автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.03, диссертация на тему:Интегрированные инерциальные технологии динамического мониторинга рельсового пути

На правах рукописи

Боронахин Александр Михайлович

ИНТЕГРИРОВАННЫЕ ИНЕРЦИАЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ДИНАМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА РЕЛЬСОВОГО ПУТИ

Специальность: 05.11.03 — Приборы навигации

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

г 8 НОЯ 2013

Санкт-Петербург - 2013

005540477

005540477

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)» на кафедре лазерных измерительных и навигационных систем

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор

Филатов Юрий Владимирович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор,

заведующий кафедрой «Вагоны и вагонное хозяйство»

Петербургского государственного университета путей сообщения

Боровенко Юрий Павлович

доктор физико-математических наук, профессор, профессор кафедры «Физики и механики»

Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического

приборостроения

Лестев Александр Михайлович

доктор технических наук

начальник отдела, ученый секретарь ОАО «Концерн „ЦНИИ "Электроприбор» Литманович Юрий Аронович

Ведущая организация:

ООО Научно-производственный комплекс «Электрооптика» (г. Москва)

Защита состоится «25» декабря 2013 г. в 16.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.238.06 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, г. Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5, ауд. 5108.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «19» ноября 2013 г.

Учёный секретарь совета,

доктор технических наук, профессор

Е.М. Антонюк

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследования определяется сохраняющейся тенденцией роста грузоперевозок, а следовательно, и интенсивности движения по железным дорогам, что в условиях развития высокоскоростного транспорта предъявляет более жесткие требования к методам и средствам диагностики текущего состояния рельсового пути. При этом вопросам динамического взаимодействия ж.д.-состава и пути должно быть уделено особое внимание, так как степень упругих деформаций рельсовых нитей непосредственно сказывается на достоверность результатов измерений геометрических параметров.

Степень ее разработанности

При анализе динамического взаимодействия ж.д.-состава и рельсового пути рассматриваются различные кинематические схемы колебательных систем вагона и пути, в большинстве случаев представляющие собой дифференциальные уравнения 5-го и более высоких порядков. Это приводит к трудностям в реализации их решений в режиме реального времени. С другой стороны, благодаря стремительному развитию вибро- и ударопрочных микромеханических гироскопов (ММГ) и акселерометров (ММА) и возможности построения миниатюрных трехосных микромеханических модулей (ММ), устанавливаемых непосредственно на крышки подшипников колесных пар, становится возможным выполнять измерения результирующих сил такого взаимодействия непосредственно в точках контакта «колесо-рельс». В свою очередь это позволит снизить порядок дифференциальных уравнений, описывающих колебательное движение элементов вагона (колесной пары, рамы тележки и кузова вагона) и получить теоретико-экспериментальное обоснование требований к бесплатформенной инерциальной навигационной системе (БИНС) в зависимости от места ее установки. В последующем такой подход даст возможность выполнять пересчет деформации пути, возникающей в процессе движения путеизмерительного вагона, к ситуации, когда по контролируемому участку будет следовать грузовой состав, обладающий существенно большей массой по сравнению с путеизмерительным вагоном (ПВ).

Одним из эффективных путей развития систем диагностики является оснащение подвижных единиц (вагона или локомотива) регулярно курсирующих составов малогабаритными комплексами среднего класса точности с различной степенью автономности, контролирующих основные геометрические параметры пути. С одной стороны это экономически более привлекательно, чем производство дорогостоящего оборудования высокоточного ПВ, требующего, в том числе привлечения группы сотрудников для его обслуживания, с другой стороны, благодаря сопоставлению результатов от проезда к проезду, становится возможным выявление участков пути с тенденцией к развитию дефектов. Тогда ремонтные работы по такому участку могут быть выполнены заблаговременно до возникновения ситуаций, требующих снижения скоростного режима или закрытия движения.

В настоящее время наиболее эффективным средством мониторинга рельсового пути остаются путеизмерительные комплексы на базе пассажирских вагонов, включаемые в составы регулярно курсирующих поездов. При этом для построения базовой системы координат, в которой производятся измерения основных геометрических параметров пути, используется интегрированная система ориентации и навигации (ИСОН), в состав которой традиционно входят БИНС, спутниковая навигационная система (СНС) и датчик

(ДП) [1]. Однако, учитывая относительно небольшое количество подобных комплексов как в России, так и за рубежом, в качестве БИНС, привлекаются системы изначально спроектированные для морского или воздушного транспорта. Поэтому алгоритмы функционирования таких ИСОН в недостаточной мере адаптированы к условиям эксплуатации на железной дороге. В частности, задача навигации на рельсовом пути, определяющем квазипостоянную траекторию движения, сводится к определению не географических координат, а величины пройденной дистанции 5. Основным источником информации об этом параметре выступает ДП, в основе которого используется датчик угла поворота колеса (одометра). Соответственно для построения эффективного алгоритма функционирования ИСОН требуется знание математической модели его погрешностей, которая характеризуется как инструментальными погрешностями - уменьшение диаметра колеса в процессе эксплуатации, так и его проскальзыванием в результате динамических процессов взаимодействия вагона и рельсового пути, приводящим, в том числе, к упругим деформациям последнего. Это приводит к проблеме воспроизводимости решения задачи локализации обнаруживаемых дефектов.

Особое внимание в процессе производства инерциальных измерительных модулей (НИМ) и БИНС уделяется вопросам их калибровки и испытаний. При этом разработчики руководствуются стандартами ШЕЕ, носящими рекомендательный характер и предусматривающими использование в качестве испытательного оборудования одно-, двух- и трехосных стендов в режимах угловых позиционирований и вращений с постоянными угловыми скоростями. Однако вполне логичным являлось бы выполнять испытания в режимах близких к условиям последующей эксплуатации на объекте. При этом в большинстве случаев речь идет о движениях с квазигармоническими угловыми колебаниями. В условиях инфраструктуры железной дороги ИИМ подвержен не только изменениям температуры, но и существенным электромагнитным помехам.

Указанный комплекс проблем составил предмет данной диссертационной работы и определил ее цель.

Цель работы - решение научно-технической проблемы разработки новых принципов построения систем динамического мониторинга рельсового пути, в основе которых используются последние достижения интегрированных инерциальных технологий.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1. Анализ методов и средств диагностики рельсового пути и формулирование тенденций развития путеизмерительных средств в условиях высокоскоростного движения, опираясь на последние достижения технологий инерциальной и спутниковой навигации и геоинформационных систем (ГИС).

2. Разработка концепции построения ИСОН для задач диагностики рельсового пути.

3. Разработка математического описания динамического взаимодействия рельсового пути и подвижного состава для формулирования требований к техническим характеристикам инерциальных систем, используемых в составе путеизмерительных средств.

4. Разработка системы диагностики рельсового пути с использованием микромеханических датчиков.

5. Анализ методов калибровки ИИМ и оценка эффективности комплексирования показаний ИИМ и испытательного стенда в режимах квазигармонических колебаний.

6. Формулирование требований к испытательному оборудованию для калибровки инерциальных датчиков и систем на их основе, а также разработка методики его поверки.

Научная новизна проведенных исследований заключается в том, что в ходе их выполнения:

- разработана концепция построения ИСОН для задач диагностики рельсового пути;

предложена математическая модель динамического взаимодействия вагона и рельсового пути;

разработана система диагностики импульсных неровностей рельсовых нитей;

предложен и разработан новый метод высокоточной привязки результатов контроля рельсовых нитей к пройденному пути на основе интегрированной системы ДП/БИНС/СНС/ММ, позволяющий создать геоинформационную базу данных состояния пути;

проанализированы традиционные и предложены новые динамические методы калибровки ИИМ в режимах квазигармонических колебаний.

Теоретическая значимость работы заключается в обобщении опыта построения комплексов для диагностики состояния рельсового пути, модернизации существующих и разработки новых алгоритмов их функционирования, предполагающих более эффективное использование потенциальных возможностей систем инерциальной навигации и ориентации.

Практическая значимость работы:

Сформулированы требования к техническим характеристикам ММА и ММГ для построения ИИМ, устанавливаемых непосредственно на крышки подшипников колесных пар. Это позволило уточнить перечень обобщенных координат достаточных для создания математической модели, описывающей колебательные движения элементов вагона. Сформулированы требования к БИНС, установленной на раме тележки;

Разработан способ бесконтактного измерения относительного положения кузова вагона и рамы железнодорожной тележки, обеспечивающий контроль угловых перемещений с точностью 1' и линейные 1 мм, что является достаточным для приведения показаний СНС к месту расположения БИНС на раме тележки;

Разработана и реализована инерциальная система диагностики рельсового пути на микромеханических чувствительных элементах, позволившая автоматизировать процесс выявления дефектов поверхности катания рельсовых нитей и колес;

Разработаны методы и алгоритмы высокоточной привязки результатов контроля к пройденной дистанции, базирующиеся на построении ИСОН на рельсовом пути, объединяющей ДП, ИНС, СНС и ММ, которые позволяют обеспечить независимость результатов измерений от изменения скорости движения и локализовать обнаруженные дефекты с погрешностью 0,5 м на 20 км пути;

Разработаны и апробированы методы динамической калибровки гироскопов и акселерометров, позволяющие обеспечить наблюдаемость всех параметров модели нескомпен-сированных погрешностей соответствующих датчиков, а также реализовать их калибровку в заданном (рабочем) диапазоне угловых скоростей;

Разработан и реализован бесконтактный способ оценки отклонения от перпендикулярности двух осей стенда для случая, когда к ним отсутствует физическая доступность (невозможен монтаж измерительной аппаратуры).

Методология и методы исследования базируются на общей теории инерциальной навигации и теории интегрированных навигационных систем, теории измерений, теории точности, теории оптимальной обработки информации, теории кинематики и динамики твердого тела, теории колебаний, аналитической механике и векторной алгебре, теории случайных процессов и статистических методах их анализа, методах математического и имитационного моделирования.

В результате проведенных исследований получены следующие основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Концепция построения системы динамического мониторинга рельсового пути, использующая ММ в качестве измерителей результирующих сил в точках контакта «колесо-рельс», позволяет повысить степень воспроизводимости результатов вне зависимости от скорости и массы вагона.

2. Математическое описание динамического взаимодействия рельсового пути и подвижного состава, предполагающее использование в качестве измерителей результирующих сил в точках контакта «колесо-рельс» показания ИИМ на МЭМС, дает возможность сформулировать требования к БИНС при ее установке на раме тележки.

3. Система диагностики неровностей рельсового пути с использованием ММ создает предпосылки для автоматизации процедуры выявления не только дефектов поверхности катания рельс, но и колес измерительной тележки, что также повышает точность измерений традиционными хордовыми методами.

4. Комплексирование ДП/БИНС/СНС с привлечением в качестве дополнительных навигационных отметчиков (НО) - стыки, стрелочные переводы и пр., позволяет сформировать единую для всех ПВ геоинформационную базу состояния рельсового пути, которая может быть использована в дальнейшем, как для коррекции инерциальных систем, так и для формирования прогноза развития дефектов.

5. Динамические методы калибровки, предполагающие комплексирование показаний ИИМ и испытательного стенда при квазигармоническом изменении угловых скоростей с прохождением через угловые положения, используемые традиционными методами, обеспечивают наблюдаемость и требуемую точность всех искомых параметров модели погрешностей при существенном сокращении времени испытаний.

Степень достоверности и апробации результатов.

Достоверность результатов исследований определяется их использованием при создании следующих измерительных комплексов:

1. Малогабаритная инерциальная система диагностики рельсового пути (МИСД РП-М) (ОАО «Радиоавионика»);

2. Блок интеграции БИ-1.0 данных БИНС, СНС и ДП (Группа компаний ТВЕМА);

3. Стенд для испытаний инерциальных навигационных систем СИ ИНС (ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»);

4. Стенды двухосные автоматизированные СДА-15, СДА-2Т и СТА-1Т (ООО «ИНЕРТЕХ», СПбГЭТУ «ЛЭТИ»),

прошедших приемо-сдаточные испытания с привлечением метрологических служб и ВНИИМ им. Д.И. Менделеева.

Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на российских и зарубежных конференциях, симпозиумах, выставках и семинарах: Национальном симпозиуме с международным участием "Аэрокосмические приборные технологии" (Москва, 1999), Международном симпозиуме Gyro Technology (Германия, Штутгарт, 2001), Семинаре по физике и астрономии (С.-Петербург, Физико-технический институт имени А.Ф. Иоффе, 2002), НТК «Технические науки -промышленности региона» (С.-Петербург, СПбГТУ, 2002), 57-ой научно-технической конференции, посвященной Дню радио (С.-Петербург, СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, 2002), Всероссийской НТК "Лазеры, измерения, информация" (С.-Петербург, 2000, 2001, 2003), НТК памяти H. Н. Острякова "Навигация и гироскопия" (С.-Петербург, ОАО "Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»»", 2000-2008, 2012), Третьей Всероссийской НТК «Измерения и испытания в судостроении и смежных отраслях» СУДОМЕТРИКА-2010 (Санкт-Петербург, 2010), НТК молодых ученых "Навигация и управление движением" (С.-Петербург, ОАО "Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»»", 2000-2008), Международном научно-практическом семинаре «Конструкция железнодорожного пути и вопросы технического обслуживания высокоскоростных магистралей» (С.-Петербург, ПГУПС,

2010), Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам (С.-Петербург, ОАО "Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»»", 2011), I международной НПК «Интеллектуальные технологии на транспорте» (С.-Петербург,

2011), Международном симпозиуме "Инерциальные сенсоры и системы" (Германия, Карлсруэ, 2012), Общероссийском семинаре «Современные методы навигации и управления движением-2012» (Москва, 2012), Заседании Объединенного ученого совета ОАО РЖД (Москва, 2012), Международном МЭМС-ФОРУМ 2012 (Москва, 2012), на профессорско-преподавательских конференциях СПГЭТУ "ЛЭТИ" (2000 - 2012) и СПбГИТМО (ТУ) (2000 - 2001), а также научно-технических выставках: 7th International Exhibition of Equipment (Базель, Швейцария, 2003), Промышленник (Санкт-Петербург, 2011, 2012), InnoTrans 2012 (Берлин, Германия, 2012), Raillog Korea Railways & Logistics Fair (Южная Корея, 2013).

Основные теоретические и практические результаты диссертации изложены в 98 публикациях, среди которых 3 монографии, 3 учебных пособия, 22 статьи в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК, 13 патентов на изобретения и полезные модели, 5 статей в других изданиях, 52 - в научных сборниках и трудах российских и международных конференций.

Структура и объем диссертационной работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и библиографического списка использованной литературы, включающего 174 наименования. Основная часть работы изложена на 280 страницах машинописного текста. Работа содержит 199 рисунков и 20 таблиц.

Основное содержание работы Во введении обосновывается актуальность темы, формулируются цель и задачи исследования, определяется научная новизна и практическая значимость результатов.

В первой главе «Анализ методов и средств диагностики рельсового пути» показано, что в условиях развития высокоскоростного движения путеизмерительные комплексы российского производства требуют модернизации в части измерений угловых и линейных перемещений, обеспечиваемых БИНС, в ряде случаев интегрированных с показаниями ПА СНС. Разработка схем построения ИСОН должна учитывать специфические требования -обеспечение точности измерения величины пройденной дистанции, основным источником информации о которой в настоящее время является датчик пути (одометр). При этом его инструментальные погрешности определяются динамическим взаимодействием вагона и рельсового пути, приводящим к проскальзыванию колеса и уменьшению его диаметра в процессе эксплуатации.

В табл. 1 приведены точностные характеристики, обеспечиваемые существующими высокоточными путеизмерительными комплексами России [2] и требования Европейского Союза [3], предъявляемые к системам диагностики высокоскоростных линий ж.д.-транспорта. Основной вывод, который из нее следует - это несоответствие максимально возможной скорости движения реальной скорости инспекционного проезда. Повышение скорости движения ПВ потребует модернизации не только аппаратной, но и методической части, так как на высоких скоростях движения начинают сказываться новые виды возмущений, в том числе аэродинамического характера.

Таблица 1

Наименование путеизмернтеля Основные контролируемые параметры Скорость при

Уровень, мм Шаблон, чм Рихтовка, мм Просална, мм параметров, не более, км/ч

Диапазон Погрешность Диапазон Погрешност1 Диапазон Погрешносп Диапазон ПогрешносТ!

ЦНИИ-4МД ПИК ПРОГРЕСС »160 »3,0 1520 .10+40 ±1,0 ±225 ±4,0 ±50 ±2.0 160

ЭРА ТЩФОТРАНС 1155 »0,8 1520 -30+40 ±0,8 ±225 ±0.8 ±50 ±0,8 160

ИНТЕГРАЛ ТВЕМА ±160 ±1.0 1520 -10 '+40 ±0.8 »225 »1,0 ±50 ±1,0 160

Требования Евросоюза г225 ±0.5 1520 .15+50 ±0,5 ±50': ±100-±500-' ±0,5 - - 200 300

Примечание:

1. при длине хорды от Зм до 25м

2. при длине хорды от 25м до 70м

3. при длине хорды от 70м до 200м (для скоростей более 250 км/ч)

Научной группой A.B. Мочалова [1] было показано, что традиционные методы измерения вертикальных и горизонтальных неровностей рельсовых нитей с пространственной длиной волны X, предполагающие использование хорд на базе тележки или кузова вагона, обладают существенными (до 100%) методическими погрешностями измерения величины неровности. Для уменьшения погрешности измерения могут быть использованы показания БИНС не только в выработке угловых перемещений, но и выходные данные о линейных и угловых скоростях, а также ускорениях кузова вагона. Следует также отметить, что помимо этого, точность измерений вертикальных неровностей зависит от наличия так называемых импульсных неровностей поверхностей катания как рельсовых нитей,

так и самих колес. Поэтому необходимо разработать новые методы для их измерения, что, соответственно, напрямую приведет к снижению погрешности измерения вертикальных просадок. Реализуемость данного предложения подкрепляется последними достижениям промышленности в изготовлении вибро- и ударопрочных микромеханических гироскопов и акселерометров, на базе которых могут быть изготовлены трехосные НИМ для последующей установки непосредственно на крышки подшипников буксовых узлов колесных пар. Однако анализ ранее полученных другими авторами результатов, предполагающих классическое двойное интегрирование показаний вертикальных ММА, выявил следующие недостатки: трудности в настройке контуров фильтров из-за изменений частотных составляющих полезного сигнала при вариациях скорости движения и невозможность организации измерений искомых параметров без привлечения показаний высокоточной БИНС о среднем угловом положении рельсового пути.

Из существующих схем построения ПВ, наиболее эффективной с точки зрения организации ИСОН и обеспечения современных требований (табл. 1), является вариант с изготовлением моноблочной конструкции, в состав которой входят БИНС и профилометр поперечных сечений рельсовых нитей, установленной на подрессоренной раме тележки.

Для решения задачи пересчета показаний СНС, учитывая, в том числе, и расхождение курсовых углов кузова вагона и тележки на криволинейном участке пути, предложен бесконтактный способ измерения взаимного положения «тележка-кузов» (Т-К). Система состоит из трех измерительных комплектов (на рис. 1 приведены 2), каждый из которых содержит источника излучения (И) и двухкоординатный приемник (П). Оптические каналы расположены таким образом, чтобы проекции оптических осей (см. рис. 1, пунктирная линия) на подрессоренное основание пересекались в одной точке, являющейся центром качания системы.

Сформулированы требования к минимальной комплектации измерительной аппаратуры системы динамического мониторинга (рис. 2). На раме тележки устанавливается моноблок, в состав которого входят БИНС и профилометр. Таким образом реализуется схема измерения шаблона, уровня и рихтовки рельсового пути (табл. 1). Для реализации традиционного двухточечного хордового метода измерения просадок рельсовых нитей на базе тележки устанавливается комплект из четырех датчиков линейных перемещений «букса-тележка» (датчики Б-Т). Соответственно БИНС/профилометр/датчики Б-Т обеспечивают измерения отклонения от продольного профиля, перекосов и т.д. [2]. Для реализации методов нормирования результатов измерений с целью повышения степени воспроизводимости результатов диагностики вне зависимости от массогабаритных и динамических характеристик ПВ требуется определение изменения распределения нагрузки, созда-

Рисунок 1

ваемой ПВ на путь, в точках контакта колес тележки. При этом помимо показаний датчиков Б-Т, необходимо знать жесткости пружин, через которые рама тележки опирается на буксовые узлы. Другим более эффективным решением является использование микромеханических модулей (ММ), в состав которых входят миниатюрные датчики угловой скорости и линейных ускорений.

_I Антенна ПА СПС |_

кузов.

|| ДП Г ММ | букса

Рисунок 2

В качестве построителя базовой системы координат остается БИНС, но требования к ней становятся более жесткими, учитывая место ее расположения (рис. 2) и принятую концепцию построения системы динамического мониторинга рельсового пути (рис. 3) с использованием только одного профилометра. Для компенсации ее инструментальных погрешностей должны быть реализованы ставшие уже традиционными схемы коррекции по показаниям СНС и датчика пути (ДП). В качестве дополнительных НО, используемых для коррекции погрешностей ДП, следует рассматривать не только пикетные столбы, положение которых фиксируется в настоящее время вручную, но и естественные характеристики рельсового пути (стыки, стрелочные переводы).

Рисунок 3

Таким образом концепция построения системы динамического мониторинга рельсового пути может быть представлена структурной схемой рис. 3, для реализации которой в первую очередь следует решить следующие задачи:

1. Математическое описание динамического взаимодействия рельсового пути и подвижного состава, необходимого для выработки требований к точностным характеристикам инерциальных датчиков и систем на их основе;

2. Разработка системы диагностики неровностей рельсового пути с использованием микромеханических модулей, которая должна автоматизировать процедуру измерения импульсных неровностей рельсовых нитей. При этом должны диагностироваться отклонения формы поверхности катания колес от окружности, возникающие в процессе эксплуатации ПВ. В результате достоверность традиционных методов измерения просадок также возрастет;

3. Разработка ИСОН на рельсовом пути для коррекции инструментальных погрешностей БИНС и получения математического описания погрешностей ДП в зависимости от пространственного положения рельсового пути и динамических характеристик ПВ. Использование такой ИСОН позволит со временем сформировать геоинформационную базу данных о состоянии пути - для выявления тенденций развития возникающих дефектов и о его пространственном положении - электронную карту, содержащую в себе в первую очередь такие параметры как кривизна пути и географические координаты стационарных навигационных отметчиков (пикетные столбы и пр.).

4. Разработка методов и средств испытаний инерциальных измерительных модулей с учетом специфических для железной дороги условий эксплуатации - ударов, электромагнитных помех и пр.

Во второй главе «Математическое описание динамического взаимодействия рельсового пути и подвижного состава» выполнен анализ существующих решений и отмечена проблема их реализации на практике для «нормирования» результатов измерений ПВ по скорости движения и оказываемой нагрузке на путь, в результате которой возникают его упругие деформации. Процедура «нормирования» [1] позволяет учитывать различие степени деформации пути от прохождения подвижных единиц с различными массо-габаритными и скоростными характеристиками (грузовые и скоростные поезда).

Модель пути, обладающего упругими свойствами (рис. 4), представляется в виде неразрезной балки, проходящей над рядом промежуточных опор-шпал /V, (пружин). Сила О, прикладываемая точечно к балке, имитирует создаваемую колесом вертикальную нагрузку. Силы инерции элементов пути при существующих скоростях движения поездов малы по сравнению с весовой составляющей и силами инерции колеблющихся масс подвижного состава и ими без существенной для практической цели погрешности можно пренебречь.

