автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.22, диссертация на тему:Концепция обеспечения безопасности движения железнодорожного транспорта на основе построения и последующей интеграции стационарных, постовых и бортовых диагностических комплексов нового поколения

Международный академический союз

На правах рукописи

Харыбин Игорь Алексеевич

КОНЦЕПЦИЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ДВИЖЕНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА НА ОСНОВЕ ПОСТРОЕНИЯ И ПОСЛЕДУЮЩЕЙ ИНТЕГРАЦИИ СТАЦИОНАРНЫХ, ПОСТОВЫХ И БОРТОВЫХ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

Специальность: 05.02.22 - Организация производства

Диссертация

на соискание ученой степени доктора технических наук в форме научного доклада.

Москва. 2014г.

м

Работа выполнена в филиале ОАО РЖД "Горьковская железная дорога".

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Начальник Управления инфраструктуры и перевозок Федерального Агенства железнодорожного транспорта Министерства Транспорта Российской Федерации Шпади Дмитрий Владимирович;

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Коваленко Николай Иванович доктор технических наук, профессор Лесун Анатолий Федорович доктор технических наук, профессор Славинский Зиновий Михалевич

Защита состоится 2014 г. на заседании диссертационного

совета Д.011.024.МАИ 032 Высшей Межакадемической аттестационной комиссии.

С диссертацией в форме научного доклада можно ознакомиться в диссертационном совете Д.011.024.МАИ 032.

Автореферат разослан_2014г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы

Существующая система обеспечения безопасности движения на железнодорожном транспорте требует новых подходов в силу ряда причин:

• Высокий моральный и физический износ тягового и подвижного состава.

• Потеря технологий машиностроительными предприятиями, изготавливающими конструкции большой массы, включая крупногабаритное вагонное литье.

• Практически ликвидирована эффективная, ранее выстроенная, единая ремонтно-эксплуатационная база для железнодорожного транспорта.

• Лишение железных дорог возможности прямого управления железнодорожным транспортом, в том числе и безопасностью перевозок.

• Доминирующий объем перевозок углеводородного сырья влечет за собой повышенную динамическую нагрузку за счет гидравлических ударов, что приводит к повышенному износу ходовых частей цистерн, рельсового пути и является прямой причиной схода грузовых составов.

• Кадровый голод высококвалифицированных специалистов железнодорожников. Наиболее интеллектуальная молодежь, заканчивающая железнодорожные учебные заведения, изменяет своей профессии и отдает предпочтение банкам, биржевым ассамблеям, крупным холдингам и концернам.

• Переход на высокоскоростное пассажирское, а затем и пригородное сообщения (Рис. 1). ______

Рис. I

Данное исследование призвано предложить концепцию, реализация которой должна позволит не только сохранить, но и на новом качественно-интеллектуальном уровне обеспечить высокие, стабильные показатели безопасности при перевозке грузов и пассажиров.

Цели и задачи исследования.

Целью данной работы является разработка концепции обеспечения безопасности движения железнодорожного транспорта на основе построения и последующей интеграции стационарных, постовых и бортовых комплексов нового поколения.

В связи с этим:

1. Показаны новые подходы к построению системы обеспечения безопасности движения.

2.Вскрыты причины перехода на новый уровень обеспечения безопасности движения от автоматизации к интеллектуализации подвижного состава и инфраструктуры.

3. Определена многоплановость функций мониторинга: контроль, диагностика, управление, интегральная сходимость информации и её централизованная реализация.

4. Показана этапность и преемственность взаимных информационно-диагностических потоков для оптимизации структур мониторинга различного класса.

5. Проведен анализ разработок, близких по концептуальности к задачам данного исследования.

6. Аналитически доказано и практически подтверждено ранговое место акустической эмиссия, электромагнитной и нелинейной радиолокации в иерархии диагностического ряда.

7. Для решения задач данного исследования выбраны нетрадиционные пути их решения.

Научная новизна диссертации.

Научную новизну диссертации составляют:

1. Технология мониторинга железнодорожного транспорта как инструмент индивидуального контроля, а в совокупности мониторинговых систем - прогнозная составляющая в системе управления безопасностью движения.

2. Методы повышения эффективности работы вагонного парка за счет комплектования подвижного состава узлами и агрегатами равного качественного уровня.

3. Выбор телеграфных уравнений для расчетов длин затухания локационных сигналов.

