постановки и решения следующих научно-технических задач:

1.Разработка и аналитическое исследование математической модели приборов прямого измерения.

2.Разработка и аналитическое исследование математической модели приборов компенсационного типа с микромеханическим акселерометром.

3.Разработка инерциальных измерителей перемещений с улучшенными показателями эффективности на основе полученных математических моделей.

4.Идентификация математических моделей по результатам лабораторных и натурных экспериментов.

5. Аналитическое и экспериментальное исследование работы гироскопических стабилизаторов.

Объектом исследования являются инерциальные измерители перемещений с маятниковым и гироскопическим чувствительными элементами.

Методы исследования

При решении поставленных задач применялись методы теоретической механики, теории гироскопических приборов, теории колебаний, теории автоматического управления, высшей математики и ее специальных глав I сочетании с лабораторными и натурными экспериментальными исследованиями.

Научная новизна работы:

1 .Разработана адекватная математическая модель прибора прямоте измерения, позволяющая создать опытные образцы прибора с улучшенным! показателями эффективности.

2.Разработана адекватная математическая модель прибора компенсационной типа, позволяющая создать опытные образцы прибора с улучшенными показателям) эффективности.

3.Исследованы гироскопические стабилизаторы для условий эксплуатации едрактерных железнодорожным машинам и скоростным вагонам-лабораториям, показана возможность их использования в качестве измерителей перемещений .н ЖеЛЕешкц: дороге.

практическая ценность работы: ■ |1 ¡Разработаны адекватные математические модели ннерциальны ¡перемещений с маятниковым чувствительным элемента? ио ;М5)1»тШцУ лС^йки» опытные образны приборов с улучшенными показателям эффекыНноеш.

2.Показана возможность использования стандартной гироскопической вертикали Г-222 и трехосной гироскопической платформы ГП-1 в составе систем автоматики железнодорожных лшншн и скоростных путаных лабораторий.

Автор защищает:

1.Математическую модель прибора прямого измерения.

2.Математическую модель прибора компенсационного типа с микромеханическим акселерометром.

3.Результаты исследования гироскопических стабилизаторов для условий эксплуатации, характерных железнодорожным машинам и скоростным путеизмерительным вагонам.

Реализация результатов работы

Результаты диссертационной работы были внедрены в учебный процесс кафедры "Приборы управления" Тульского государс1 пенного университета и п работу технической и сервисной служб АО "Тулажелдормаш".

Дпробания работы

Основные результаты работы докладывались на научно-технической конференции ''Управление в технических системах" (г.Ковров, !99Нг.), международных молодежных научных конференциях "Гагаринские чтения" (г.Москва, 1998, 1999гг.), международной конференции, посвященной 150-летию со дня рождения С.И.Мосина (г.Тула, 1999г.), межвузовской научно-технической конференции (г.Тула, ТВАИУ, 1999г.), региональной научно-технической конференции "Проблемы проектирования и производства систем и комплексов" (г.Тула, ТулГУ, 1999г.), ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета.

Публикации

Основные результаты выполненных исследований отражены в 7 печатных работах.

Структура и объём работы;

Диссертация выполнена на 1! 1 страницах текста и включает в себя введение, 4 раздела с выводами, заключение, список литературы из 54 наименовании. В тексте диссертации приведено 2 таблицы, 42 рисунка и 7 фотоснимков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во !шеденш; обоснована актуальность работы, её научная новизна и практическое приложение, сформулирована цель исследований, изложены основные решённые в работе задачи л приведено краткое содержание разделов.

В первой разделе проанализированы условия эксплуатации приборов в составе железнодорожных машин, проведён обзор состояния теоретических исследований и практических разработок в области инерциальных измерителей перемещений для систем автоматики железнодорожных машин, описаны методы исследований, применённые в работе. Показано, что разработка таких приборов требует проведения теоретических н экспериментальных исследований, направленных на получение адеквашых математических моделей для условий эксплуатации, характерных железнодорожным машинам.

Приборы а составе контрольно-измерительных комплексов путевых машин измеряют фактическое положение пути в плане, продольном и поперечном профилях. В качестве возмущений для них принимаются неровности пути и вибрация рабочих органон железнодорожных машин. В качестве возмущающих факторов для приборов, устанавливаемых в вагоне-лаборатории, принимаются линейные и угловые колебания надрессорного строения, обусловленные неровностями пути.

Для построения математической модели возмущений неровности пути можно рассматривать как периодические или случайные. Функция возмущения от периодических неровностей пути может быть описана с помощью аппроксимирующих формул, приведённых в таблице 1.

Таблица !

Периодические неровности железнодорожного пути

Функция возмущения Амплитуда, мм Длина неров-

Вид неровностей Обозн Состояние пути

Хор Удов л ности

Стыковые в продольном профиле г}{ = /][СС«(2ЛА7.£ )-!]; А А А3 3 3 2 10 10 8

+ Л2 [СОБ(4пх / Ь ) -1 ]; 12,5 ИЛИ

г]} = -фтСлх/!^);! а 6 25 25,0

т]4 =-[ <з, 8т(ях/1 ) + я, 8 20

+ агв'т(}лх/Ьр) {; а2 4 10

Волио образ- Короткие 0,1-0,5 0,050,30

ный износ Длинные 7, = Ат\(2пх! Ьн). 1-2 1-3

Волнообразные в плане 1-3 10-25

Примечание: 1]- величина неровности; А - амплитуда; Л* - текущая координата

(пройденный путь); Ьи-длина неровности; Ьр - длина рельсового звена.

Согласно экспериментальным данным, приведённым в литературных источниках, спектральная плотность случайной составляющей возмущения е вертикальной плоскости представляет собой монотонно убывающую функцию: .

где (К) - спектральная плотность случайной составляющей возмущения; - параметр, характеризующий число циклов колебаний на 1 и пути, кол/м; со - частота возмущения, Гц; V- скорость движения, м/с; С = 0,5 • 10 8;

Во всех ИИП, используемых в настоящее время для систем автоматики железнодорожных машин, базовой линией является местная вертикаль физического маятника, которая может быть построена на принципах прямого (рис.1) или компенсационного (рис.2) методов измерения.

а)

б)

Ьч —3

------—

Рис.1.Схемы маятниковых датчиков прямого измерения, а - "ЕЬТ-133.00" (фирма "РЬ.^ег & ТЬеигег", Австрия): 1 - корпус; 2 -жидкость; 3 - маятник; 4 - стрелочный кулисный механизм; 5 - шкала; 6 - гибкая передача; 7,8 - шкивы на осях потенциометра и маятника соответственно.

б - "ИН-2"(Тульский государственный университет): 1 - корпус; 2 - кремний-органическая жидкость; 3 - маятник; 4, 5 - ротор и статор датчика угла индукционного типа.

Прибор ЕЬТ-133,00 (рис.1 а) разработан и серийно изготавливается австрийской фирмой "РЫзег & ТЬеигег", выпускающей путевые машины, используемые на железных дорогах России.

Прибор ИН-2 (измеритель наклона, модель вторая; разработан на кафедре "Приборы управления" ТулГУ. Принципиальная схема прибора ЙН-2 (рис. 16) идентична схеме прибора ЕЬТ-133.00. По сравнению с прибором ЕЫ-133.00 изменена технология изготовления корпуса и применен стандартный отечественный индукционный датчик угла.