Получена математическая модель для определения величины опускания опор-шпал Дг; под движущейся нагрузкой:

"ДгГ ч ¿42 • • К -1

Дгг = В 22 = Ъгх 622 • ■ ¿2» 22

.Дг/. ь} 1 Ь} 2 • • Ьл_

где £>,у - коэффициенты матрицы і?: -і---— для ; < у,

' ЬЕ1Ь

с„ (£■-/.•)/;{ІЛИ-ІЛ-Іі2} . . „, , Л

¿,.. =_й_!_I—I-1-1— для / > і, где ЕІ - изгибная жесткость рельса; т -

>' 6ЕІІ

масса нагрузки; Ь=Ис1 - длина балки (сі - расстояние между опорами-шпалами); I - расстояние до точки приложения силы; у - продольная координата точки, в которой определяется прогиб слева и справа от точки приложения нагрузки. Сила воздействия нагрузки на рельс определялась как - - у^ е,(и) = 'П£ + »гсдин.(и),

где тадин.(о) - динамическая составляющая, определя-

77Е77ЖГ емая частотой свободных колебаний балки; v— скорость

1 2 л движения.

Рисунок 4 Разработанное программное обеспечение позволило

смоделировать часто встречающийся на практике случай - наличие так называемых «отрясенных шпал», т. е. шпал, которые в результате эксплуатации рельсового пути, перестали иметь контакт с балластным слоем (шпала «висит» на рельсовой нити). В качестве возмущения моделировалось движение колес одной из тележек вагона (рис. 5). В момент времени, когда тележка находится в положении, как показано на рисунке, рельсовая нить имеет форму 2, вид которой определила введенная неравножесткость конструкции (распределение «отрясенных» шпал).

(• - «отрясенная» шпала; о - шпала, характеризующаяся конечной жесткостью) Рисунок 5 - Результат моделирования деформации рельсовой нити при перемещающейся нагрузке

Следует отметить, что даже при отсутствии колебательного движения кузова вагона относительно горизонтальной плоскости, которое возникает при движении вагона и вызывает изменение величин нагрузок, передаваемых на путь в точках контакта (колесо-рельс), траектории движения колес К1 и К2 (рис.5, линии 3 и 4) не совпадают.

Результаты имитационного моделирования реакции рельсового пути на динамическое воздействие со стороны вагона позволили сформулировать требования к ММ по полосе пропускания. Вариант аппаратной реализации ММ, разработанного для оснащения вагона-дефектоскопа производства ОАО «Радиоавионика» (АВИКОН-ОЗМ),

12

Рисунок 6

приведен на рис. 6. Исходя из максимального значения скорости движения в процессе диагностики, в состав ММ были включены по три одноосных ММГ АЙХ/И 614 и ММА АйХІ^ 278, трехосный ММА АЭХЬ 325 и термодатчик.

Экспериментальные исследования комплекта из 4-х ММ подтвердили аналитические оценки, позволили оценить динамику движения буксовых узлов и сформулировать необходимый и достаточный перечень обобщенных координат для составления математической модели, описывающей колебательные движения элементов вагона (кузова, рам тележек, колесных пар). Кинематическая схема приведена на рис. 7.

Рисунок 7

Исходя из принципа освобождаемости от связей, рельсовый путь заменялся реакцией на движение по нему подвижной единицы №...8), В качестве сил, действующих со стороны гасителей колебаний, рассматривались сила упругости рессоры и диссипативная сила сопротивления движению демпфера. Нахождение дифференциальных уравнений движения вагона было осуществлено с использованием уравнения Лагранжа 2-го рода, где в качестве обобщенных сил учитывались как потенциальные (действие сил тяжести и упругости), так и непотенциальные (влияние сил реакции связи вагона с рельсовым путем, диссипации механической энергии в гасителях колебаний). В результате были получены следующие выражения динамической модели: • Для колесных пар:

ткп^кп1...4+2ат^кп1...4 +2сКП Тгкп]...4 =

. кп—т I ^кп-т г кп—Т \ . г . Г-

= + с • р/ст1,3,5,7 - /ст2,4,6,8) + П.3,5,7 + ^2,4,6,8

IКП^КП 1 ...4 + 0-5'кпат9кп1 ...4 + (0-5'кпс'КП Т ~ 1 кпУкп! ...4 )6кп 1 ...4 = = екп Т0.5/кп (-/Ст2А6.8 + /ст! ,3 Д7 + ят6т1,2 ) +

+0.5/^0^X1,2 + ^-(¿2,4,6,8 - ¿1д5,7)

¥кп1..л(/!т + /кпвкп1..л) + 2/кп9кп1..л8кп1...4Ч,кп1...4 =М

13

• Для рам тележек:

"ітггід + (4ат + 2ак)гт1і2 + (4скп"'т + 2ст_к|гтіі2 =

_ м п КП-Т I г КП-Т /-КП-Т уКП-Т г КП-Т о 0 \ ,

--Щ&-С '(-/ст1,5 _/ст2,6 ~/стЗ,7 ~/ст4,8 "^г^з -¿1ки2,л) + +сТ~К ■ (-/стТ,3 - /ст2К4 + 2гк ± ¿к¥к) - «т (-2гКп1,3 - 2гкп2>4) + ак (2гк ± Ькук) ^6x1,2-(•'стУ?!,2 -а?скп~т -0.5^ст-к)ет1>2 + (йтат +0.5/т«к)бт1,2 =

= 0.5атскп т ■ + /ст2,бТ ~ /стЗ,7Т + /ст4,8Т + 'кп^кпі ,3 + 'кпбкп2,4) -

-0.5/тст к -(-/стіКз +/СТ2І4 _акек) + °-5а'тат(/кп9кп1,3+'кп0кп2.4) + О-5ак'так0к (/£ + /£в?и)<|>т1д + (2/^Єт1і2Єт1і2+^ат)м'т1,2 + (^ІШ_Т)¥т1,2 =

= 0.5Ьтскп т • (/ст" ,5Т + /і^,бТ - /стЗ,7Т - /ст4,8Т + 2гКп 1,3 ~ 2гКп2,4) --0.5Ьтат (-2гт) і3 + 2гкп2,4)

• Для кузова:

тк'ік + 4акгк + 4ст_кгк =

= -т^ё - ст_к ■ (-/сті,5 - /¿2*6 - /стЗЛ ~ /ст43 ~ 2гт1 - 2гт2) - ак (-2гт1 - 2гт2)

1уХ + «А - (і/І - аіс^) 9К =

= 0.5акст к • (-/Сх1,5 + /¿2*6 _ /стЗЛ + /ст4*8 + 'т6т1 + 'т0т2) + +0.5акак (;т6т1 +/тЭт2)

(4 + 4<Эк)ФК +2/гСк9А)Ук +(^сТ"К)¥к =

= -0.5ЬксТ'к ■ (-/¿1,5 - /ст^б + /стЗЛ + /ст4К8 - 2гТ1 + 2гт2 ) -

-0.5Ькак (—2гТ] + 2гт2)

В вь(ражениях приняты обозначения: КП - колесная пара; Т - тележка; К - кузов; с -жесткость пружины; а - коэффициент сопротивления демпфера; /кп - расстояние между колесами одной колесной пары; /т - ширина тележки; аТ) £>т - координаты точек крепления гасителей колебаний на тележке; ак, Ьк - координаты точек крепления гасителей колебаний на кузове; т - масса; / - осевой момент инерции; М - вращательный момент для колесных пар; - статическая деформация пружины, определяющаяся (в случае равномерного распределения масс) по следующим формулам:

/¿О + 0.125/Як) ;/^.4 =-^0.25тк•

Использование ММ для измерения результирующих сил (рис. 8) позволило без потери точности в сравнении с существующими математическими описаниями сократить порядок дифференциальных уравнений с 4-го до 2-го.

Динамические характеристики кузова вагона достаточно хорошо изучены, поэтому для контроля достоверности предложенной модели была использована система 2-го класса точности БИНС2М, установленная на кузове вагона-дефектоскопа АВИКОН-ОЗМ. На

рис. 8 приведены спектры, полученные по результатам моделирования и обработки сигналов БИНС.

Град. 0.04 0.035 0.03 0025 0.02 0.015 0.01 0.005 0

м/с2 0.12

Экспериментальные данные

Результат моделирования

Экспериментальные данные

Результат моделирования

Гц

20 Гц

а)

б)

а - по углу крена; б - вертикальные ускорения Рисунок 8

Совпадение спектральных составов позволило сформулировать требования к динамическим характеристикам БИНС в случае ее установки на раме тележки (рис. 2):

1) Исходя из требований к точности измерения возвышения одной рельсовой нити относительно другой 0,5 мм (табл. 1), в процессе начальной выставки БИНС ее акселерометры должны обеспечивать точность 0,0003g. При этом из результатов моделирования в решении (2) рабочая полоса частот составляет 800 Гц, а диапазон измерений - 5g;

2) Анализ требований по предельно допускаемому уклону отводов возвышения наружного рельса в кривых, изменению ширины и пр. [2] показал, что изменение угла с наибольшей скоростью происходит вокруг вертикальной оси из-за рыскающего движения тележки в колее (±18град/с) при движении по кривой минимального радиуса

2,83 180

Лео =

л/*м

= 13 град/с'

Таким образом, используемые в БИНС гироскопы должны обеспечивать измерения в диапазоне ±31 град/с - Учитывая выбранный состав измерительной аппаратуры (рис.2) и реализуя схему измерения рихтовки [2], следует вывод о том, что хорда, относительно которой определяется стрела изгиба, должна быть построена аналитически по показаниям курсового канала БИНС. Наиболее критичным в данном случае становится движение с минимальной скоростью по кривой максимального радиуса. При этом вклад систематической составляющей ухода курсового канала может быть скомпенсирован в режиме апостериорной обработки, а максимально возможный случайный дрейф по углу при выполнении требований табл. 1 на скорости движения 5 км/ч не должен превышать 0,01 град/-/ч- Для решения поставленной задачи вполне могут быть использованы БИНС не только на лазерных, но и на волоконно-оптических гироскопах.

В третьей главе «Система диагностики неровностей рельсового пути с использованием микромеханических модулей» приводятся результаты разработки малогабаритной инерциальной системы диагностики рельсового пути (МИСД РП). В рамках ее создания

был предложен новый метод измерения дефектов поверхностей катания рельсов (смятия, пробоксовки и рифли).

Структурная схема алгоритма определения вертикальных неровностей рельсовых нитей приведена на рис. 9. Сигналы вертикальных микромеханических акселерометров, измеряющих линейные ускорения буксовых узлов тележки вагона (И^ - для впереди идущего колеса, - для следом идущего колеса), нормируются в блоке Н по значению скорости движения вагона V.

IV-,

¿1

Н

«1

<й=2,4м

а=360'

КА К и, Л1 «

КА

а=360°

Оц

Ст.Об.

1Ж

ФНЧ

Й2

Ст.Об.

-X-

КА «22 ^ >

Н

а?

Н

41

л

а 2

АИ

Н

Н

Рисунок 9

Нормировка осуществляется в соответствии с представлением неровности (как для рельсового пути, так и для колес вагона), описываемой выражением

, /II , А =— сое

2тл

"¿Г"

Л А2 ( 2тг , 1 +— сое---1

2 ^

(4)

где А( - глубина неровности (просадки длиной до 1 м); А2иХ2- глубина и длина импульсной неровности.

Глубина неровности /;„ в этом случае определяется, как

\2

К = ап

-Т

2зю I

(5)

где ашах - значение максимума ускорения в сигнале ММА, Х- длина волны неровности.

В этом случае исключение влияния скорости движения средства измерения на результат измерений ускорения (нормирование по скорости) выполняется в блоке Н только

на величину (2лу)^ , т. к. длина неровности колеса неизвестна.

Далее каждый из сигналов а" н аг участвуют в корреляционном анализе (блок КА) на соседних оборотах колеса для выявления дефектов поверхности катания 1 -го и следом идущего по рельсовой нити 2-го колеса (Кп и /?22, соответственно). Одновременно с этим вычисляется Л12 - коэффициент взаимной корреляции показаний ММА, приведенных к одной путевой координате (£>т - расстояние между осями колесных пар тележки).