4. Неоднозначная значимость удельного сопротивления рельса К и удельной проводимости земляного полотна О при определении гарантированного пути торможения высокоскоростных составов.

5. Схема генерации электромагнитной волны, образованной элементами инфраструктуры железной дороги: рельсы, провода контактной сети, линии электропередачи, установленные на опорах контактной сети.

6. Применение впервые в практике железнодорожных технологий нелинейной радиолокации как альтернативы ультразвуковым и акустоэмиссионным методам.

7. Система управления безопасностью как синтез диагностических потоков стационарных, постовых и бортовых видов мониторинга.

Практическая значимость работы.

Разработана концепция безопасности движения, основные положения которой положены в отраслевую программу. На Горьковской железной дороге проходят испытания, не имеющие аналогов экспериментальные диагностические комплексы на основе нелинейной радиолокации и электромагнитной локации, схема генерации котолрой образуется элементами инфраструктуры.

Структура и объем работы.

Научный доклад состоит из пяти глав, заключения, списка научных трудов по выполненной теме и списка использованной литературы.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ НАУЧНОГО ДОКЛАДА

Глава 1. Постановка задачи.

Работа строится на основе глубокой интеллектуализации железнодорожного транспорта и представляет собой совокупность отдельных, но взаимосвязанных между собой уникальных разработок, что позволит ее реализовывать, как по отдельным частям, так и в целом.

Конечной целью проекта является возможность прямого управления безопасностью движения на основе интегрированной совокупности диагностических комплексов нового поколения стационарного, постового и бортового классов.

Разработка проекта и его последующая реализация обеспечивается высоким уровнем развития методов неразрушающего контроля, доступностью вычислительных мощностей, измеряемых терафлопсами, и современными технологиями передачи и обработки информации.

Предлагается новый подход к обеспечению безопасности перевозок на основе единой системы диагностических технологий ремонта и эксплуатации подвижного состава. В единстве ремонта и эксплуатации локомотивов и вагонов заложена стратегия информационной обратной связи, которая с помощью технических систем обеспечивает интегрированный сетевой мониторинг показателей надежности подвижного состава в эксплуатации и норм при выпуске из ремонтных депо.

Инструментальной основой разработки являются совокупность статического и динамического мониторингов и, основанного на этих данных прогнозного тренда технического состояния ходовых частей подвижного состава, позволяющая в реальном времени сравнивать их статически задаваемые нормы и реально получаемые в эксплуатации. Это дает возможность принимать управляющие решения, предупреждающие развитие опасных ситуаций, изменять в случае необходимости организацию процесса эксплуатации и ремонта вагонов, влиять на ситуацию в целом и, в конечном

счете, поддерживать требуемый уровень безопасности перевозок пассажиров и грузов.

Какие задачи необходимо выполнить в данной работе: Повышенный износ локомотивов и вагонов ставит задачу построения статического мониторинга ремонта и динамического мониторинга при их эксплуатации, в первую очередь, ходовых частей.

Выстроить преграду проникновения бракованного крупного вагонного литья и других крупногабаритных конструкций при сборке вагонов. Это должно быть решено мониторингом на основе бесконтактных методов диагностики путем организации постовых систем.

Особое место в исследовании будет уделено проблеме безопасности при организации высокоскоростного движения, в основе решения которой будут положены принципы опережающего (бегущего впереди поезда) мониторинга железнодорожного полотна. Данный принцип должен быть реализован путем построения бортовых систем, устанавливаемых на локомотивах. Данный класс мониторинга так же отслеживает целостность колесных пар, потерю контакта колеса с рельсом, наличие на рельсовом пути несанкционированных предметов и препятствий, а так же идентифицирует сход подвижного состава.

Глава 2. Статический мониторинг ремонта тягового и подвижного составов.

Статический мониторинг строится на стационарных вибродиагностических комплексах. Качественное выполнение в депо планово-предупредительных и ремонтных работ - один из ключевых моментов обеспечения надежности грузовых вагонов. Особенно важен надежный контроль технического состояния ходовых частей подвижного состава, на долю дефектов которых приходится до 70% всех критических нарушений безопасности в пути следования. Современная высокоскоростная наукоемкая аппаратура контроля технического состояния ходовых частей в депо - вибродиагностические комплексы обнаруживает наличие дефектов с достоверностью не ниже 95-98%, минимизирует время обслуживания, не допускает прохождения дефектных узлов на последующие технологические операции, на которых пропущенный брак устранялся бы с большими финансовыми затратами.