Весьма перспективным представляется разработка датчиков уровня для железнодорожных машин на базе мйкромеханических акселерометров (ММА), обладающих малыми массой и габаритами, относительно низкой по сравнению с навигационными акселерометрами стоимостью, малым энергопотреблением и высокой виброустойчивостыо. На рис,2 показан ММА по патенту США.

Рис.2.Конструкция микромеханического акселерометра.

1, 8 - корпуса плунжерных, моментных (силовых) датчиков; 2 - опорное кольцо; 3 - установочные платики; 4 - подвижный электрод емкостного датчика угла; 5 - катушка моментного датчика; б - магнит; 7, 14 - крышка; 9 - полюсный наконечник; 10 - подвижная пластина; 11 - упругая балка; 12 - токоподвод; 13 -крепежное кольцо.

Для измерения угловых перемещений путеизмерительных тележек и скоростных вагонов-лабораторий в качестве базовой может быть использована система координат, создаваемая гироскопической системой.

В рамках диссертационной работы были исследованы гироскопические 1рпборы Г-222 и ГП-1. Прибор Г-222 - это танковый гнростабилнзатор, серийно шпускаемый отечественной промышленностью; построен по схеме гировертикали с кидкостными датчиками коррекции. Гироскопическая платформа ГП-1, разработанная на кафедре "Приборы уиравлентГ Тульского государственного университета, представляет собой трехосный индикаторный гиросгабнлнзатор на поплавковых интегрирующих гироскопах.

Математические модели пперциальныч измерителей перемещений, построенных на основе маятника, были получены с помощио дифференциальных уравнении движения твердого тела и обобщённых координатах - уравнении Лагрннжа второго рода:

с1 дТ ВТ _ {. . . ч Ш дс\] сс1)

где qJ, обобщенные координаты и скорости;<2,- обобщённые силы;5 -

число степеней свободы системы.

Число уравнений равно числу 5 степеней свободы системы.

Математическое описание инердиальных измерителей перемещений с гироскопическим чувствительным элементом приводится . из литературных источников.

Обзор публикаций по теме исследования не выявил аналитических описаний инердиальных измерителей перемещений, учитывающих совместное воздействие вибрации, угловых и переносных движений основания, что характерно для условий эксплуатации на железнодорожных машинах. Таким образом, разработка приборов с улучшенными показателями эффективности для систем автоматики железнодорожных машин требует проведения теоретических и экспериментальных исследований, направленных на получение адекватных математических моделей приборов.

Во втором разделе разработаны математические модели и аналитически исследованы инерциальные измерители перемещений с маятниковым чувствительным элементом, реализующие прямой и компенсационный метод измерений. Предварительные расчёты позволили создать опытные образцы приборов, технические характеристики которых приведены в данном разделе.

Будем полагать, что неподвижная (инерциальная) система координат

0{)X* У0, ориентирована следующим образом (рис.3). Начало отсчета находи

тся в

середине оси колесной пары, ось 0ОХО направлена горизонтально, а ось О0У0-по линии местной вертикали; с колесной тележкой связана система координат ОХУ, положение которой относительно О0Х0У0 определено углом /; с корпусом прибора связана система координат 0)Х}¥}, напало которой помещено в точку О^ которая является проекцией оси подвеса майтника на плоскость ХУ. Соответствующие оси систем координат ОХУ и О^X^ У^ параллельны. Расстояние от точки 01 до точки О равно Ь. Расстояние от центра тяжести С маятника до

точки равно-с/. Положение маятника н системе координат ОХ¥ определено углом (р между осыо ОУ и лпннсИ 0\ С. Ось подвеса маятника подвержена иибрации, которая определена виброперемещениями хв, , направленными соответственно вдоль осей ОХ, И о г,.

4 У'

Рис.3.К выводу уравнений движения маятника.

Будем полагать, что масса маятника П1 сосредоточена в точке С. Если углы <р и / малые, т.е. sill(р ~ COSi^ « COS/« 1, sin/«/, получим следующее уравнение движения маятника:

. md2<p + b(p + md(g-Ly2 +уд + xj + 2xj~

-yor2)<P = mdKL-d)r-gr + yay+2y0y+ (?)

+ XJ2 ~*J -Mosign(0 + у).

где Ъ- абсолютный коэффициент демпфирования маятника, Мв - модуль момента сил трения в подшипниках оси подвеса маятника.

После преобразований уравнения (3) можно найти динамические характеристики маятника:

2 Dt]

V =

1-^2(1 + 0,5 Lylld) Е,

-^/[bV(l + 0,5Ly] /d)2 +4D2tj2

(4)

(5)

где уд)СО - соответственно амплитуда и частота колебаний площадки, «а

которой установлен маятник; 6)д = " частота собственных колебаний

маятника; относительный (безразмерный) коэффициент

демпфирования маятника; I] — (О / О) - отношение частот; Е-, — 1 + (/, / <./ — Х)?}*.

Функции (¡.'Ц/ и Vявляются фазовой и амплитудной характеристиками маятника, которые отражают зависимость отношения входного сигнала к выходному от безразмерной "частоты" Г], расстояния Ь и коэффициента

демпфирования О. Графики расчётных значений этих функций приведены н четвёртом разделе работы вместе с графиками их экспериментальных значений, полученных при лабораторных исследованиях опытных образцов приборов.

На рис.4 представлено решение системы (3) для реальных конструктивных параметров прибора ИН-2.

Ъ<Р

Г

град

р

F

]az Щ

Гм рГб

рп? FT

.Г.!"---/ 1 / ч fb | ) ' 1! Л , | - - i'j 1 .... E

\ 1 i f i / f f ' \ I :

j , i / /1 V

.// , 7 : i Г' \ ; ; if \ s - 7

1 \ i j 11, \\Jr 'P

! , ; \ \\ ■

• 1 i i ll ■ A ii

V ■ : 1 • ! \ 7 \\ f // // ' ij ■

1 v\: \\

' • i ' / :

Го'

Рис.4.Расчёт угловых перемещений <p(t) маятника прибора Ш1-2 ц<>; воздействием колебаний основания y(t) с частотой 0,1 Гц и амплитудой 1 град npi отсутствии вибрации.

Математическая модель приборов прямого измерения отличается от уж< существующих тем,' что учитывает влияние условий эксплуатации, характерны? железнодорожным машинам, таких как совместное воздействие вибрации, углоиьп и переносных движений основания. Она позволяет создать прибор прямот; измерения, обеспечивающий требуемую точность измерений при существенна снижении стоимости (за счет использования отечественных технологии).

Чуны »тельным элементом (ЧЭ) прибора компенсационного типа с ми кр, (механическим акселерометром явлче1ся монокрис галлический маятник, киюрши предспн-.ляег собой массу на упругой "бачке".