Полученные коэффициентов корреляции сравниваются в блоке ">" и если (йп и Л22) превышают Л[2, то принимается решение, что на протяжении двух оборотов колес значения ускорений, определяются в большей степени геометрией колеса, нежели рельса. Тогда данные с ММА передаются в блок статистической обработки (Ст.Об.), где формируется профиль колеса с СКО < 0,1 мм. Известно, что в некруглость колес, возникающая в процессе эксплуатации, определяется от одной до четырех волн неровностей, что соответствует пространственной частоте (длина окружности колеса = 3 м) от 0,3 до 1,3м"'. Это является определяющим условием при настройке фильтр низких частот (ФНЧ, рис. 9).

Следует отметить, что полученные профили колес постоянно обновляются, так как геометрия колеса может измениться даже в течение одного проезда (влияние динамических воздействий при прохождении стыковых зазоров и дефектов рельсового пути, торможении и разгоне).

Полученные таким образом "маски колес" (/¡|с, Иг, мм) позволяют рассчитать И^дм для коррекции текущих показаний ММА. При этом значения а12КОр определяются исключительно импульсными неровностями рельсовых нитей. Использование «масок» колес позволило увеличить амплитуду пика взаимной корреляционной функции Я12 на -10%.

Условием для принятия решения о наличии импульсной неровности поверхности катания рельсовой является превышение значение экспериментально полученного максимума Д12 рассчитанного порога Лпор, определяв» ММА не имеют инструментальных погрешностей (показания определяются только неровностью вида (4)) и процедуры сведения сигналов и нормирования выполнены идеально. При выполнении такого условия, путевые координаты первого и второго минимумов показаний ММА (5тт1 и 5т1„2) принимаются за начало и конец дефекта. Таким образом находится его протяженность X. Затем в соответствии с выражением (5) определяется его глубина Д/г.

Результаты сдаточных испытаний системы диагностики неровностей рельсового пути с использованием микромеханических модулей в составе АВИКООЗМ подтвердили заявленные требования по точности 1 мм. На рис. 10 приведен пример итоговой ведомости обнаруженного дефекта.

В работе предложена процедура определения в процессе монтажа взаимных угловых положений ММ и БИНС, также входящей в состав МИСД РП. При этом показания БИНС,

мого для идеализированного случая, когда

Ведомость дефектов

ДАТА ПРОЕЗДА: 2011:10:21:12:« НАПРАВЛЕНИЕ: СПб - Москва ПУТЬ. Бологое -Тверь ]1Я.

■ —

Км: 321 ПК: 1 М:89 Нитка: правая

Глубина: 1,1 мм; длина: 240 мм; скорость кошропя: I8км/ч

Тип дефекта 46.3 (смятие)

Рисунок 10

работающей в автономном режиме, записываются в месте ее штатного положения, после этого она демонтируется, затем поочередно монтируется на 4-х буксах и возвращается на

При опытной эксплуатации МИСД РП, учитывая достаточно частые плановые промеры одного из участков рельсового пути, было отмечено, что помимо выявления дефекта, система может быть использована в качестве анализатора его развития. Из рис. 11, на котором приведены показания одного из ММА. При этом ремонтные работы были выполнены в интервале между 3 и 15 февраля. Следует очевидный вывод о целесообразно установки таких относительно недорогих средств диагностики на подвижные единицы регулярно (в данном случае 1 раз в неделю) курсирующих составов. В этом случае было бы возможно уже в декабре предыдущего года не только выявить данный дефект, но и сделать оценку момента времени, когда он достигнет критического значения, требующего снижения скорости движения или вообще закрытия данного участка пути.

В четвертой главе «Специализированные системы навигации в задачах диагностики рельсового пути» приводятся результаты разработки ИСОН на рельсовом пути. Поскольку все контролируемые параметры состояния рельсовой колеи фиксируются как функция пройденной ПВ дистанции, требования к точности ее измерения чрезвычайно высоки. ДП является основным прибором, по показаниям которого определяется пройденное вагоном расстояние, но его погрешность может составлять до 5 м на 1 км. Широко практикуемый ручной способ требует своевременного нажатия кнопки синхронизации при прохождении вагоном километровых столбов (пикетов), что является трудновыполнимой задачей при высоких скоростях движения вагона. Существует также автоматическая коррекция, которая требует установки в колее магнитного датчика (например, Ми51). При этом вагон должен быть оснащен считывающим устройством. Такой способ обеспечивает точность считывания 2 см при скорости движения до 200 км/ч, но подразумевает существенные дополнительные финансовые вложения в инфраструктуру, а также выполнение чрезвычайно трудоемких геодезических измерений длины рельсового пути между такими НО.

В работе приводятся результаты разработки и исследования ИСОН в составе БИНС/СНС/одометр, прошедшей апробацию в составе ПВ Германии ОМ\¥Е и России ЦНИИ-4МД и ИНТЕГРАЛ.

Для проверки эффективности работы схем ИСОН (рис. 4) было выполнено несколько контрольных проездов немецкого ПВ ОМ\¥Е по участку пути длиной 20 км с тремя датчиками 1пс1и51, расстояние между которыми составляло примерно 12 и 8 км. Контроль погрешности интегрированной системы осуществлялся путем сравнения ее показаний с данными о дистанции между пикетами, предоставленными метрологической службой же-

300

250

200

160

О 100

60

8. 0

-ЛП

-100

-160

-200

Л 03.021

Г--117.011

-404.01 !

115.021 И

Г 123.02 1

11.6 11.7 11.8 11.9 Дистанция, м

Рисунок 11

лезной дороги. На рис. 12 показаны зависимости от пройденного пути разности ¿д =Хдп (5ИС - дистанция по показаниям ИСОН, а 5дп - по ДП). Кривая с1а\ соответствует оценке ошибки, определенной ИСОН при комплексировании БИНС/ДП и СНС по географическим координатам, ¡¡лг - по скоростям. Начало проезда совпадает с расположением МиБП. Точки с/2 и й?з на оси ординат представляют действительные величины погрешностей показаний ДП на основе информации о местоположении [пс!и51. Расхождения показаний ИСОН и метрологических служб в точках МивК и 1пс1и813 не

Рисунок 12

Результаты испытаний ИСОН в составе российского ПВ (ЦНИИ-4) также показали увеличение точности воспроизведения измерений пройденной дистанции от проезда к проезду по одному и тому же (одноколейному) участку пути до 2 м при исходном расхождении 26 м. Анализ позволил получить модель погрешностей ДП:

где 5S0- ошибка начальной выставки; mi<= 0.0005-0.005 - относительная погрешность одометра; т2, тз и т4 - коэффициенты зависимости погрешности от скорости, ускорения и движения по криволинейному участку пути; т5 - коэффициент зависимости погрешности от направления движения; I - инкремент одометра (0.235 м); удп -случайная инструментальная погрешность.

Наиболее полным и эффективным способом повышения точности измерения пройденного пути является интегрирование одометра с ИНС, GPS и НО на трассе (см. рис. 4). Опытная эксплуатация ММ в составе АВИКОН-ОЗМ (см. гл.З) показала, что в качестве таких НО могут выступать конструктивные особенности рельсового полотна - стыки, стрелочные переводы и т.п., а использование процедуры взаимной корреляции сигналов одного и того же микромеханического модуля, но теперь уже в разных проездах при их предварительном сведении по показаниям ДП и сигналов СНС, в силу квазипостоянства положения пути, позволяет достичь существенного эффекта в задаче коррекции ДП. На

рис. 13 приведены показания одного из ММ в 8-ми проездах одного и того же участка пути с разными скоростями движения.

зок 20с? 10« О

-ю* ■

-20.5

-ЗС& -

ч

ікЛ.іУі. «Гг.

1ІШ

ІІІ "Тг

І П і ' . ьЬи

іі^і_

I

I

і

ТГтТч

800 900 1000 1100

ПроГщенная дистанция, м

Рисунок 13 - Показания ДММ в 8 последовательных проездах

Видно, что амплитуды сигналов меняются, но их пространственное положение, естественно, остаётся неизменным. Кроме этого, измерение времени между реакциями на стык первого и следом идущего колеса, исходя из фиксированного расстояния между ними, позволяет дополнительно оценить текущую скорость движения.

Все рассмотренные выше варианты реализации НО, в той или иной степени, предполагают использование сигналов приёмной аппаратуры СНС. Однако штатный режим её работы характеризуется значительными погрешностями (порядка 10-15 м) в определении координат, а реализация дифференциального режима предполагает строительство рефе-ренц-станций каждые 50 км, что не всегда может быть обеспечено. С другой стороны, сам по себе путь, являясь квазипостоянной структурой, несёт в себе значительный объем априорной информации о траектории движения, что. безусловно, может быть использовано для случаев многократных прохождений контролируемого участка пути.

Характерной особенностью формы железнодорожного пути в плане является то, что траектория может быть представлена последовательностью прямолинейных и криволинейных участков. Последние, в свою очередь, характеризуются серией переходных (рис.14) и круговой кривых. Математически переходная кривая (клотоида) может быть описана следующими выражениями: Е=Ь+аЬ5, т}=М,3+с£7, а круговая кривая: вт^/Л), г|=Л[1-с08(£//г)], где - пройденная дистанция, /? - радиус кривизны. Соответственно в случае формирования массива данных СНС, пополняемого от проезда к проезду, данные соотношения могут быть использованы для статистической обработки. При этом результаты аппроксимации становятся фактически электронной картой пути, содержащей в себе в том числе информацию о местах систематических пропаданий и искажений сигналов СНС, при прохождении которых коррекция показаний БИНС следует выполнять исключительно по ДП.

Рисунок 14

Для эффективного комплексирования показаний БИНС и СНС, учитывая, что приемная антенна установлена на крыше вагона, необходимо учитывать ее колебательное движение. Особенностью железнодорожного транспорта является то, что помимо колебательного движения относительно плоскости горизонта, при движении по криволинейным участкам пути курсы тележек и кузова вагона отличаются на десятые доли град. В работе выработаны рекомендации по месту монтажа приемной антенны - над шкворнем тележки, на которой установлена БИНС (рис. 2). В этом случае проекции вектора линейной скорости будут совпадать.

В главе 5 «Методы и средства испытаний инерциальных измерительных модулей» отмечается, что на сегодняшний день испытания и калибровка инерциальных датчиков и определение их параметров (сдвига нуля, масштабного коэффициента и т.д.) основываются на мевдународных стандартах IEEE, предполагающих реализацию серии позиционирований в гравитационном поле Земли и последовательности вращений с заданными угловыми скоростями вокруг всех осей связанной с ИИМ системы координат Oxyz. Для этих целей используют двухосные испытательные стенды, которые должны в полной мере обеспечивать достоверное определение коэффициентов традиционных математических моделей показаний триад акселерометров и гироскопов. Выходные сигналы гироскопов Uf (i = х, у, ?.) могут быть записаны в следующем виде:

VI 0 0 cosf sin р 0 cos a 0 -sin a f A"

"у = 0 к; 0 [Dr] -sin J cos p 0 0 1 0 ■ +

0 0 0 0 lj sin a 0 cos a I

0 0 Ч" cos A"o -sin K0 0 0 1 &arx

+ 0 Куу(Оу 0 Шу + sin Kq cos 0 ilcos<p u ДсОу + Aary

0 0 «V со. 0 0 1 fisin Ф j Дсо* Ao>j

где К[ - масштабные коэффициенты гироскопов (/ = х, у, г); Кц - коэффициенты

нелинейности выходных характеристик гироскопов; Да^ - систематические сдвиги нулей

гироскопов; Дсо[ - составляющие случайных дрейфов сдвигов нулей гироскопов; -угловая скорость вращения Земли; ф - широта места; Л"д - курс горизонтальной оси стенда; Ог - матрица, характеризующая положение измерительных осей гироскопов относительно осей приборной системы координат [рад]

і P5

£>r = і (8)

-p; /v 1

Угловые положения (а - наружная ось, р - внутренняя) и скорости вращения (юх,

Юу и со,) задаются в данном случае двухосным стендом.

Для случая ИИМ на ММГ из математической модели (7) может быть исключена составляющая от суточного вращения Земли.