В настоящее время 380 таких вибродиагностических комплексов (ОМСД) эксплуатируются на 173 предприятиях 16 железных дорог -филиалах ОАО «РЖД». Данные комплексы контролируют весь технологический цикл ремонта ходовой части локомотивов и вагонов: подшипники с цилиндрическими роликами; подшипники с коническими роликами; буксовые узлы, колесных пары без редукторов и с редукторами; подшипники генераторов и тяговых двигателей; колесно-моторные и колесно-редукторные блоки; узлы ходовой части под вагонами и локомотивами. Данные комплексы объединены в дистанционные диагностические центры, которые обеспечивают статический мониторинг, хранение данных диагностического контроля, проверку адекватности статистических методов, их адаптацию при изменении параметров техпроцесса, формирование сменных отчетов и их передачу в системы управления более высоких иерархических уровней, а так же инсталляцию новых программных модулей.

В настоящее время в ремонтных депо локомотивного комплекса

используются современные методы неразрушающего контроля: ультразвуковой, магнитно-порошковый, вихретоковый. [1]

Но наиболее широко в ремонтных депо локомотивного и вагонного хозяйств представлен вибрационный метод диагностики. [2]

Статический мониторинг ремонта в локомотивных депо.

Система диагностики элементов подшипников качения акустико-эмиссионным методом контроля (рис. 2) выявляет зарождающиеся дефекты металлургического и эксплуатационного происхождения всех элементов подшипника: поперечные, продольные, наклонные трещины любого местоположения.

Рисунок 2

Система вибродиагностики подшипников (рис.3) качения для ремонтных депо локомотивного хозяйства предназначена для входного и/или выходного контроля подшипников в роликовых отделениях при ремонте подвижного состава.

Система выявляет следующие неисправности: дефекты сборки подшипника; повреждения сепаратора; износ тел качения; дефекты тел качения; износ наружного кольца; дефекты наружного кольца; повреждения поверхностей катания (коррозия, шелушение поверхностей катания).

Время съема/обработки сигнала (4-8)/2 сек.

Полное время диагностики одного подшипника 2 мин.

Система диагностики подшипников в отличие от применяемых сегодня вибродиагностических систем (рис.За) исключает применение усилителей в отдельном исполнении в измерительном тракте за счет совмещения пьезодатчика и усилителя в едином корпусе (рис.Зб). Данная система в автоматическом цикле контролирует все элементы подшипника, включая и полностью поверхность катания неподвижного наружного кольца (рис.Зв). То есть от оператора, производящего контроль, требуется только установить подшипник на стенд вращения и ввести номер, дальше осуществляется полный автоматический цикл диагностики. Результат диагностики выдается в автоматическом режиме, то есть полное исключение человеческого фактора при принятии окончательных диагностических решений. Интеллект программного обеспечения системы исключает повторное измерение одного подшипника под разными номерами (рис.Зг).

Рисунок 3

Рисунок Зв

Рисунок За

и

г

Рисунок 36

Рисунок Зг

Система диагностики «холостых» колесных (КП) пар на основе метода акустической эмиссии определяет зарождающиеся дефекты в элементах колесной пары (ось, колесо) локомотива. Процесс диагностики происходит в ремонтных депо при нагружении колесной пары усилиями, соизмеримыми с реальными эксплуатационными нагрузками.

Система вибродиагностики колесных пар без редуктора (рис.4) на стенде позволяет производить обкатку колесной пары и выявляет дефекты подшипников буксовых узлов: дефекты сборки буксового узла колесной пары; повреждения сепаратора; износ тел качения; дефекты тел качения; износ наружного кольца; дефекты наружного кольца; повреждения поверхностей катания (коррозия, шелушение поверхностей катания); износ внутреннего кольца; дефекты внутреннего кольца; дисбаланс колесной пары; дефекты смазки.

Время съема/обработки сигнала (4-8)/2 сек.

Полное время диагностики одной КП на стенде 6-8 мин.

Система диагностики колесных пар в отличие от применяемых сегодня вибродиагностических систем (рис.4а) исключает применение усилителей в отдельном исполнении в измерительном тракте за счет совмещения пьезодатчика и усилителя в едином корпусе (рис.4б). Данная система в автоматическом цикле контролирует все элементы буксового подшипника колесной пары. Результат диагностики выдается в автоматическом режиме, то есть полное исключение человеческого фактора при принятии окончательных диагностических решений. Интеллект программного

обеспечения системы исключает повторное измерение одной колесной пары под разными номерами (рис.4в).