Для вывода уравнений дин.'.'шш ЧЭ воспользуемся уравнениями Лагранжа 2-ю рода и следующей расчетной схемой (рис.5). Если центр тяжести маятника расположен ниже оси подвеса - маятник прямой, если центр тяжести маятника шли« оси подвеса - маятник обратный. Система координат ОХ0У0 - инерциальная и расположена в плоскости поперечного профиля железнодорожного пути, ось О)',> соммдает с /лишен местной вертикали. Система координат ОХУ связана с колесной тележкой и её положение относительно системы ОХ0У0 определено утлом у. Положение точка подвеса 01 (точка пересечения оси подвеса с нтч'косгыо ХУ ) определено координатой ООх ~ Ь. Динамическое положение маятника в системе осей ОХУ характеризуется координатами хг и 1/. Длина упругой балки 1 очка подвеса О, совершает виброперемехцеиия

.X , 1' вдоль осей ОХ,ОУ.

Рис. 5,1С выводу уравнений движения ЧЭ акселерометра.

С учётом обобщенных сил запишем уравнения движения маятников. - Прямой маятник:

+ аЗ-(хг + а9){у)г^+{кпхг + кУ1$)-\-а

= т[Ь{ + ув )у + тхв {у)г ~ тхв + Ъпулу\

+

.(/ + та2^9 + таХг -та(хг + аЭ\у) , + {кпхг + ки3)п^а$т(3 + у)+ кдахг + кду & = = та[Ьх + ув)у + тахв (у) - такв + 2тауву.

Обратный маятник:

к т/

■mgsm(3 + y)+kr!xr =

а

о)

= -т{Ь2 +уе)у- тх„(у)2 + тхв - 2тупу;

(/ + + тахг - «га(лг + аЗ)(у)2 + + \кпхг + кгг&)~ + ;/)+ кдахг + к;(уЭ =

= -та(Ь2 + ув )у - тахв {у) + тахе - 2тауеу.

где кду- абсолютные коэффициенты демпфирования для линейного и

кп =/с„ =~6£///2;

углового движения маятника,

кп=\2К1/Г

1121

/^22 ~ 4£У//- коэффициенты жёсткости;£ - модуль продольной упругое!и материала балки; J - момент инерции поперечного сечения балки относительно главной оси (£1/ - жёсткость балки на изгиб).

Графики решения системы уравнений (б) приведены на рис.6.

. Математическая модель приборов компенсационного типа с микромеханическим акселерометром полностью оригинальна и представляет не только теоретический, но и практический интерес для разработчиков микромеханических датчиков, поскольку впервые позволяет спроектировал» датчики для различных условий эксплуатации.

Теоретические расчёты позволили создать опытные обрпшы ннериналгнмх измерителей перемещений с .маятниковым чувствительным элементом. Результаты лабораторных и натурных экспериментальных исследований, проведенных с опытными образцами приборов прямого измерения и компенсационного Тина, позволяют говорить об адекватности разработанных математических .моделей.

' 1 : Угл-е до. (мяч) '. —- Ли«-е дь. (мк^) ! - Воэмушение Г

" "' : !

- .. - V . • . 1 : ' - Сиь^ондальноз возм. -. | Амплитуйй 1 град '1

1 . . 1 ■ • _ /• г Частота 0 Высота пенхв 1 Г» ; 3.001 н ч

X У*' ;

\ • А1':

1 ! •

У ;

- - ■ - Г Г' 1 ' Т. " ::: :\

- :---- — V---- "тгЬ --4——т-.

] - | : ' :

, 1- ¡4 Е Г> [П?..........ггт ¡Те (с •. . I?

/ ——►

Рис.6.Графики линейного Хг (/) и углового 19(/) перемещений прямого маятника под воздействием колебаний основания /(/) с частотой 0,1 Гц и амплитудой 1 градус при отсутствии вибрации.

Примечание.' Оцифровка вертикальной оси для графика возмущения дана в градусах, для углового перемещения^?^) в угловых минутах, для графика линейного перемещения хг(()в микрометрах.

В третьем разделе исследована работа инерциальных измерителей перемещении с гироскопическим чувствительным элементом при возмущениях, характерных железнодорожным машинам. Показано, что танковая гироскопическая вертикаль Г-222, серийно выпускаемая отечественной промышленностью, может быть использована в качестве инерциального измерителя перемещений для систем автоматики железнодорожных машин при её установке на измерительной тележке. Также показано, что трёхосная гироскопическая платформа ГП-1, разработанная на кафедре "Приборы управления" Тульского государственного университета, сможет эффективно работать на измерительной тележке и в составе скоростных путеизмерительных вагонов. Далее в этом разделе было рассмотрено современное состояние разработок систем автоматического управления железнодорожной машины, п состав которых включаются инерциальные измерители перемещений. Предложено устройство сопряжения измерителя и системы, опробованное при проведении лабораюриых и натурных экспериментов.

Прибор Г-222 реализует: типичную схему гировертикали с коррекцией 01 маятниковых чувствительных элементов (рис.7). Аегашческий гироскоп I с тремя степенями свободы, на внутренней рамке которого усинсжжгнм .мни маятниковых чувствительных элемента 5 и 6 спс!емы коррекции, я но осчм наружной и внутренней рамок карданова подвеса расположены коррекпиолнче двигатели 2,3. На осях карданова подвеса установлены датчики сьема показании 7./1

Ь 5 ч

Рис.7.К выводу уравнений движения гироскопической вертикали Уравнения движения гировертикали:

где П П

■мук/н

скорости нрецемш

гировертикали от моментов коррекции; О. = М хс / Н, О хс — - Д / и / / /

скорости прецессии гировертикали, вызванные моментами внешних сил

Максимальна;! погрешность прибора при действии постоянною ускорения

{Ч

где кр - максимальная скорость прецессии от коррекции по углу [>,ЛI' скорость горизонтальных перемещений; ускорение свободного падения

Зададим А V = 0,23 м/с (минимальная скорость движения желеиюдоро <кио машины). При кр 1=3 град/мин по формуле (9), получим: /?П13Х =15,53 у(л мин

Таким образом, прибор Г-222 имеет неудовлетворительные точностные характеристики (необходимая точность измерений 2,3 утл.мин.) и может быть исноиькшан лишь как индикатор наклона пути для осуществление экспресс-оценки состоянии железнодорожного полотна. Очевидная неработоспособность' жидкостных маятников-корректоров при воздействии на них вибрации обуславливает необходимость установки прибора на измерительной тележке, ынорая движется на некотором удалении от железнодорожной машины.

Па [шс.8 изображена кинематическая схема прибора ГП-1, преде пшлшошего собой трёхосный гироскопический стабилизатор (ТГС) на поплавковых итерирующих гироскопах (ИНГ).

Запишем уравнения движения ТГС первого приближения:

- А сох -»• Н1 р + кр р + М ж ~ 0;

- В(Ъу - II2 а - к р а + Ыу ~ 0;

- Ccbz -h Н3т + крт + Мг = 0;

- A J + Пг0у - Нгвхо - D0.d = -Ml -

. - Amr - //Д + lljyr - Dvi =-Mex-Myr.