В качестве математической модели, описывающей выходные сигналы акселерометров и1, широко используется следующее выражение:

VI 0 0

= 0 К; 0

0 0 кга

О,

И7

У }У.

г J

Ка V/ Кй \¥ X К* У/ "дг X

+ Ка IV к*уу™у КУ^У

"г* г КУК

(9)

И'

ли',5 т*

Ш* + т!;

ЛИ'/

где К* - масштабные коэффициенты акселерометров; К^ - коэффициенты нелинейности выходной характеристики; К^у,К^,КуХ,Куг,К^.,К^у - коэффициенты перекрестных

связей; ДИ^5 - систематические сдвиги нулей акселерометров; ДИ^Г - составляющие случайных дрейфов сдвигов нулей акселерометров; £)а - составляется аналогично Ог (8) с использованием углов (Ху,^, ОС®, [рад].

В работе, следуя рекомендациям ШЕЕ, получены соотношения, позволяющие, в зависимости от характеристик двухосного испытательного оборудования и требуемой точности калибруемого ИИМ, рассчитать количество и длительность итераций (угловых позиционирований для калибровки акселерометров и угловых скоростей - для гироскопов).

Исследования ИИМ на ВОГ показали, что в процессе калибровки происходит изменение магнитной обстановки в результате работы электропривода стенда, что приводит к дополнительным составляющим сдвигов нулей (румбовый дрейф). Для их оценки было предложено ввести в состав БИНС трехосный магнитометр, использование которого, учитывая условия последующей эксплуатации на железнодорожном транспорте, также будет целесообразным. В результате выражения, описывающие составляющие сдвигов нулей ВОГ, приняли следующий вид:

Дсо,- = Да>о,- + = Дсо0,- + ДД,- М д, (10)

где Дсо/ - систематические сдвиги нулей ВОГ (7); Дсод/ - постоянные составляющие

смещения сдвигов нулей ВОГ; Дю? - сдвиги нулей ВОГ, обусловленные влиянием магнитного поля и характеризуемые первой гармоникой разложения в ряд Фурье, Д4,- (г = х, у, г) - коэффициенты; М д (у = х, у, г; к = х, у, г; / Ф у к) - проекция вектора

магнитной индукции на плоскость, ортогональную измерительной оси ¿-гироскопа.

В свою очередь исследования ИИМ на ММГ не только подтвердили зависимость данного типа гироскопов от действия линейных ускорений, но и выявили неоднозначность расположения оси чувствительности относительно осей первичных и вторичных колебаний. Поэтому в математическую модель выходных сигналов триады ММГ было предложено ввести слагаемое вида:

со? А и

со* = ¿4 и и

ю? А и, и.

где - вклад линейного ускорения в показания ММГ; Ц - коэффициенты, ха-

рактеризующие чувствительность ММГ к проекциям линейного ускорения на связанные оси Охуг (¡=1...9), которые в штатном режиме работы ИИМ могут быть измерены входящей в его состав триадой ММА.

Определяющей характеристикой испытательных стендов при калибровке гироскопов является нестабильность задаваемой скорости вращения за оборот. При этом нестабильность внутри оборота может достигать 10%, а оценить текущую угловую скорость по показаниям ДУ не представляется возможным в силу его динамических погрешностей. Из этого следует, что и оценка среднего значения показаний гироскопов для последующего построения выходной характеристики также должна выполняться за оборот, что при малых значениях угловых скоростей приводит к существенному увеличению времени испытаний. Соответственно, в том случае, если гироскоп обладает температурной и магнитной чувствительностью, как например ВОГ и ММГ, это приводит к необходимости высокоточного контроля условий окружающей среды как внешней, так и внутри гироблока.

На рис. 15 приведена схема комплексирования показаний триады ВОГ с показаниями ДУ двухосного стенда.

Рисунок 15 - Алгоритм оценки погрешностей триады ММГ Штатное использование трехосного магнитометра в составе ИИМ на ВОГ позволило предложить следующий вид вектора состояния ОФК

X =[6а 8р 6'о)л. 8му 6'шг ЪКТХ ЪКГу 5К[ аГу агх у^ угу ДАУ ЛАг]т. (12)

Алгоритм оценки остаточных погрешностей триады ММГ представлен на рис. 16. При этом со^,со*,со? (11) как в режиме калибровки, так и в дальнейшем при штатной

эксплуатации формируются по показаниям триады ММА, входящей в состав ИИМ.

Рисунок 16 - Алгоритм оценки погрешностей триады ММГ

23

Тогда вектор состояния примет следующий вид: X = [8а 8(3 8'ах 8 8'сог 8Л^ 8Кгу 5£гГ агх Р^ угг Р* у', Ц 15 Ц ¿9]т.(:13)

В условиях высокодинамичных измерений, аналогичный подход был предложен к применению в рамках калибровки триады ММА, так как в условиях угловых движений колесных пар начинает сказываться отстояние датчиков от центра координат системы, связанной с корпусом ММ.

В качестве закона движения, задаваемого стендом в процессе калибровки, было предложено реализовывать квазигармонические изменения угловых скоростей по двум осям с прохождением через угловые положения, используемые традиционными методами. При этом периоды колебаний были кратными, но не равными, что позволило обеспечить наблюдаемость и требуемую точность всех искомых параметров модели погрешностей при существенном сокращении времени испытаний. В качестве подтверждения эффективности предложенного метода динамической калибровки, на рис. 17 приведены оценки элементов вектора состояния (13). При этом следует подчеркнуть, что при формировании начального значения вектора состояния были использованы коэффициенты модели, полученные по традиционной схеме, рекомендованной ШЕЕ.

Рисунок 17

Учитывая тот факт, что динамический метод предполагает одновременные движения вокруг двух осей, требование к точности определения отклонения от перпендикулярности осей стенда становится значимым. В работе предложена методика аттестации испытательного стенда, использующая традиционные схемы аттестации по точности задания угловых положений и оценки стабильности задаваемой угловой скорости за оборот, но потребовавшая разработки нового способа оценки величины неортогональности осей.

На рис. 18 представлена схема реализации предлагаемого способа. В качестве средств измерений могут быть использованы автоколлимационные устройства, которые располагаются в вершинах пространственного треугольника, лежащего, в свою очередь, в плоскости автоколлимационных измерений. В качестве держателя физической величины (эталона) могут применяться как многогранные призмы, так и оптические зеркала.

Призму в оправе или зеркало 4 (рис. 18) располагают на малой оси стенда и юстируют положение эталона с помощью теодолита следующим образом: производят разворот планшайбы на -90° вокруг большой оси установки и выставляют зрительную трубу теодо-

лита Т1 так, чтобы в автоколлимационном режиме работы прибора визуально наблюдать отраженное от рабочей поверхности призмы или зеркала изображение.

Далее реализуют развороты планшайбы на 180° вокруг обеих осей установки и выставляют зрительную трубу средства измерения Т2 аналогично Т]. Прибор ТЗ должен обеспечивать оптическую связь между всеми средствами измерений.

После проведения подготовительных операций необходимо вернуть призму в положение, когда зрительная труба теодолита Т1 направлена в сторону ее рабочей поверхности (рис. 3(а)) и зафиксировать горизонтальный отсчет ап соответствующим теодолитом, работающим в режиме автоколлимационных измерений.

Далее, реализовав развороты призмы на 180° вокруг обеих осей стенда (рис. 18(6)), снимают соответствующий горизонтальный отсчет а2] теодолитом Т2 от той же грани призмы, при этом исключается влияние пирамидальности призмы (заклона зеркала) 8.

Теодолит ТЗ разворачивают вокруг его вертикальной оси в сторону теодолита Т1 так, чтобы существовала возможность снять второй горизонтальный отсчет а]3 теодолитом Т1 изображения подсвеченной сетки нитей теодолита ТЗ, при этом фиксируют начальный горизонтальный отсчет а31 теодолитом ТЗ. Аналогично, развернув теодолит ТЗ вокруг его вертикальной оси в сторону теодолита Т2, снимают отсчеты ав и а32.

Наконец, имея все входные данные, вычисляют углы а,, а2 и а, (рис. 18): а, =|а,3-аи|; а2 =|а23-а21|; «3 =|а32-а3]|.

После чего, исходя из известного правила суммы углов треугольника, рассчитывают величину отклонения от перпендикулярности двух осей:

25

ус =(180°-(О] +а2 +а3))/2. Точность оценки искомого параметра определяется техническими характеристиками средств измерений, используемых в методе, а также их и поверяемой установки ориента-циями относительно горизонта.

Рисунок 19

Экспериментальные исследования выполнялись на испытательных стендах (рис. 19), при создании которых были использованы рекомендации по организации программного обеспечения, а также методика для их первичной и периодической аттестации.

Заключение

Таким образом, основным результатом работы является решение научно-технической проблемы разработки новых принципов построения систем динамического мониторинга рельсового пути, в основе которых используются последние достижения интегрированных инерциальных технологий.

В ходе проведенных исследований получены следующие основные научные и практические результаты:

1. Предложена концепция построения системы динамического мониторинга рельсового пути, предполагающая использование ММ для измерения как результирующих сил в точках контакта «колесо-рельс», так и выявления импульсных неровностей рельсовых нитей, диагностируемых в настоящее время исключительно ручными средствами.

2. Разработано математическое описание динамического взаимодействия рельсового пути и подвижного состава, необходимое для выработки требований к точностным характеристикам инерциальных датчиков и систем на их основе в зависимости от мест установки. В результате стало возможно приступить к практической реализации методов нормирования результатов измерений ПВ по скорости и нагрузке, что позволит учитывать отличия в массогабаритных и динамических характеристиках ПВ и других типов подвижных единиц ж.д.-составов.

3. Разработана система диагностики неровностей рельсового пути с использованием ММ, которая позволяет автоматизировать процедуру измерения импульсных неровностей рельсовых нитей. При этом дополнительно диагностируются отклонения формы поверхности катания колес от цилиндрической, возникающие в процессе эксплуатации ПВ. В результате достоверность традиционных методов измерения просадок также возрастает.

4. Разработана ИСОН на рельсовом пути, предполагающая, во-первых, использование уточненной математической модели погрешностей ДП (зависимости от пространственного положения рельсового пути и динамических характеристик ПВ), а, во-вторых, органи-

26

зацию дополнительных НО (стыки, стрелочные переводы и т.п.), для индикации прохождения которых могут быть эффективно использованы ММ. Показана принципиальная возможность формирования единой для всех ПВ и иных диагностических средств геоинформационной базы данных о состоянии пути - для выявления тенденций развития возникающих дефектов и о его пространственном положении. Такая электронная карта должна содержать в себе в первую очередь такие параметры как кривизна пути и географические координаты стационарных навигационных отметчиков (пикетные столбы и пр.). 5. Предложены новые методы испытаний инерциальных измерительных модулей в режимах квазигармонических колебаний. При этом учтены специфические для железной дороги условия эксплуатации - удары, электромагнитные помехи и пр.

Научные и практические результаты, полученные в диссертации, могут быть использованы в инерциальных измерительных системах, применяемых как для ж.д.-транспорта, так и для контроля асфальтовых, бетонных дорог, взлетно-посадочных полос и трубопроводов.

Цитируемая литература:

1. Мочалов A.B. Инерциальные методы и средства динамических измерений параметров движения и деформаций объектов: Автореф. дис. ... доктора, техн. наук. СПб.: Изд-во СПб ГИТМО (ТУ), 2002.

2. Технические указания по определению и использованию характеристик устройства и состояния пути, получаемых вагонами путеобследовательскими станциями ЦНИИ-4. (ЦПТ - 55/15) / Департамент пути и сооружений МПС России. - М.. - 2003. - 100 с.

3. British standard. Railway applications - Track - Track geometry quality. Part 1: Characterisation of track geometry. BS EN 13848-1:2003+A1:2008.

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК России:

1. Гулалов В. П., Мочалов А. В., Боронахин А. М. Аналитические гировертикали усеченного состава// Гироскопия и навигация. 2001. № 2 (33). С. 25 - 36.