г> лс Рисунок 4в

Рисунок 46 1

Система вибродиагностики КМБ/КРБ (рис.5) на стенде позволяет производить обкатку КМБ/КРБ и выявляет дефекты редуктора, подшипников буксовых узлов, подшипников электродвигателя: дефекты сборки КМБ/КРБ;

повреждения сепаратора; износ тел качения; дефекты тел качения; износ наружного кольца; дефекты наружного кольца; повреждения поверхностей катания (коррозия, шелушение поверхностей катания); износ внутреннего кольца; дефекты внутреннего кольца; дисбаланс колесной пары; повреждения редуктора (износ, поломка зубьев колеса или шестерни); дефекты смазки.

Время съема/обработки сигнала (4-8) /2 сек.

Полное время диагностики одного КМБ/КРБ на стенде 6-8 мин.

Результат диагностики выдается в автоматическом режиме, то есть полное исключение человеческого фактора при принятии окончательных диагностических решений.

Интеллект программного обеспечения системы исключает повторное измерение одного КМБ/КРБ под разными номерами.

Рисунок 5

Система вибродиагностики тяговых электродвигателей локомотивов (рис. 6) выявляет дефекты и неисправности моторно-якорных подшипников: повреждения сепаратора; износ тел качения; дефекты тел качения; износ

наружного кольца; дефекты наружного кольца; повреждения поверхностей катания (коррозия, шелушение поверхностей катания); износ внутреннего кольца; дефекты внутреннего кольца; дисбаланс ротора.

Время съема/обработки сигнала (4-8)/2 сек.

Полное время диагностики одного электродвигателя на стенде 4-6 мин.

Возможны варианты состава аппаратной части системы, как в исполнении, приведенном на рис.6а, так и в исполнении рис.66. Результат диагностики выдается в автоматическом режиме, то есть полное исключение человеческого фактора при принятии окончательных диагностических решений.

Интеллект программного обеспечения системы исключает повторное измерение одного электродвигателя под разными номерами.

Рисунок 6а Рисунок 66

Система вибродиагностики (рис.7) КМБ/КРБ под локомотивом выявляет дефекты редуктора, подшипников буксовых узлов, а так же подшипников электродвигателя при вывешенном локомотиве (рис.8): повреждения сепаратора; износ тел качения; дефекты тел качения; износ

наружного кольца; дефекты наружного кольца; повреждения поверхностей катания (коррозия, шелушение поверхностей катания); износ внутреннего кольца; дефекты внутреннего кольца; дисбаланс колесной пары; дисбаланс вала двигателя; повреждения редуктора (износ, поломка зубьев колеса или шестерни); дефекты смазки.

Время съема/обработки сигнала (4-8)/2 сек.

Полное время диагностики одного КМБ/КРБ под локомотивом 12-15

мин.

Рисунок 8

Рисунок 7

Статический мониторинг ремонта в вагонных депо.

Многолетний опыт эксплуатации в вагонных ремонтных предприятиях ОАО «РЖД» диагностических систем на основе вибродиагностических методов (около 400 единиц) показал, что до настоящего времени основной процент внеплановых ремонтов приходится на буксовый узел, в первую очередь в грузовом парке.

Анализируя результаты эксплуатации с широким использованием статистических методов обработки, было установлено несколько основных причин брака у грузовых вагонов.

Наличие усилителя заряда (рис. 9, 10) в измерительном тракте вызывает снижение достоверности результатов диагностики:

- влияние электромагнитных полей;

- возможность несанкционированного изменения коэффициента усиления, что позволяет переводить забракованный подшипник в разряд годных.

Рис.9

Рис.10

Возможность фальсификации результатов диагностики:

- за счет диагностики одного и того же объекта под разными номерами;

- за счёт изменения в отчёте результатов диагностики оператором. Отсутствие возможности диагностировать кассетные подшипники. Учитывая отраслевую необходимость повышения результатов

диагностических технологий, в 2009 году был создан вибродиагностический комплекс нового поколения - ОМСД-ОЗ в составе системы диагностики

подшипников и системы диагностики буксовых узлов колесных пар грузовых и пассажирских вагонов.