1Де

А, В, C- моменты инерции ТГС относительно осей ОХ, OY и OZ i.ooibercTiieiHio; А/, Ац, Ащ - моменты инерции гироскопов относителыи собственных осей прецессии; //(,//2,//3 - кинетические моменты гироскопов a)1, ш.,, й>2- абсолютные угловые скорости поворотов ТГС относ ш ел ьн

географического трехгранника; р, О", 7-угл>л поворотов гироскопа» ошоснгечьно собственных осей прецеснии; 0Х, 9у, 9 • мг.;и>:е угли щм-.орота 'ГГС вокруг осей ОХ, ОТ и 02 соответственно; кр- крутизна моментной сгаи:чсскоП характеристики датчиков момента; £) О,- демпфирующие моменты но

осям прецессии соответствующих гироскопов; ММ М, - моменты внешних сил по осям подвеса ТГС; М"р, М^, моменты "енеп.'ннх сил по осш поднеси

гироскопов; , М}а, М'г - управляющие момситы г.о осям пог.-еесг г иросгздгоп. При гаомоническич возмущающих »сметах мокро чп::пс;и ь:

р » ~н{вх / вр = -цвх;сг« н2ду/д. = -иеу т* -ад тх = -¡,ог,

где /], 12, - передаточные числа ПИГоз. Подставим эти игра-нения и (10) и получим:

А д А - А

a, + lJjkér+b-i,oyJ<"

У 77 > Т) ~ У

(II)

В у В - у В

0,+Мь Л,

с с с

Опираясь на результаты расчстоз конструктивных параметров системы и данные натурных испытаний подобной системы на железной дороге, приведённые н литературных источниках, можно записать систему (11) б виде:

9Г +17,53^ +876,250, = 0,91 + 0,091 зш 0,006/* + 0,009 8т 6,28г;]

. Л Л Л |

9у + 60,980, + 3048,80,, = 3,05 + 0,3 Ып0,006? + 0,03ат 6.28/; \ (12)

9Z + 22,199, +1139,5(9. = 1,14 + 0,11 sin 0,006/ -:- 0,01 sin 6,28/,

По результатам решения системы уравнении (12) определено, чк> погрешность построения плоскости горизонта (0 , 0.) не превышает 0,2 угл.мии., а точность хранения азимутального направления (0,.) не хуже 2 угл.мпн.

Следовательно, прибор ГП-1 обеспечивает не: 'ходпмую гочносп, измерения . наклонов железнодорожного пути при его установке на пзмериюлычн'! тело-лкс, на некотором удалении от источников вибрации, опсенон для конарукшитн: целостности прибора, и в вагоне-лаборатории, на амортизированной или re.

Далее в этом разделе было рассмотрено сочре.меч; : сооюянне разрабоил систем автоматического управления железнодорожной маннпп,;.

Система автоматического управления пыпринь.он н;>;л п попегенп;)-профиле, которая устанавливается на и.-елез'шдоро/Г.'нмх .•! u::":n:< i .я отечественного, так и зарубежного произволе пи, опне'.:::;:.?: е; с. на рис.9 .

>

и, и£ ь'г„, ир д н

Р^АОуикцяепгльиая схема системы автоматического управления ы.:г:рл:у;ол луг;1. а К'.л.ер-члсм профиле.

и, - з;!:>:г;'.г«:;>а%1'н;к; - напряжение па выходе сумматора; Цм -нппрч/геп!:^ п. '.::.:.чо;:о ис. улхгора; и,, - наирямсикс на выход-; релейного усилителя; О - мехаги-.гхсв даалеч:^; II - г.исстд подхбчэ; £Х - угол отклонения от горизонта;

¡1Г.:;;>:глсн;>; на ¡.мхедз цски оодошсП связи.

Ссглл.чю з гоа с>:'лх% сигнал с ПИП поступает в ЭВМ. Для сопряжения ИИП с рп^п'битгдю устройство, предъявленное на рис.10, которое было

о;:р г.р>; кров еде:: аи лаС>сраюр«1ЫХ и иатурних -жепериментов.

Рис. ¡О.С.хеш сопряжения ннерциадьных измерителей перемещений (НИШ и

ИИП2) с ЗЗМ.

В четвёртом разделе рассмотрена методика и аппаратурная реализация лабораторных и натурных экспериментов, доказана адекватность разработанны> математических моделей, подтверждены удовлетворительные точностны« характеристики ИИП с маятниковым чувствительным элементом и результать аналитических исследовании I ировертикали Г-222 для условий эксплуатации характерных железнодорожным машинам.

Результаты лабораторных экспериментов с приборами (рис.1 ¡,12 подтвердили адекватность разработанных математических моделей: различи результатов расчетов и испытаний во всём диапазоне частот возмущений составило не более 15%.

Результаты сравнительных испытаний приборов ИИУ, ЕЫМЗЗ.ОО и ИН-иоказали, что наиболее перспективным маятниковым датчиком для измерен» поперечной нсгоризонтальности железнодорожного пути по точности, стоимости габаритам' является акселерометр ИИУ, но для его применения необходим влороишлита на частотах от 10 Гц и настройка прибора, которая обеспечи фильтрацию помех, не снижая высокой чувствительности измерительного канала.

"По результатам лабораторных экспериментов с гировертикалью Г-222 был вычислен<,1 уходи прибора от вертикали за период колебаний и показано, чт танковая I иросконнческая вертикаль Г-222, может быть использована как индикатс ;;ереа,ц!е юн иуги при ее установке па измерительной тележке.

1Т.5

(й

| (Ж

V 'щ

7 -►

Рис. 11.Амплитудные частотные характеристики прибора ШЛ"-¡33.00. 1-Ь=0,325м ; 2-Ь=0,29м; 3-Ь=0,255м; 4-Ь=0,22м ; 5-1>0,185м. ' аналитический расчет;) —- эксперимент.

Рис, 12. Амплитудные частотные характеристики прибора ИН-2. 1-ЬЮ,325м ; 2-Ь=0,29м; 3-Ь=0,255м ; 4-Ь=0,22м ; 5-Ь=0,185м.

' и- эксперимент.

аналитический расчет:

В заключении констатировано, что совокупность результатов, полученных на основе теоретических и экспериментальных исследований, может быть определена как повышение точности, и снижение стоимости инерциальных измерителей перемещений для систем автоматики железнодорожных машин.

В приложении приведены акты внедрения результата д:.ссср:;:ции.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Выполненные теоретические и экспериментальные исследования позволили решить научно-техническую задачу повышение точности И снижение стоимости инерциальных измерителей перемещений для систем автоматики железнодорожных машин. Достоверность 'теоретических выводов и их практическая полезность подтверждена внедрением результатов работы.

Решение указанной задачи опирается на следующие научные и практические результаты диссертационной раГ)о:ч;

1.Разработана и аналитически исследована математическая модель приборов прямого измерения.

2.Разработана и аналитически исследована математическая модель приборов компенсационного типа с микрочехапическим акселерометром.

?.Разработаны инерциалыше измерители перемещений с улучшенными показателями эффективности на основе полученных математических моделей

4.Идентифицированы математические модели по результатам лабораторных и натурных .лтерчмгьгов.

3.Лналнтичеот и экспериментально исследована работа гироскопических стаба'|(1зато'1оз.

б.Рс'.ультаты диссертационной работы были внедрены в учебный процесс кафедры "'¡'г.,!боры управления" Тульского государственного университета и и работу технической и сервисной служб АО "Тулажелдормаш".

Основное содержание диссертации опублнкорзио » следующих работах:

1.Гироскопическая платформа- для измерения углов наклонг железнодорожного пути .//XXIV Гагаринские чтения. Тезисы докдадог Всероссийское молодежной научной конференции. -М: МГАТУ.-1998,ч.5, с.116.