2. Боронахин А. М., Гупалов В. И., Мочалов А. В. Интегрированная система навигации на рельсовом пути на базе аналитической гировертикали усеченного состава// Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2002. Сер. "Приборостроение и информационные технологии". Вып. 1. С. 10-13.

3. Боронахин А. М., Казанцев А. В., Мочалов А. В. Экспериментальные исследования системы навигации на рельсовом пути в составе путеизмерительного вагона ЦНИИ-4// Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2002. Сер. "Приборостроение и информационные технологии". Вып. 1.С. 6-10.

4. Гупалов В. И., Боронахин А. М., Филипеня Н. С. К вопросу о синтезе путеизмерительного комплекса нового поколения// Железные дороги мира. 2004. № 8. С. 44-48.

5. Бесхордовый инерциальный метод измерения неровностей в продольной вертикальной плоскости рельсовых нитей/ А. М. Боронахин., В. И. Гупалов, А. В. Казанцев, М. Е. Плех, Е. А. Шалагина// Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Сер. "Приборостроение и информационные технологии". Вып. 1. С. 24-29.

6. Разработка и исследование метода измерения путеизмерительным вагоном жесткости рельсового пути/ А. М. Боронахин, В. И. Гупалов, М. В. Иванов, А. В. Казанцев,

Е. Д. Масленок// Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2004. Сер. «Приборостроение и информационные технологии». Вып. 1. С. 21-24.

7. Гупалов В. И., Боронахин А. М„ Филипеня Н. С.. Новые инерциальные методы измерения параметров рельсового пути// Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Серия "Приборостроение и информационные технологии". Вып. 1, 2005. С. 3-8.

8. Боронахин A.M., Олейник JI.H., Филипеня Н.С. Малогабаритная интегрированная система диагностики рельсового пути// Гироскопия и навигация. 2009. № 1 (64). С. 63-74.

9. A.M. Боронахин, П.А. Иванов, И.Л. Суров. Исследование погрешностей триады микромеханических гироскопов с использованием малогабаритного двухосного стенда// На-но- и микросистемная техника. - 2010. -№1. - С. 35-41.

10. A.M. Боронахин, П.А. Иванов, И.Л. Суров. Коррекция влияния линейного ускорения на показания микромеханического гироскопа // Нано- и микросистемная техника. - 2010. -№7.-С. 41-44.

11. A.M. Боронахин, П.А. Иванов, И.Л. Суров. Исследование влияния инструментальных погрешностей испытательного средства на результаты калибровки блока микроакселерометров // Нано- и микросистемная техника. - 2011. - №3. - С. 9-11.

12. A.M. Боронахин, Л.Н. Подгорная. Применение микромеханических датчиков для диагностики рельсового пути// Нано- и микросистемная техника, №8, 2010, С. 47-50.

13. A.M. Боронахин, A.A. Великосельцев, A.A. Янковский, Д.Б. Пухов, А.Н. Ткаченко. Волоконно-оптические датчики вращения для сейсмических измерений// Оптический журнал. Т. 77. Вып. № 7. 2010, С. 54-59.

14. A.M. Боронахин, А.Н. Ткаченко. Результаты калибровочных испытаний триады волоконно-оптических гироскопов// Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ», серия "Приборостроение и информационные технологии". Вып. 7, 2010. С. 87-96.

15. В.В. Алексеев, A.M. Боронахин, Е.Ю. Закемовская, П.Г. Королев, Н.В. Романцова. Критерии эффективности для задачи составления расписания многоканальных средств измерения с автоматической коррекцией // Приборы, №7, 2011, С. 45-49.

16. В.В. Алексеев, A.M. Боронахин, И.В. Капякин, B.C. Коновалова, Л.Н. Подгорная. Измерение характеристик железнодорожного полотна с помощью измерительной системы, построенной на базе микромеханических акселерометров// Приборы, №12,2011, С. 22-29.

17. A.M. Боронахин, И.Л. Суров. Инерциально-спутниковая навигационная система на микромеханических датчиках// Известия СПбГЭТУ "ЛЭТИ", Серия "Приборостроение и информационно-измерительные системы". Вып. 9, 2011 С. 95-102.

18. A.M. Боронахин, Е.Д. Бохман, Д.Ю. Ларионов, Л.Н. Подгорная, Р.В. Шалымов. Мобильная инерциальная система мониторинга рельсового пути// Известия СПбГЭТУ "ЛЭТИ", Серия "Приборостроение и информационно-измерительные систем". Вып. №10, 2011. С. 84-91.

19. С.А. Анисимов, A.M. Боронахин, A.B. Вейнмейстер, П.А. Иванов. Концепция построения испытательного оборудования для калибровки систем навигации и ориентации// Известия СПбГЭТУ "ЛЭТИ", Серия "Приборостроение и информационно-измерительные систем". Вып. №8, 2011. С. 76-82.

20. Боронахин A.M., Иванов П.А., Бохман Е.Д., Филатов Ю.В., Суров И.Л. Новый комплекс средств для испытаний малогабаритных инерциальных систем и их чувствительных

элементов// Гироскопия и навигация. 2011. № 4. С. 33-42.

21. Боронахин A.M., Подгорная Л.Н., Бохман Е.Д., Филипеня Н.С., Филатов Ю.В., Шалимов Р.В., Ларионов Д.Ю. Использование микромеханических чувствительных элементов в задачах диагностики рельсового пути// Гироскопия и навигация. 2012. № 1. С. 57-66.

22. Боронахин A.M., Лукомский Ю.А., Шпекторов А.Г., Тханг Х.М., Дык Ч.Т. Обоснование требований к системам навигации и ориентации при решении задач управления движением подвижных объектов// Известия СПбГЭТУ "ЛЭТИ", Серия "Приборостроение и информационно-измерительные систем". Вып. №2, 2012 С. 77-80.

Другие статьи и материалы конференций:

23. Боронахин А. М., Гупалов В. И., Лисовой С. А.. Принципы построения аналитических гировертикалей на лазерных гироскопах и акселерометрах// Навигация и управление движением: II НТК молодых ученых, СПб., 28-30 марта 2000 г./ ЦНИИ "Электроприбор". СПб., 2000. С. 44-48.

24. Боронахин А. М., Мочалов А. В. Навигация по рельсовому пути// Навигация и управление движением: II НТК молодых ученых, СПб., 28-30 марта 2000 г./ ЦНИИ "Электроприбор". СПб., 2000. С. 251-258.

25. Gupalov V. I., Mochalov А. V., Boronachin А. М. Application of a ring laser for measurement of the track geometrical parameters// International Conference on Lasers for Measurements and Information Transfer, 13 (November 27, 2000)/ Proc. SPIE. 2000. № 4316. P. 13-20.

26. Боронахин A. M. Результаты экспериментальных исследований системы навигации на рельсовом пути// Навигация и управление движением: III НТК молодых ученых, СПб., 12-14 марта 2001 г./ ЦНИИ "Электроприбор". СПб., 2001. С. 206-213.

27. Gupalov V. I., Mochalov А. V., Boronachin А. М. The method of the ring laser correction for the measurement of an object angular moving//Proc. SPIE. 2001. № 4680. P. 79-84.

28. Исследование интегрированной системы навигации на рельсовом пути/ А. М. Боронахин, А. В. Мочалов, М. Рехель, И. Шмайстер // Интегрированные инерциально-спутниковые системы навигации: Сб. ст. и докл./ ГНЦ РФ-ЦНИИ "Электроприбор". СПб., 2001. С. 181-197.

29. Integrated System for Navigation on Railway Tracks/ M. Rechel, J. Schmeister, A. M. Boronachin, A. V. Mochalov // Proc. on Symp. GyroTechnology. Germany, 19 - 20 Sept. 2001. Stuttgart. P. 17.0-17.18.

30. Боронахин A. M. Использование аналитической гировертикали усеченного состава для навигации на рельсовом пути// Навигация и управление движением: IV НТК молодых ученых, СПб., 12-14 марта 2002 г./ ЦНИИ "Электроприбор". СПб., 2002. С. 45-52.

31. Боронахин А. М., Казанцев А. В., Карпасов С. А. Результаты экспериментальных исследований системы навигации на рельсовом пути в составе путеизмерительного вагона ЦНИИ-4// Навигация и управление движением: IV НТК молодых ученых, СПб., 12-14 марта 2002 г./ ЦНИИ "Электроприбор". СПб., 2002. С. 286-291.

32. Боронахин А. М., Казанцев А. В., Гупалов В. И. Модель погрешности датчика пройденного пути при различных режимах и условиях движения// Навигация и управление движением: Мат-лы V НТК молодых ученых, СПб., 11-13 марта 2003/ ЦНИИ «Электроприбор». СПб., 2003. С. 54-58.

33. Boronakhin А. М., Gupalov V. I., Filatov Y. V. Some aspects of synthesis of new generation way-measuring systems// Proc. of SPb IEEE Chapters, СПб., 8 июня 2004г../ СПбГЭТУ

29

«ЛЭТИ». СПб., 2004.

34. Боронахин, A.M. Бесхордовый инерциальный метод измерения неровностей в продольной вертикальной плоскости рельсовых нитей / A.M. Боронахин, В.И. Гупалов, Н.С. Филипеня// Навигация и управление движением: материалы VI науч. тех. конф. молодых ученых, г. Санкт - Петербург, 12 - 14 марта 2004 г. - СПб.: ЦНИИ «Электроприбор», 2005г.-С. 118-123.

35. В.И. Гупалов, A.M. Боронахин, Н.С. Филипеня. Инерциальные методы измерения параметров рельсового пути// «Навигация и управление движением» Сб. докладов VII Научно-технической конференции молодых ученых, СПб.: ГНЦ РФ - ЦНИИ «Электроприбор», 2006.-С. 94-100.

36. A.M. Боронахин. Инерциальные технологии в задачах достижения безопасности железнодорожного транспорта// Сб. докл. 21 собрания Академии Навигации и Управления движением, Гироскопия и навигация, № 4, 2006, С. 124.

37. A.M. Боронахин, В.И. Гупалов, Н.С. Филипеня. Анализ динамического воздействия путеизмерительного вагона при контроле параметров рельсовых нитей// Навигация и управление движением: материалы VIII науч. тех. конф. молодых ученых, г. Санкт - Петербург, 14-16 марта 2006 г. - СПб.: ЦНИИ «Электроприбор», 2007 г. - С. 238 - 244.

38. Инерциальный измерительный модуль на микромеханических чувствительных элементах / A.M. Боронахин, Е.Д. Бохман, Н.С. Филипеня А.О. Грунский, Д.П. Лукьянов// Навигация и управление движением: материалы VIII науч. тех. конф. молодых ученых, г. Санкт -Петербург, 14-16 марта 2006 г. - СПб.: ЦНИИ «Электроприбор», 2007 г. - С. 118-124.

39. A.M. Боронахин, Л.Н. Олейник, А.Н. Ткаченко, Н.С. Филипеня. Разработка малогабаритной интегрированной системы диагностики рельсового пути/ Материалы X конференции молодых ученых "Навигация и управление движением"// Санкт-Петербург, Навигация и управление движением. - 2009, С. 403-409.

40. С.А. Анисимов, A.M. Боронахин, М.Н. Бурнашев, П.А. Иванов, Л.Н. Олейник, И.Л. Суров, А.Н. Ткаченко, Ю.В. Филатов. Алгоритм испытаний триады гироскопов на двухосном испытательном стенде// Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ», серия «Приборостроение и информационные технологии». - выпуск 8/2009. - С. 26-34.

41. A.M. Боронахин, Е.Д. Бохман, Л.Н. Подгорная, Н.С. Филипеня. Разработка малогабаритной автономной системы диагностики рельсового пути/ Сборник докладов Международного научно-практического семинара «Конструкция железнодорожного пути и вопросы технического обслуживания высокоскоростных магистралей», Санкт-Петербург, 3-4 июня 2010, С. 134-141.