В системе диагностики подшипников решены следующие вопросы: исключен усилитель заряда, что не дает возможность фальсифицировать результаты диагностики посредством убавления коэффициента усиления простейшим поворотом тумблера на его панели (рис. 11);

Рис.11

- виброакустический датчик совмещен с усилителем (рис.12);

Датчик без усилителя

Датчик с усилителем

Рис.12

- исключена возможность диагностики одного и того же подшипника под разными номерами (рис 13, 14);

Рис.13. Спектры одного подшипника, записанного под разными номерами.

Рис.14. Спектры двух разных подшипников.

осуществлена защита от несанкционированного изменения браковочных порогов;

- обеспечено лучшее соотношение сигнал/шум измерительных каналов и помехозащищенность с применением датчиков со встроенными предусилителями;

- обеспечена возможность формирования нередактируемых протоколов по результатам диагностики;

- применение датчиков оборотов шпинделя позволяет производить перерасчет частот элементов подшипников (ролики, кольца, сепараторы), что позволяет успешно применить для диагностики метод огибающей, дающий высокие достоверные результаты о состоянии всех элементов подшипников;

В системе диагностики буксовых узлов колесных пар решены следующие вопросы:

- исключены два усилителя заряда, что не дает возможность фальсифицировать результаты диагностики посредством убавления коэффициента усиления простейшим поворотом тумблера на его панель (рис.15);

Рис.15

- исключена возможность диагностики одной и той же колесной пары под разными номерами (рис. 16, 17);

Рис. 16. Спектры одной колесной пары, записанной под разными номерами.

Рис.17. Спектры двух разных колесных пар.

- введена защита от несанкционированного изменения браковочных порогов;

- обеспечено лучшее соотношение сигнал/ шум измерительных каналов и помехозащищенность, за счет применения датчиков со встроенными усилителями;

обеспечено формирование нередактируемых протоколов по результатам диагностики;

Рис.18.

- реализован в системе режим осевого нагружения, что позволяет контролировать колесную пару, как с роликовыми, так и с кассетными подшипниками (Рис. 19).

Я.

сАп

Цсз

Рис.19

В процессе диагностирования в комплексе ОМСД-ОЗ применяются следующие методы оценки технического состояния объекта контроля по вибрации:

Среднеквадратичное значение вибрации (СКЗ) в трех полосах частот. Данный метод контроля применяется для выявления дефектов,

- реализован режим автоизмерения, что позволяет в автоматическом цикле проводить обкатку, а также весь комплекс работ от постановки колесной пары на установку до ее подъема после проведения процесса вибродиагности ки;

- введен режим программного торможения, что исключает нарушение поверхности катания колеса (Рис.18);

распределенных по поверхности элементов качения подшипника, таких как, дефекты смазки, коррозия, шелушение наружных колец, внутренних колец и тел качения.

Пик-фактор, коэффициент эксцесса для амплитудно-временного сигнала. Оба значения устанавливают факт наличия в вибросигнале ударных составляющих, эти методы выявляют локально расположенные дефекты типа трещин, раковин, вмятин и сколов на поверхностях качения подшипников.

Спектр вибрации (автоспектр). Данный метод позволяет выявлять наличие как сосредоточенных, так и распределенных по поверхностям качения дефектов согласно инструктивных указаний по эксплуатации и ремонту вагонных букс с роликовыми подшипниками 3-ЦВРК.

Спектр огибающей вибрации, с гармоническим анализом в рабочих полосах частот. Данный метод позволяет определять локально сосредоточенные дефекты на начальной стадии их развития, метод является весьма чувствительным к незначительным, но не менее опасным в дальнейшей эксплуатации дефектам.

На рисунке 20 показан вибродиагностический комплекс нового поколения ОМСД-ОЗ.

Рис.20.

Система управления технологией ремонта в вагонных и локомотивных депо строится на пооперационном статистическом анализе результатов диагностирования производственного процесса с выработкой управляющих решений, в случае определения отклонений от контролируемых норм. Система включает в себя локально установленный в депо сервер с возможностью управления технологией ремонта и подключенных к нему диагностических стендов и различных позиций диагностики.(Рис.21)

ДИСТАНЦИОННЫЙ ДИАГНОСТИЧЕСКИЙ ЦЕНТР

Рисунок 21.

Управление технологическими процессами обеспечивает концентрацию результатов с диагностических комплексов позволяет с высокой достоверностью фиксировать качество выполняемых основных технологических операций. Обработка этих результатов в режиме реального времени легла в основу активного управления технологическим процессом ремонта подшипников и буксовых узлов колесных пар (рис. 22).