2.Гироскопическая платформа для измерения углов наклон: железнодорожного пути.//Управленне в технических системах. Материалы научно-технической конференции.-Ковров:КГТА,1998.-с.358.

3.Конверсионное использование. гироскопической техники на железно! дороге.//XXV Гагаринские чтения. Тезисы докладов Международной молодежно! научной конференции.-М: Изд-во "ЛАТМЭС",1999,Том 2.-С.767.

4.Позиционирование железнодорожного пути гироскопическим! приборами.//Тезисы дс .. ¡адов международной конференции, посвященной 150 лстню со дня рождеыш СЛ1Мосина.-Тула:Изд-во "РсНроникс ЛТД".-1999.-с. 14-15.

5.Позиционирование железнодорожного пути' гироскопическим! приборами .//Сборник тезисов докладов межвузовской научно-техиическо1

. конференции.-"!ула:ТВАИУ.-1999.-с.ЗЗ. '

6.Измерение геометрических параметров железнодорожного пуп гироскопическими системами.//Датчики и системы, № 9, 1999.-C.41-43.

7.Гироскопические системы - измерители геометрических параметре железнодорожного путиУ/Регнональная научно-техническая конференци "Проблемы 'проектирования и'производства систем и комплексов". Материал! докладов.-ТулГУ: Тула, 1999.-е.229-231.

Подписано в печать i 1 ., Формат бумаш 60x84 1/16. Бумага типографская № 2 Офсстная почать. Усл. веч. я. / . Усл. кр.-отт. ¿/ .Уч.юд.л. /, с

I при/К , , JivJ. Зшсал /.: t

'!> u.ikihi i осударстдчшмй университет. 300600, г. Тула, пр. Ленина, 92. I'v.iuKMiiniiim- и i.iiii с.-ц.скпи центр Тульского государственною университета. ^H'itdo, i. Ту.и*. y;i. iiit.'iTiiHn, 15!

1.СОСТОЯНИЕ РАЗРАБОТОК В ОБЛАСТИ ИНЕРЦИАЛЬНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ДЛЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ МАШИН.9 1.1 .Условия эксплуатации приборов в составе железнодорожных машин.

1.2.Анализ состояния разработок приборов.

1.3.Критаческий обзор публикаций по теме исследования.

1.4.Методы исследования.

1.5.ВЫВОД Ы.

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ИНЕРЦИАЛЬНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ С МАЯТНИКОВЫМ

ЧУВСТВИТЕЛЬНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ.

2.1 .Разработка математической модели и аналитическое исследование прибора прямого измерения.

2.2. Разработка математической модели и аналитическое исследование прибора компенсационного типа с микромеханическим акселерометром.

2.3.Разработка инерциальных измерителей перемещения с маятниковым чувствительным элементом.

2.4.ВЫВОДЫ.

3 .АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГИРОСКОПИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ И СОПРЯЖЕНИЕ ИНЕРЦИАЛЬНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ С СИСТЕМАМИ УПРАВЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ МАШИН.

3.1.Аналитическое исследование танковой гироскопической вертикали.

3.2.Аналитическое исследование трехосной гироскопической платформы.

3.3.Современное состояние разработок систем управления для железнодорожных машин.

3.4.Разработка устройства сопряжения инерциального измерителя перемещений с системой автоматического управления железнодорожной машины.

3.5.ВЫВОДЫ.

4 .ЛАБОРАТОРНЫЕ И НАТУРНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ

ИССЛЕДОВАНИЯ.

41 .Методика и аппаратурная реализация лабораторных и натурных экспериментальных исследований.

4.2.Анализ адекватности математической модели прибора прямого измерения.

4.3.Анализ адекватности математической модели прибора компенсационного типа.

4.4.Анализ адекватности математических моделей гироскопических приборов.

4.5.ВЫВОДЫ.

Россия имеет самую протяжённую и разветвлённую сеть железных дорог в мире. От исправного технического состояния пути зависят безопасность и бесперебойность движения составов, динамические нагрузки на их ходовые части. Исправление геометрических параметров железнодорожного полотна осуществляют путевые машины типа ВПО, ВПР, ДСП и др.

Важным элементом автоматической системы выправки пути, устанавливаемой на этих машинах, является инерциальный измеритель перемещений (ИИП), который определяет положение железнодорожного экипажа в системе координат, связанной с Землёй, и замыкает цепь обратной связи системы. Внедрение ИИП - необходимый этап автоматизации технологического процесса выправки железнодорожного пути, поскольку позволяет свести к минимуму участие в нём технического персонала, а следовательно, снизить затраты времени, финансовых и материальных ресурсов на данном производстве. Необходимо отметить, что использование ИИП способствует повышению безопасности движения железнодорожного транспорта, обеспечивая непрерывный автоматический контроль состояния пути. До этого дорожный мастер осуществлял выборочный контроль с помощью путеизмерительного шаблона.

Вместе с тем, создание прибора, предназначенного для работы в составе систем автоматики железнодорожных машин, является сложной научно-технической задачей. Измерение перемещений осуществляется в условиях трёхкомпонентной вибрации с амплитудой ускорения (5-%)% на частотах до 33 Гц по каждой компоненте, создаваемой рабочими органами ремонтных железнодорожных машин, а чувствительность измерительного прибора должна составлять не менее 2,3 угловых минут.

Совершенствование систем автоматики железнодорожных машин и ограниченные финансовые возможности их отечественных потребителей ставят вопрос о необходимости повышения эффективности ИИП. Повышение эффективности ИИП связано с повышением его точности, а также снижением стоимости ИИП и затрат на его эксплуатацию и техническое обслуживание. ИИП может быть создан на основе:

• физического маятника (прибор прямого измерения);

• акселерометра компенсационного типа (прибор компенсационного типа);

• гироскопа (гироскопический стабилизатор).

В настоящее время базовым измерителем негоризонтальности железнодорожного полотна является прибор Е1ЛЧ33.00 австрийской фирмы "РЫвег & ТЬеигег" реализующий прямую схему измерений. Основной недостаток прибора - высокая стоимость и затраты на техническое обслуживание. Он не приспособлен к российским климатическим условиям, поэтому обладает неудовлетворительной точностью.

В железнодорожной практике имеется опыт применения в качестве измерителя негоризонтальности прибора компенсационного типа серии ИПМ (завод "Сибтензоприбор", Россия). Он не рассчитан на железнодорожные условия эксплуатации и не обеспечивает необходимой точности измерений.

Таким образом, у отечественной железнодорожной промышленности существует потребность в достаточно точных и дешёвых ИИП.

Обзор литературы по теме диссертационной работы показал, что существует ряд публикаций, имеющих непосредственное отношение рассматриваемому кругу проблем. Однако, ещё не было проведено комплексного исследования ИИП, посвященного повышению их эффективности. Таким образом, актуальной является задача повышения эффективности инерциальных измерителей перемещений для систем автоматики железнодорожных машин.

На основании изложенного, целью диссертационной работы является повышение точности и снижение стоимости инерциальных измерителей перемещений для систем автоматики железнодорожных машин.

Указанная цель требует постановки и решения следующих научно-технических задач:

1. Разработка и аналитическое исследование математической модели приборов прямого измерения.

2.Разработка и аналитическое исследование математической модели приборов компенсационного типа с микромеханическим акселерометром.