42. A.M. Боронахин, Л.Н. Подгорная, Е.Д. Бохман, Р.В. Шалымов, Д.Ю. Ларионов. Автоматизированная система диагностики рельсового пути для обеспечения безопасности железнодорожного движения/ Сборник докладов I международной НПК «Интеллектуальные технологии на транспорте», Санкт-Петербург, 24-26 марта 2011, С. 166-171.

43. А.М.Боронахин, Л.Н.Подгорная, Е.Д.Бохман, Н.С.Филипеня, Ю.В.Филатов, Р.В.Шалымов, Д.Ю.Ларионов. Инерциальная система диагностики рельсового пути на основе микромеханических чувствительных элементов/ Сборник докладов XVIII Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам, 30 мая - 1 июня 2011 г., ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», с.152-160.

44. A.M. Боронахин, П.А. Иванов, Е.Д. Бохман, Ю.В. Филатов, И.Л. Суров. Средства ис-

питаний инерциальных систем и их чувствительных элементов/ Сборник докладов XVIII Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам, 30 мая - 1 июня 2011 г., ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», с.34-41.

45. А.М.Боронахин, Н.С. Филипеня, Л.Н.Подгорная, Е.Д.Бохман, Р.В.Шалымов, Д.Ю.Ларионов. Малогабаритная инерциальная система диагностики рельсового пути/ Радиоэлектронные комплексы многоцелевого назначения: сборник научных трудов. Юбилейный выпуск. 1991-2011/ Открытое акционерное общество «Радиоавионика». - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2011. с.50-58.

46. А. М. Boronahin, L. N. Podgornaya, Е. D. Bokhman, N. S. Filipenya, Yu. V. Filatov, R. B. Shalymov, D. Yu. Larionov. MEMS-Based Inertial System for Railway Track Diagnostics/ Gy-roscopy and Navigation (ISSN 2075-1087), Vol. 2, No. 4, pp. 262-269.

47. A.M. Boronakhin. Test beds for inertial systems and their sensitive elements// P.A.Ivanov, E.D.Bokhman, Yu.V.Filatov, I.L.Surov// ISSN 2075-1087, Gyroscopy and Navigation, 2012, Vol. 3., pp. 188-193.

48. А.М.Боронахин, Н.С. Филипеня, Л.Н.Подгорная, Е.Д.Бохман, Р.В.Шалымов, Д.Ю.Ларионов. Малогабаритная инерциальная система диагностики рельсового пути. Результаты внедрения/ Сборник докладов 64 НТК ППС СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 25 января - 5 февраля, 2011 г., С. 170-173

49. А.М.Боронахин, П.А.Иванов, И.Л.Суров, М.А. Лебедева, А.В. Маляева, Дао Ван Ба, Ле Ван Чанг. Результаты испытаний микромеханического модуля/ Сборник докладов 64 НТК ППС СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 25 января - 5 февраля, 2011 г., С. 173-176.

50. Боронахин A.M. Автономная система диагностики рельсового пути// A.M. Боронахин, Е.Д. Бохман, Д.Ю.Ларионов, Л.Н.Подгорная, Р.В. Шалымов. // Сборник докладов 65 НТК Профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 188-191.

51. Boronahin, D. Larionov, Yu. Filatov, L. Podgornaya, E. Bokhman, R. Shalymov. Inertial System for Railway Track Diagnostics// Proc. on Symp. Inertial Sensors and Systems. Germany, 18 - 19 Sept. 2012. Karlsruhe. P. 17.1-17.20.

52. Yu. V. Filatov, A.M. Boronakhin, N. S. Filipenya, L. N. Podgornaya/ G.N. Zyuzev. Ray-lwayTrack - das Gleisgeometriemesssystem auf Basis von inertialen mikromechanischen Technologies // DER EISENBAHNINGENIEUR, 2012, №12, pp. 28-31.

53. A.M. Боронахин, Е.Д. Бохман, Д.Ю. Ларионов, Л.Н. Подгорная, Ю.В. Филатов, Р.В. Шалымов. Методы и средства диагностики рельсового пути на основе инерциальных и геоинформационных технологий// Бюллетень Объединенного Ученого Совета ОАО РЖД, 2012, №5, с. 28-38.

Монографии:

54. A.M. Боронахин, Д.П. Лукьянов, Ю.В. Филатов. Оптические и микромеханические инерциальные приборы. СПб.: Изд-во «Элмор», 2007. 400 с.

55. A.M. Боронахин, Д.П. Лукьянов, Ю.В. Филатов. Оптические и микромеханические инерциальные приборы. СПб.: Изд-во «Элмор», 2-е издание, 2008. 400 с.

56. Боронахин А. М., Гупалов В. И. Инерциатьные и информационные технологии определения параметров движения объектов и свойств рельсового пути. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2012. 288 с.

Учебные пособия:

57. Боронахин А. М., Гупалов В. И., Мочалов А. В. Инерциальные методы и средства

определения параметров движения объектов: Учеб.пособие по курсам "Проектирование и конструирование устройств АСНУ" и "Инерциальные системы навигации и управления". СПб.: Изд-во СПбГЭТУ'ЛЭТИ", 2000. С.84.

58. Боронахин А. М., Гупалов В. И., Мочалов А. В. Инерциальные методы и средства определения параметров движения объектов и свойств рельсового пути: Учеб. пособие по курсам "Проектирование и конструирование устройств ЛИНС" и "Инерциальные системы навигации и управления".СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2003. С.144.

59. A.M. Боронахин, Д.П. Лукьянов, A.B. Мочалов, Ю.В. Филатов. Теоретические основы малогабаритных инерциапьных систем: Учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2007. С.416.

Патенты РФ:

60. Пат. РФ № 2253091/ А. М. Боронахин, В. И. Гупалов, А. В. Мочалов. Способ коррекции аналитических гировертикалей усеченного состава, 27.05.2005. Бюл.№ 15.

61. Пат. РФ № 2243505/ A.M. Боронахин, В.И. Гупалов, A.B. Казанцев. Способ коррекции датчика пройденной дистанции. Опубл. 27.12.2004. Бюл. № 36.

62. Пат. РФ № 2242391/ Боронахин A.M., Гупалов В.И., Мочалов A.B. Способ инерциапьных измерений неровностей рельсового пути. Опубл. 20.12.2004. Бюл. № 35.

63. Пат. РФ № 2276216/ А. М. Боронахин, В. И. Гупалов, Е. А. Шалагина. Способ измерения горизонтальных неровностей (рихтовки) и кривизны в плане рельсовых нитей. Опубл.

10.05.2006. Бюл. №13.

64. Пат. РФ № 2242554/ Боронахин А. М., Гупалов В. И., Казанцев А. В., Карпасов С. А. Способ измерения просадки рельсовых нитей. Опубл. 20.12.2004. Бюл. № 35.

65. Пат. РФ № 2240244./ А. М. Боронахин, В. И. Гупалов, А. В. Мочалов, А. В. Казанцев. Способ измерения путеизмерительным вагоном жесткости рельсового пути. Опубл. 20.11.2004. Бюл. №32.

66. Пат. РФ №2291803/ А. М. Боронахин, В. И. Гупалов, И. С. Филипеня. Способ измерения путеизмерительным вагоном вертикальных жесткостей рельсовых нитей. Опубл.

20.01.2007. Бюл. №2.

67. Пат. РФ №2291804/ А. М. Боронахин, В. И. Гупалов, И. С. Филипеня. Способ измерения путеизмерительным вагоном боковых (поперечных) жесткостей рельсовых нитей. Опубл. 20.01.2007. Бюл. № 2.

68. Пат. РФ №2446380/ A.M. Боронахин, Е.Д. Бохман, П.А. Иванов. Способ оценивания отклонения от перпендикулярности двух осей. Опубл. 27.03.2012. Бюл. № 9.

69. Пат. РФ № 111310/ A.M. Боронахин, A.A. Великосельцев А.Н. Ткаченко. Устройство регистрации линейных и угловых перемещений. Опубл. 10.12.2011. Бюл. № 34.

70. Пат. РФ № 112882/ A.M. Боронахин, Л.Н. Подгорная, Е.Д. Бохман, Д.Ю. Ларионов, Р.В. Шалымов. Устройство для контроля поверхности катания рельсов. Опубл. 27.01.2012. Бюл. № 3.

71. Пат. РФ № 112627/ A.M. Боронахин, Л.Н. Подгорная, Е.Д. Бохман, Д.Ю. Ларионов, Р.В. Шалымов. Устройство для определения местоположения дефектов рельсового пути. Опубл. 10.12.2012. Бюл. № 34.

72. Пат. РФ № 129217/ A.M. Боронахин, В.Ю. Венедиктов, A.B. Горелая и др. Оптическая система для измерения взаимного положения подрессоренной тележки и кузова вагона. Опубл. 20.06.2013. Бюл. № 17.

Подписано в печать 14.11.13. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 2,0. Тираж 100 экз. Заказ 127. Отпечатано с готового оригинал-макета Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5

Санкт-Петербургский Государственный электротехнический

университет "ЛЭТИ"

На правах рукописи

05201450426

Боронахин Александр Михайлович

ИНТЕГРИРОВАННЫЕ ИНЕРЦИАЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ДИНАМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА РЕЛЬСОВОГО ПУТИ

05.11.03 - Приборы навигации

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт- Петербург 2013

Содержание

Обозначения и сокращения...............................................................................5

Введение..............................................................................................................6

1 АНАЛИЗ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ДИАГНОСТИКИ РЕЛЬСОВОГО ПУТИ..................................................................................................................13

1.1 Анализ методов диагностики рельсового пути...............................13

1.2 Бесхордовые инерциальные методы.................................................25

1.3 Дефекты поверхности катания рельсовых нитей............................29

1.4 Обзор путеизмерительных вагонов-лабораторий российских и зарубежных разработок......................................................................32

1.5 Анализ схем построения ИСОН........................................................39

1.5.1 Определение углового положения кузова вагона

относительно рамы тележки....................................................42

1.5.1.1 Способ построения оптической системы измерения взаимного положения двух плоскостей.................................46

1.5.2 Определение пройденной дистанции.....................................51

1.6 Нормирование результатов измерений по нагрузке и скорости.... 53

1.7 Концепция построения системы динамического мониторинга рельсового пути.................................................................................................65

1.8 Выводы по главе 1..............................................................................68

2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ДИНАМИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ РЕЛЬСОВОГО ПУТИ И ПОДВИЖНОГО СОСТАВА..........................................................................................................69

2.1 Постановка задачи..............................................................................69

2.2 Математическая модель упругих деформаций рельсового пути... 75

2.2.1 Результаты моделирования......................................................79

2.2.2 Результаты экспериментальных исследований.....................86

2.3 Математическая модель колебательного движения элементов вагона...................................................................................................92

2.4 Выработка требований к динамическим характеристикам инерциальных датчиков и систем...................................................................97

2.5 Выводы по главе 2............................................................................102

3 СИСТЕМА ДИАГНОСТИКИ НЕРОВНОСТЕЙ РЕЛЬСОВОГО ПУТИ

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ..........104

3.1 Концепция построения.....................................................................104

3.2 Алгоритм оценки дефектов поверхностей катания рельсовых нитей и колес тележки............................................................................109

3.3 Экспериментальные исследования.................................................119

3.3.1 Описание процедуры монтажа..............................................119

3.3.2 Результаты экспериментальных исследований...................124

3.4 Выводы по главе 3............................................................................139

4 СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ НАВИГАЦИИ В ЗАДАЧАХ ДИАГНОСТИКИ РЕЛЬСОВОГО ПУТИ.....................................................140

4.1 Постановка задачи............................................................................140

4.2 Алгоритм коррекции по координатам............................................143

4.3 Алгоритм коррекции по скоростям.................................................153

4.4 Интегрированные системы навигации на рельсовом пути..........155

4.4.1 Исследование параметров модели погрешностей сигналов системы....................................................................................156

4.4.2 Коррекция по СНС с привлечением СДП............................159

4.4.3 Коррекция по СНС без привлечения СДП...........................161

4.4.4 Коррекция по скоростям, вырабатываемым ИНС..............165

4.5 Результаты испытаний интегрированной системы.......................166

4.5.1 Система навигации на рельсовом пути в составе немецкого путеизмерительного вагона (ОМ\УЕ)...................................166