^ 200 150 I ; ;

; ;

I

£ 50 ; : |

: • ...............................................УН ■

■

5 10 15 ?0 25 30 35 »0 45 50 55 50 65 70 Показатель качества (%) Р Распределение показателя га «стеа М Зона недопустимых значении

Рисунок 22.

Несмотря на системный уровень управления технологией ремонта, внеплановое количество ремонтов в настоящее время по своей трудоемкости сравнимо с плановой.

Проведенные исследования показали, что действительно ходовая часть грузовых вагонов комплектуется из деталей и узлов, прошедших технологический и выходной контроль. В случае же когда из шестнадцати подшипников одного вагона, хотя бы один из них близок к своему предельному ресурсу, то его ускоренный выход из строя приведет к простаиванию вагона и исключению из грузового оборота пятнадцати подшипников с высоким остаточным эксплуатационным ресурсом.

Не отбрасывая инструмент управления технологией ремонта, логическим его продолжением было принято направление, обеспечивающее комплектование грузовых вагонов деталями и узлами с близкими ресурсно-эксплуатационными показателями.

В этом случае диагностические результаты всех видов диагностики, применяемые в технологическом маршруте, заносятся для расчета коэффициента качества. Результаты учитывают величину замеров в реальном поле допусков. (Рис.23)

Акустическая

Ультразвук Магнитострикция

Феррорсзонанс

Тепловые

измерения

Механические и

лазерные

линейные

измерения

Рисунок 23.

В базу данных центра формирования вагонов с одинаковыми показателями эксплуатационной надежности после обработки полученных данных заносится коэффициент качества узла, автоматически рассчитанный по специальному алгоритму, учитывающему всю совокупность параметров, полученных в результате измерений. Коэффициент качества является оценочным показателем, позволяющим оптимально комплектовать узлы и агрегаты ходовой части локомотивов и вагонов деталями, имеющими близкие коэффициенты качества, что гарантирует их равнонадежность, предупреждает развитие опасных дефектов и обеспечивает высокую техническую готовность. [3]

Пусть выполнена проверка качества и признаны годными детали типа 1 в количестве д единиц, детали типа] - в количестве ^ единиц.....детали

типа к - в количестве цк штук. Определим булеву переменную

{1, если детали \,],...,к включены в один модуль

О, в противном случае

Пусть с к - коэффициент качества узла, собранного из деталей /,у,...,к.

Поскольку каждая деталь любого из типов входит только в один модуль, то выполняются ограничения:

Х„ АЛЯ < = 1 ,п,> > = * = 1.И, (!)

& ^ —

Е-Ех, 4 = I для всякого ( = 1,и(

«ц Ж -

Е-Ех,.» =1 для всякого У = \,п. (2)

1=1 ¿-I

ж & -

•ЕЕ -X,, * = ' для всякого * =

ы

Целевая функция представляет сумму коэффициентов качества всех собранных модулей и имеет вид:

Р(Х,С)= I У, ...И Су...кХу...к • (3)

,=1 у=1 к=1

Задача комплектования состоит в получении максимума целевой функции Р(Х,С) при ограничениях (1), (2). Эта задача является обобщением классической задачи выбора на многомерный случай, известна в дискретной математике как многоиндексная задача о назначении с аксиальными

суммами, решение которой может быть получено алгоритмом ветвей и границ или эвристическими процедурами [4].

Следует учитывать, что предельные значения характеристик статического мониторинга, которым должны удовлетворять контролируемые параметры ходовых частей локомотивов и вагонов, не увязаны должным образом с дальностью пробега из-за отсутствия необходимых аналитических зависимостей. Для установления границ контролируемых параметров потребовался качественный переход от статического к динамическому мониторингу, т.е. решению проблемы определения пороговых значений технического состояния вагонов при движении железнодорожных составов.

Глава 3. Динамический мониторинг тягового и пассажирского составов.

Результаты разработки статического мониторинга легли в основу создания динамического мониторинга, задачей которого является обнаружение негативных изменений ходовых частей локомотивов или вагонов, указывающих на возможность возникновения аварийных ситуаций. Из всех приведенных работ динамический мониторинг наиболее близко подходит к проблеме, решаемой в данном исследовании.