3.Разработка инерциальных измерителей перемещений с улучшенными показателями эффективности на основе полученных математических моделей.

4.Идентификация математических моделей по результатам лабораторных и натурных экспериментов.

5. Аналитическое и экспериментальное исследование работы гироскопических стабилизаторов.

Практической разработке сформулированных задач посвящена данная работа, состоящая из введения, четырёх разделов и включения.

В первом разделе проанализированы условия эксплуатации приборов в составе железнодорожных машин, проведён обзор состояния теоретических исследований и практических разработок в области инерциальных измерителей перемещений для систем автоматики железнодорожных машин, описаны методы исследований, применённые в работе. Показано, что разработка таких приборов требует проведения теоретических и экспериментальных исследований, направленных на получение адекватных математических моделей для условий эксплуатации, характерных железнодорожным машинам.

Во втором разделе разработаны математические модели и аналитически исследованы инерциальные измерители перемещений с маятниковым чувствительным элементом, реализующие прямой и компенсационный метод измерений. Предварительные расчёты позволили создать опытные образцы приборов, технические характеристики которых приведены в данном разделе.

В третьем разделе исследована работа инерциальных измерителей перемещений с гироскопическим чувствительным элементом при возмущениях, характерных железнодорожным машинам. Показано, что танковая гироскопическая вертикаль Г-222, серийно выпускаемая отечественной промышленностью, может быть использована в качестве инерциального измерителя перемещений для систем автоматики железнодорожных машин при её установке на измерительной тележке. Также показано, что трёхосная гироскопическая платформа ГП-1, разработанная на кафедре "Приборы управления" Тульского государственного университета, сможет эффективно работать на измерительной тележке и в составе скоростных путеизмерительных вагонов. Далее в этом разделе было рассмотрено современное состояние разработок систем автоматического управления железнодорожной машины, в состав которых включаются инерциальные измерители перемещений. Предложено устройство сопряжения измерителя и системы, опробованное при проведении лабораторных и натурных экспериментов.

В четвёртом разделе рассмотрена методика и аппаратурная реализация лабораторных и натурных экспериментов с инерциальными измерителями перемещений, проанализированы их результаты, доказана адекватность разработанных математических моделей, подтверждены удовлетворительные точностные характеристики инерциальных измерителей перемещений с маятниковым и гироскопическим чувствительными элементами для условий эксплуатации, характерных железнодорожным машинам.

В заключении констатировано, что совокупность результатов, полученных на основе теоретических и экспериментальных исследований, может быть определена как повышение эффективности инерциальных измерителей перемещений для систем автоматики железнодорожных машин.

Общая методика исследования При решении поставленных задач применялись методы теоретической механики [4,54], теории гироскопических приборов [10,21,23], теории колебаний [18,24,25,33,34,44,53], теории автоматического управления [2,22,27], высшей математики и ее специальных глав [15,20,52] в сочетании с лабораторными и натурными экспериментальными исследованиями.

Научная новизна работы: 1 .Разработана адекватная математическая модель прибора прямого измерения, позволяющая создать опытные образцы прибора с улучшенными показателями эффективности.

2. Разработана адекватная математическая модель прибора компенсационного типа, позволяющая создать опытные образцы прибора с улучшенными показателями эффективности. 8

3. Исследованы гироскопические стабилизаторы для условий эксплуатации, характерных железнодорожным машинам и скоростным вагонам-лабораториям, и показана возможность их использования в качестве измерителей перемещений на железной дороге.

Практическая ценность работы:

1 .Разработаны адекватные математические модели инерциальных измерителей перемещений с маятниковым чувствительным элементом, позволяющие создать опытные образцы приборов с улучшенными показателями эффективности.

2.Показана возможность использования стандартной гироскопической вертикали Г-222 и трёхосной гироскопической платформы ГП-1 в составе систем автоматики железнодорожных машин и скоростных путевых лабораторий.

Научные положения, выносимые на защиту:

1.Математическая модель прибора прямого измерения.

2. Математическая модель прибора компенсационного типа с микромеханическим акселерометром.

3. Результаты исследования гироскопических стабилизаторов для условий эксплуатации, характерных железнодорожным машинам и скоростным путеизмерительным вагонам.

Диссертация выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ кафедры "Приборы управления" Тульского государственного университета. Результаты диссертационной работы были внедрены в учебный процесс кафедры "Приборы управления" Тульского государственного университета и в работу технической и сервисной служб АО "Тулажелдормаш "„ Н- I якжс опубликованы в печати и на различных научно-технических конференциях гг.Тулы, Москвы, Коврова [41,45-50 ). 9

4.5.ВЫВОДЫ.

1 .Маятниковые измерители.

Ы.Фазоьые частотные характеристики маятников Е1ЛЧ 33.00 и ИН-2 показали их идентичность, а амплитудно-частотные характеристики оказались лучше у ИН-2 и ИИУ. Причем погрешность измерений у ИН-2 по сравнению с базовым прибором ЕЬТ-133.00 меньше вдвое, а у акселерометра ИИУ есть возможность уменьшения погрешности по сравнению с базовым втрое.

2.Воздействие вибрации приборы [а/Г-133.00 и ИН-2 практически не

103 ощущают, а прибору ИИУ, начиная с частоты 10 Гц, необходима виброзащита.

1.3 .Наиболее перспективным маятниковым датчиком для измерения поперечной негоризонтальности железнодорожного пути по точности, стоимости и габаритам является акселерометр ИИУ, но для его применения необходима виброзащита на частотах от 10 Гц и настройка прибора, которая обеспечит фильтрацию помех, не снижая высокой чувствительности измерительного канала.

2.Гировертикаль (Г-222).

2.1 .Амплитудно-частотные характеристики прибора Г-222 говорят о высокой степени инерционности этой гироскопической системы, которая на резонансной частоте ВЛ практически нечувствительна к колебаниям основания, т.е. погрешность измерений угла отклонения BJI от вертикали практически равна его амплитуде.

2.2.Максимальные уходы гировертикали по осям подвеса наружной и внутренней рамок составили 10 и 13 угл.мин. соответственно за одну минуту необходимую для отработки ошибки коррекционным двигателем, что на порядок больше допустимых значений (см.Введение).

2.3.Испытания на вибростенде выявили необходимость обеспечения виброзащиты прибора на частотах от 10 Гц.

2.4.Точность стабилизации географической системы координат гировертикалью Г-222 можно улучшить, исключив из системы коррекции жидкостные маятниковые датчики и усилив демпфирование колебаний гироскопа.

2.5.Для получения информации об угловом движении вагона-лаборатории наиболее перспективной является система, в которой гироскопический прибор (трехосный гиростабилизатор) создает инерциальную систему координат, а акселерометры устанавливаются на гиростабилизированной платформе и измеряют угловые перемещения относительно нее.

104

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

О первом разделе работы было установлено, что возмущения, обусловленные железнодорожным путём, можно описывать детерминировано и стохастически. Случайная составляющая возмущений приближенно сводится к приведённым аналитическим зависимостям.

Анализ разработок приборов для систем автоматики железнодорожных машин и обзор публикаций по теме исследования показал, что синтез приборов с улучшенными показателями эффективности требует проведения теоретических и экспериментальных исследований, направленных на получение адекватных мшемати ческих моделей для условий эксплуатации, характерных железнодорожным маши нам. Построение математических моделей приборов осуществлено на основе широко известных аналитических и машинно-аналитических методов, проверка их адекватности - по результатам анализа лабораторных и натурных экспериментов.