4.5.2 Система навигации на рельсовом пути в составе путеизмерительного вагона ЦНИИ-4...................................173

4.6 Модель погрешности датчика пути................................................177

3

4.7 Анализ путей развития схем ИСОН на рельсовом пути..............179

4.8 Выводы по главе 4............................................................................189

5 МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИСПЫТАНИЙ ИНЕРЦИАЛЬНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ МОДУЛЕЙ (ИИМ).....................................................190

5.1 Алгоритм испытаний ИИМ согласно рекомендациям IEEE........190

5.1.1 Анализ результатов испытаний.............................................206

5.1.1.1 Результаты калибровки триады ВОТ.......................206

5.1.1.2 Результаты калибровки триады ММГ......................210

5.1.1.3 Результаты калибровки триады ММ А.....................211

5.2 Модернизация алгоритмов испытаний ИИМ................................213

5.2.1 ВО Г...........................................................................................213

5.2.1 ММГ.........................................................................................217

5.3Динамические методы калибровки ИИМ........................................221

5.3.1 Алгоритм для ВОГ..................................................................223

5.3.2 Алгоритм для ММГ................................................................228

5.3.3 Алгоритм для ММА...............................................................230

5.3.4 Результаты экспериментальной апробации.........................234

5.4 Методика аттестации испытательного оборудования..................244

5.4.1 Метод оценки отклонений от перпендикулярности осей многоосных стендов...............................................................246

5.4.2 Описание методики................................................................257

5.5 Выводы по главе 5............................................................................258

Заключение......................................................................................................260

Список литературы.........................................................................................262

Обозначения и сокращения

БИНС - бесплатформенная инерциальная навигационная система

Б-К - датчик букса-кузов

Б-Р - датчик букса-рельс

Б-Т - датчик букса-тележка

ВОГ - волоконно-оптический гироскоп

ГИС - геоинформационная система

ГСК - географическая система координат

ДЛП - датчик линейных перемещений

ДММ - датчик микромеханический

ДП - датчик пути

ДУ - датчики угла

ИИМ - инерциальный измерительный модуль

ИНС - инерциальная навигационная система

ИСК - интегрированная система по координатам

ИСОН - интегрированная система навигации и ориентации

ИСС - интегрированная система по скорости

ЛГ - лазерный гироскоп

ММ - микромеханический модуль

ММА - микромеханический акселерометр

ММГ - микромеханический гироскоп

МНК - метод наименьших квадратов

НО - навигационный отметчик

ОФК - оптимальный фильтр Калмана

ПА СНС - приемная аппаратура спутниковой навигационной системы

ПВ - путеизмерительный вагон

Р-К - датчик рельс-кузов

СДП - система датчиков положения

СНС - спутниковая навигационная система

Т-К - система тележка-кузов

ФНЧ - фильтр нижних частот

Введение

Актуальность темы исследования определяется сохраняющейся тенденцией роста грузоперевозок, а следовательно, и интенсивности движения по железным дорогам, что в условиях развития высокоскоростного транспорта предъявляет более жесткие требования к методам и средствам диагностики текущего состояния рельсового пути [1]-[4]. При этом вопросам динамического взаимодействия ж.д.-состава и пути должно быть уделено особое внимание, так как степень упругих деформаций рельсовых нитей непосредственно сказывается на достоверность результатов измерений геометрических параметров.

Степень ее разработанности

При анализе динамического взаимодействия ж.д.-состава и рельсового пути рассматриваются различные кинематические схемы колебательных систем вагона и пути, в большинстве случаев представляющие собой дифференциальные уравнения 5-го и более высоких порядков. [5]-[8]. Это приводит к трудностям в реализации их решений в режиме реального времени. С другой стороны, благодаря стремительному развитию вибро- и ударопрочных микромеханических гироскопов (ММГ) и акселерометров (ММА) и возможности построения миниатюрных трехосных микромеханических модулей (ММ), устанавливаемых непосредственно на крышки подшипников колесных пар, становится возможным выполнять измерения результирующих сил такого взаимодействия непосредственно в точках контакта «колесо-рельс». В свою очередь это позволит снизить порядок дифференциальных уравнений, описывающих колебательное движение элементов вагона (колесной пары, рамы тележки и кузова вагона) и получить теоретико-экспериментальное обоснование требований к бесплатформенной инерциальной навигационной системе (БИНС) в зависимости от места ее установки. В последующем такой подход даст возможность

6

выполнять пересчет деформации пути, возникающей в процессе движения путеизмерительного вагона, к ситуации, когда по контролируемому участку будет следовать грузовой состав, обладающий существенно большей массой по сравнению с путеизмерительным вагоном (ПВ).

Одним из эффективных путей развития систем диагностики является оснащение подвижных единиц (вагона или локомотива) регулярно курсирующих составов малогабаритными комплексами среднего класса точности с различной степенью автономности, контролирующих основные геометрические параметры пути. С одной стороны это экономически более привлекательно, чем производство дорогостоящего оборудования высокоточного ПВ, требующего, в том числе привлечения группы сотрудников для его обслуживания, с другой стороны, благодаря сопоставлению результатов от проезда к проезду, становится возможным выявление участков пути с тенденцией к развитию дефектов. Тогда ремонтные работы по такому участку могут быть выполнены заблаговременно до возникновения ситуаций, требующих снижения скоростного режима или закрытия движения.

В настоящее время наиболее эффективным средством мониторинга рельсового пути остаются путеизмерительные комплексы на базе пассажирских вагонов, включаемые в составы регулярно курсирующих поездов. При этом для построения базовой системы координат, в которой производятся измерения основных геометрических параметров пути, используется интегрированная система ориентации и навигации (ИСОН), в состав которой традиционно входят БИНС, спутниковая навигационная система (СНС) и датчик пути (ДП) [7]. Однако, учитывая относительно небольшое количество подобных комплексов как в России, так и за рубежом, в качестве БИНС, привлекаются системы изначально спроектированные для морского или воздушного транспорта. Поэтому алгоритмы функционирования таких ИСОН в недостаточной мере адаптированы к условиям экс-

7

плуатации на железной дороге. В частности, задача навигации на рельсовом пути, определяющем квазипостоянную траекторию движения, сводится к определению не географических координат, а величины пройденной дистанции S. Основным источником информации об этом параметре выступает ДП, в основе которого используется датчик угла поворота колеса (одометра). Соответственно для построения эффективного алгоритма функционирования ИСОН требуется знание математической модели его погрешностей, которая характеризуется как инструментальными погрешностями - уменьшение диаметра колеса в процессе эксплуатации, так и его проскальзыванием в результате динамических процессов взаимодействия вагона и рельсового пути, приводящим, в том числе, к упругим деформациям последнего. Это приводит к проблеме воспроизводимости решения задачи локализации обнаруживаемых дефектов.

Особое внимание в процессе производства инерциальных измерительных модулей (ИИМ) и БИНС уделяется вопросам их калибровки и испытаний. При этом разработчики руководствуются стандартами IEEE [9], [10], носящими рекомендательный характер и предусматривающими использование в качестве испытательного оборудования одно-, двух- и трехосных стендов в режимах угловых позиционирований и вращений с постоянными угловыми скоростями. Однако вполне логичным являлось бы выполнять испытания в режимах близких к условиям последующей эксплуатации на объекте. При этом в большинстве случаев речь идет о движениях с квазигармоническими угловыми колебаниями. В условиях инфраструк-

ТЛ/Г\LТ МГ<=»ГП="ЗПГ»Й ТТГ\Г»Г\Г'Т,Т ТЛТТЛ/Г ГГП TJ/=> ТГЧТЧГГ» НЭЛЛйиАиНОЛ« гГ|=»*ДТТр»"»С1гП/_

1 iiwjivjiiuil II ¿li iLVi iiu^uvpjiwil nv x ujiuiw ruiTlvllvliri/liVl i. vlVllivpuij

ры, но и существенным электромагнитным помехам.

Указанный комплекс проблем составил предмет данной диссертационной работы и определил ее цель.

Цель работы - решение научно-технической проблемы разработки новых принципов построения систем динамического мониторинга рельсо-

вого пути, в основе которых используются последние достижения интегрированных инерциальных технологий.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1. Анализ методов и средств диагностики рельсового пути и формулирование тенденций развития путеизмерительных средств в условиях высокоскоростного движения, опираясь на последние достижения технологий инерциальной и спутниковой навигации и геоинформационных систем (ГИС).

2. Разработка концепции построения ИСОН для задач диагностики рельсового пути.

3. Разработка математического описания динамического взаимодействия рельсового пути и подвижного состава для формулирования требований к техническим характеристикам инерциальных систем, используемых в составе путеизмерительных средств.

4. Разработка системы диагностики рельсового пути с использованием микромеханических датчиков.

5. Анализ методов калибровки ИИМ и оценка эффективности комплек-сирования показаний ИИМ и испытательного стенда в режимах квазигармонических колебаний.

6. Формулирование требований к испытательному оборудованию для калибровки инерциальных датчиков и систем на их основе, а также разработка методики его поверки.

Научная новизна проведенных исследований заключается в том, что в ходе их выполнения впервые:

- разработана концепция построения ИСОН для задач диагностики рельсового пути;

- предложена математическая модель динамического взаимодействия вагона и рельсового пути;

- разработана система диагностики импульсных неровностей рельсовых нитей;

- предложен и разработан новый метод высокоточной привязки результатов контроля рельсовых нитей к пройденному пути на основе интегрированной системы ДШБИНС/СНС/ММ, позволяющий создать геоинформационную базу данных состояния пути;

- проанализированы традиционные и предложены новые динамические методы калибровки ИИМ в режимах квазигармонических колебаний.

Теоретическая значимость работы заключается в обобщении опыта построения комплексов для диагностики состояния рельсового пути, модернизации существующих и разработки новых алгоритмов их функционирования, предполагающих более эффективное использование потенциальных возможностей систем инерциальной навигации и ориентации. Практическая значимость работы:

- Сформулированы требования к техническим характеристикам ММА и ММГ для построения ИИМ, устанавливаемых непосредственно на крышки подшипников колесных пар. Это позволило уточнить перечень обобщенных координат достаточных для создания математической модели, описывающей колебательные движения элементов вагона. Сформулированы требования к БИНС, установленной на раме тележки;

- Разработан способ бесконтактного измерения относительного положения кузова вагона и рамы железнодорожной тележки, обеспечивающий контроль угловых перемещений с точностью 1' и линейные 1 мм, что является достаточным для приведения показаний СНС к месту расположения БИНС на раме тележки;

- Разработана и реализована инерциальная система диагностики рельсового пути на микромеханических чувствительных элементах, позволившая автоматизировать процесс выявления дефектов поверхности катания рельсовых нитей и колес;

- Разработаны методы и алгоритмы высокоточной привязки результатов контроля к пройденной дистанции, базирующиеся на построении ИСОН на рельсовом пути, объединяющей ДП, ИНС, СНС и ММ, которые позволяют обеспечить независимость результатов измерений от изменения скорости движения и локализовать обнаруженные дефекты с погрешностью 0,5 м на 20 км пути;

- Разработаны и апробированы методы динамической калибровки гироскопов и акселерометров, позволяющие обеспечить наблюдаемость всех параметров модели некомпенсированных погрешностей соответствующих датчиков, а также реализовать их калибровку в заданном (рабочем) диапазоне угловых скоростей;

- Разработан и реализован бесконтактный способ оценки отклонения от перпендикулярности двух осей стенда для случая, когда к ним отсутствует физическая доступность (невозможен монтаж измерительной аппаратуры).

Методология и методы исследования базируются на общей теории инерциальной навигации и теории интегрированных навигационных систем, теории измерений, теории точности, теории оптимальной обработки информации, теории кинематики и динамики твердого тела, теории колебаний, аналитической механике и векторной алгебре, теории случайных процессов и статистических методах их анализа, методах математического и имитационного моделирования.

В результате проведенных исследований получены следующи