Приведённая во втором разделе математическая модель приборов прямого измерения отличается от уже существующих тем, что учитывает значительное влияние условий эксплуатации, характерных железнодорожным машинам, таких как совместное воздействие вибрации, угловых и переносных движений основания, что наглядно показано на приведенных графиках.

Математическая модель приборов компенсационного типа с микромеханическим акселерометром полностью оригинальна и представляет не только теоретический, но и практический интерес для разработчиков микромехапических датчиков, поскольку впервые позволяет рассчитать динамические характеристики чувствительного элемента и спроектировать датчики для различных условий эксплуатации.

Теоретические расчёты позволили создать опытные образцы инерциальных измерителей перемещений с маятниковым чувствительным элементом. Результаты лабораторных и натурных экспериментальных исследований, проведенных с опытными образцами приборов прямого измерения и компенсационного типа, позволяют говорить об адекватности

105 разработанных математических моделей.

В третьем разделе были рассмотрены гироскопические приборы и сопряжение инерциальньтх измерителей перемещений с системой управления железнодорожной машины. Математические модели гировертикалей типа Г-222 достаточно широко представлены в специальной литературе, но негде не рассматривались железнодорожные условия эксплуатации прибора. Проведенный в работе анализ точностных характеристик гировертикали для этих условии позволяет рекомендовать прибор в качестве индикатора наклонов железнодорожного пути при его установке на измерительной тележке, которая движется на некотором удалении от железнодорожной машины и не испытывает вибрационных перегрузок.

Гироскопическая система, которая включает в себя инерциальный модуль на базе трехосного гироскопического стабилизатора с тремя поплавковыми интегрирующими гироскопами и двумя поплавковыми акселерометрами интегральной коррекции, позволяет в полной мере решить возлагаемую на нее задачу и построить на боргу вагона-лаборатории или измерительной тележки географический трехгранник с заданными точностями.

Современное состояние разработок систем управления для железнодорожных машин характеризуется повышением эффективности всех элементов систем, отвечающих за качество ремонтных работ, в том числе, и за точность измерений негоризонтальности пути. Для этого модифицируются традиционные иперциалыпле измерители с маятниковым чувствительным элементом, в ряде случаев имеется возможность применения гироскопических приборов.

Устройство сопряжения инерциального измерителя перемещений с системой автоматического управления железнодорожной машины, разработанное в рамках данной работы, было опробовано при записи в ЭВМ результатов лабораторных исследований. Выбранное схсмотсхничсскос решение обеспечивает высокую точность и надёжность измерений для

106 рассматриваемой группы датчиков.

В четвёртом разделе были рассмотрены результаты лабораторных и натурных экспериментальных исследований.

Фазовые частотные характеристики маятников ЕЬТ-133.00 и И11-2 показали их идентичность, а амплитудно-частотные характеристики оказались лучше у ИН-2 и ИИУ. Причем погрешность измерений у ИН-2 по сравнению с базовым прибором ЕЬТ-133.00 меньше вдвое, а у акселерометра ИИУ есть возможность уменьшения погрешности по сравнению с базовым втрое. Воздействие вибрации приборы ЕЬТ-133.00 и ИН-2 практически не ощущают, а прибору ИИУ, начиная с частоты 10 Гц, необходима виброзащи'ш. Наиболее перспективным маятниковым датчиком для измерения поперечной не! оризошальности железнодорожного пути по точности, стоимости и габаритам является акселерометр ИИУ, но для его применения необходима виброзащита на частотах от 10 Гц и настройка прибора, которая обеспечит фильтрацию помех, не снижая высокой чувствительности измерительного канала.

Эксперименты с гироскопической вертикалью Г-222 дали следующие результаты. Амплитудно-частотные характеристики прибора говорят о высокой степени инерционности этой гироскопической системы, которая на резонансной частоте вагона-лаборатории практически нечувствительна к колебаниям основания, т.е. погрешность измерений угла отклонения вагона-лаборатории от вертикали практически равна его амплитуде. Максимальные уходы гировертикали по осям подвеса наружной и внутренней рамок составили 10 и 13 угл.мин. соответственно за одну минуту необходимую для отработки ошибки коррекционпым двигателем, что на порядок больше допустимых значений. Испытания на вибростенде выявили необходимость обеспечения виброзащиты прибора на частотах от 10 Гц. Точность стабилизации географической системы координат гировертикалью Г-222 можно улучшить, исключив из системы коррекции жидкостные маятниковые датчики и усилив демпфирование колебаний гироскопа.

107

Для получения информации об угловом движении вагона-лаборатории наиболее перспективной является система, в которой гироскопический прибор (трехосный гиростабилизатор) создает инерциалъную систему координат, а акселерометры устанавливаются на гиростабилизированной платформе и измеряют угловые перемещения относительно нее.

Резюмируя всё вышеизложенное, можно сказать, что теоретические исследования, осуществлённые в начале работы, позволяют обосновать необходимость повышения эффективности инерциальных измерителей перемещений для систем автоматики железнодорожных машин и наметить пути решения этой проблемы. Математическое моделирование и аналитические исследования рассматриваемой группы приборов является основой для создания датчиков с улучшенными показателями эффективности. Адекватность математических моделей проверена с помощью лабораторных и натурных экспериментов.

Таким образом, совокупность результатов, полученных на основе теоретических и экспериментальных исследований, может быть определена как повышение эффективности инерциальных измерителей перемещений для систем автоматики железнодорожных машин.

108

1. Амелин C.B., Андреев Г.Е. Устройство и эксплуатация пути. М.: Транспорт, 1986.

2. Бессекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1975.

3. Будкин В.Л., Паршин В.А, Прозоров С.А., Саломатин А.К., Соловьёв В.М. Разработка кремниевых датчиков первичной информации для систем навигации и управления. //Гироскопы и навигация. С. Пб., №1, 1998.

4. Бутекин H В., Лунц Я.Л., Меркин Д.Р. Курс теоретической механики Т 2 -М.: Наука, 1971.

5. Ваганов В.И. Интегральные преобразователи. М.: Энергоатомиздат, 1983.

6. Вавилов В.Д., Поздяев В.И. Конефуирование инте1ральных датчиков. М.: Изд. МАИ, 1993.

7. Вериго М.Ф., Коган А.Я. Взаимодействие пути и подвижного состава. М.: Транспорт, 1986.

8. Волков В.Н. Путевое хозяйство. М.: Транспорт, 1984.

9. Выправочно-подбивочно-отделочная путевая машина ВПО-ЗООО/ Под ред. Е.Р. Иванова. -М.: Транспорт, 1976.

10. Ю.Гироскопические системы. Гироскопические приборы и системы.: Учебник для вузов./Д.С.Пельпор, И.А.Михалёв, В.Д.Бауман и др./Под ред. Д.С.Пельпора.-М.:Высш.шк., 1988.

11. Гришин В.В., Кузнецов Ю.Е., Насибулин Р.Н., Распопов В.Я. Возмущения, обусловленные железнодорожным путем и приборы для их измерения (аналитический обзор). // Оборонная техника, 1996. №10-11.

12. Гуленко Н.Н., Фомин В.В. Механизация и автоматизация путевых работ за рубежом. М.: Транспорт, 1975.

13. Данилкин И.Е. Устройство и эксплуатация рихтовочных и выправочных машин. М: Транспорт, 1986.

14. Жслсзнодорожный путь и его содержание. / Под ред. Яковлевой. М.: МИИТ, 1982.109

15. Иванов Ю.В., Кузнецов Ю.Е. Неканоническое спектральное разложение колебаний подвижных объектов // Оборон. Техника, 1995. №8.

16. Исаев К.С. и др. Маптнизация текущего содержания пути. М.: Транспорт, 1981.

17. Канушин В.М., Окон И.М. Система гироскопической стабилизации для железнодорожного транспорта.// Судостроит. пром-сть, 1992.-№4.

18. Капица П.Л. Маятник с вибрирующим подвесом. Успехи физ. наук. т. 44., в. 1, 1951.

19. Коновалов С.Ф. Теория виброустойчивости акселерометров. М.: Машиностроение, 1991.

20. Крылов А.Н. О некоторых дифференциальных уравнениях математической физики имеющих приложения в технических вопросах. М-Л.: Гостехиздат, 1950.

21. Кудревич Б.И. Дополнительные вопросы теории гирокомпасов и гировертикалей.-Л.: Военмориздат, 1945.

22. Кудряшов Э.А. Моделирование частотных характеристик емкостных интегральных акселерометров.// Датчики и системы. 1999, №1.

23. ЛунцЯ.Л. Ошибки гироскопических приборов. Л.: Судостроение, 1968.

24. Магнус К. Колебания. М : Мир, 1952.

25. Мандельштам Л И. Лекции по теории колебаний-М.: Наука, 1972.

26. Малицкий Л.Я., Ушаков С.Н. Путевые машины железнодорожного транспорта.-М.: Высш, шк., 1972.

27. Математическое моделирование колебаний рельсовых транспортных средств./ Под ред. В.Ф. Ушкалова. Киев: Наукова думка, 1989.

28. Машины и механизмы для путевого хозяйства./ Под ред. С.А.Соломопова -М.: Транспорт, 1984.

29. Наек В.А. Путевые машины и механизмы для работы с элементами верхнего строения пути. М.: НИИ информтяжмаш, -1976.

30. Насибулин Р.Н., Распопов В.Я. Научные основы разработки маятниковых измерителей негоризонтальности железнодорожного пути. И Оборонная110техника. -1996. -№10-11.

31. Никитин Е.А., Балашова А.А. Проектирование дифференциальных и интегрирующих гироскопов и акселерометров. М.: Машиностроение, 1969.

32. Новые путевые машины подбивочно-выправочные и рихтовочные ВПР-1200, ВПРС-500, ИР-2000./ Под ред. Ю.П. Сырейщикова. М.: Транспорт, 1984.

33. Пановко Я.Г., Губанова И.И. Устойчивость и колебания упругих систем. -М.: Наука, 1967.

34. Пановко Я.Г. Основы прикладной теории упругих колебаний. М.: Машиностроение, 1967.

35. Попович М.В., Болотин В.А., Уралов В.П., Волкодойнов Б.Г. Механизированная выправка и подбивка железнодорожного пути. Ленишрад: ЛИИЖТ, 1984.

36. Путевые машины / Под ред. С.А. Соломонова. М.: Транспорт, 1985.

37. Патент США. №3702073, 1972 (Акселерометр).

38. ЗБ.Патент №2028000 (РФ) Компенсационный акселерометр (В.И. Баженов, И.В. Вдовенко, В.А. Разинов, В.М. Соловьев)//Б.И. 1995.

39. Патент №2039994 (РФ) Компенсационный акселерометр (В.И. Баженов, И.В. Вдовенко, В А. Разинов, В.М. Соловьев)//Б.И. 1995.

40. Распопов В.Я., Иванов Ю.В., Зотов С.А. Датчики уровня систем управления выправочных железнодорожных машин. // Датчики и системы, 1999 №7.

41. Распопов В.Я., Титаев В.Е. Измерение геометрических параметров железнодорожного пути гироскопическими системами.//Датчики и системы, 1999.-№9.

42. Синельников А.Е. Уходы маятника на вибрирующем основании в случае действия эллиптической вибрации // Изв. АН СССР. Механика, 1965. № 6. 43 Сотников Е.А. Железные дороги мира из XIX в XXI век. М.: Транспорт, 1993.

43. Случайные колебания / Под ред. С. Кревделла. М.: Мир, 1967.

44. Титаев В.Е. Гироскопическая платформа для измерения углов наклона111железнодорожного путиУ/XXlV Гагаринские чтения. Тезисы докладов Всероссийской молодежной научной конференции. М: Изд-во МГАТУ, 1998, ч.5.

45. Титаев В.Е. Гироскопическая платформа для измерения углов наклона железнодорожного пути.//Управление в технических системах. Материалы научно-технической конференции.-Ковров: КГТА, 1998.

46. Титаев В.Е. Конверсионное использование гироскопической техники на железной дороге.// XXV Гагаринские чтения. Тезисы докладов Международной молодежной научной конференции. М: Изд-во "ЛАТМЭС'Л999.Том 2.

47. Титаев В.Е. Позиционирование железнодорожного пут гироскопическими приборами.//Тезисы докладов международной конференции, посвященной 150-летию со дня рождения С.И.Мосина.-Тула:Изд-во "Репроникс ЛТД", 1999.

48. Титаев В.Е. Позиционирование железнодорожного пути гироскопическими приборами.//Сборник тезисов докладов межвузовской научно-технической конференции.-Тула:ТВАИУ, 1999.

49. Титаев В.Е. Гироскопические системы измерители геометрических параметров железнодорожного пути.//Региональная научно-техническая конференция "Проблемы проектирования и производства систем и комплексов". Материалы докладов.-ТулГУ: Тула, 1999.

50. Туровский И.Я., Белый В.И. Электробалластер с полуавтоматическим рихтовочным устройством. -М.: Транспорт, 1974.

51. Ушкалов В.Ф., Резников Л.М., Редько С.Ф. Статистическая динамика рельсовых экипажей. Киев: Наукова думка, 1982.53 .Филиппов А.П. Колебания деформируемых систем. М.: Машиностроение, 1970.

52. Яблонский A.A. Курс теоретической механики, ч. 2. М,: Высшая школа, 1963.и1. УТВЕРЖДАЮ1. Проректор по НИР1. АКТвнедрения результатов кандидатской диссертации Титаева В.Е. в учебный процесс Тульского государственного университета.

53. Использование результатов диссертационной работы Титаева В.Е. в учебном процессе способствует нов

54. Декан факультета МиСУ Зав. кафедрой ПУ

55. Председатель научно-методического совета факультета МиСУ1. И. К. Хапкина1. Генеральный директору^кЛМз Ю.З.Тарасов Шш/ 2000г.1. АКТвнедрения результатов кандидатской диссертации Титаева В.Е. в работу технической и сервисной служб АО "Тулажелдормаш".

56. Заместитель технического директора1. АО "Тулажеддормаш1. Начальник отдела сер1. АО "Тулажелдормаш

57. Аспирант кафедры "Приборы управления"

58. Тульского государственного университета .Титаев