Процесс динамического мониторинга разделяется на три этапа, (рис.24)

Ujc-J

Зона принятия решения

I

1 2 3 4 Б 0 7 В и 1(1 11 1.' 19 14 И; II ... 1 2 3 4 Б 0 7 й 8 10 11 |f 1 1 м 15 11 ... 1 2 Э 4 5 • 7 « 13 11 14 К 18

КМ

1-16 - порядковые номера подшипников одного пассажирского вагона

■LJ • область сравнительного tüitUHIU внбропаримстров всех подшипников одною вагона;

] - область адресной диагностики подшипника с внброиараморами, отличными irr параметров остальных подшипников исследуемой группы;

■■ - область глубокой диагностики выделенного подшипника с установлением вида дефекта н выраГкики управлявшего решения.

Рис.24

Первый этап характеризуется тем, что при непрерывном контроле определяющих параметров группы однотипных узлов, работающих в одинаковых условиях и снабженных индивидуальными номерами, строится статистическая модель. Браковочным признаком узла является отклонение его определяющего параметра в худшую сторону от общей статистики. Статистика может быть одномерной или многомерной. В последнем случае слежение за каждым определяющим параметром выполняется отдельной подсистемой.

Например, для буксовых узлов контролируемым определяющим параметром является вибрация. Таким образом, проблемный буксовый узел определяется по резкому отличию его виброускорения от аналогичного параметра остальных узлов группы.

На втором этапе определяется степень близости определяющего параметра проблемного узла к пороговому значению.

На третьем — определяется значение порогового параметра.

Такой алгоритм нахождения неисправного узла позволяет значительно сократить потоки обмена информацией между процессорными блоками, установленными на подвижных единицах (локомотив, вагон) и центральным процессором бортовой системы, (рис.25)

Рисунок 25. Бортовой компьютер Широко применяемые бортовые системы безопасности в тяговом составе, такие как комплексные локомотивные устройства безопасности типа «КЛУБ», не контролируют техническое состояние ходовых частей подвижного состава, на которые приходится более 70% отказов.

Рассмотренные зарубежные и отечественные системы не решают основной проблемы безопасности - не определяют скорости развития деградационных процессов, включая, зачастую их лавинный характер. Поэтому в данной работе необходимо выстроить такую методологию, заложенную на принципах углубленного декодирования поступающей информации, что позволит осуществить при движении локомотива достоверную диагностику технического состояния ходовых частей

локомотивов. При этом дифференцированно должны найти отображение зарождающиеся, выявленные и аварийно-опасные дефекты и определение остаточного ресурса - основы модернизации эксплуатационной работы и как параметра, закладываемого в принцип управления безопасности движения.

Ц; • - совмещенные датчики

, - III. 1 вибрации/температуры

• - акустико-эмиссионные датчики

1 - бортовой компьютер

2 - устройство сбора информации

• совмещенные датчики

вибрации и температуры

V датчики акустоэмиссии

1 бортовой компьютер

2 устройство сбора

информации

Рис.26

В процессе движения локомотивов и пассажирских вагонов информация поступает от датчиков (рис.26) в интеллектуальный программно-аппаратный комплекс, размещенный в кабине машиниста. Комплекс отслеживает приближение реальных параметров узлов КМБ к его пороговым значениям (Рис. 27).

Д - диагностический симптом-, 5/ - приработке.,

А»,. " "Цельно допустимое значение; ^ . нормапьнов состояние/

Д0 - порог зарождения дефекте; ^ - развитие дефекта;

5 - пробег, км. , ,

54 - деградация

Рис.27

При этом алгоритм реализует три степени защиты: нормальное состояние, момент зарождение дефекта и рост дефекта, величина которого превышает допустимые граничные значения. Превышение данного порога приводит к поломке узлов локомотива и к возможности возникновения аварийных ситуаций. (Рис. 28)

Состояние подшипника и его элементов

15%

Распределение дефектов по элементам С Внешняя обойма С Внутренняя обойма [ № |тела качения) С Сепаратор

35%

~Т2%~

Общее состояние

Справка

X Отмена

Возможные дефекты и степень нк проявления

-II-

Рис.28

Но динамический мониторинг не решает еще одну основную задачу центра управления локомотивами - информацию в реальном времени о техническом состоянии локомотива. Прогнозная диагностика реализуется на основе расчета скорости нарастания (дрейфа дефекта).

Прогнозная диагностика предусматривает дальнейшее развитие динамического мониторинга. (Рис.29).

5 - пробва, тыс. км;

- нормальное состояние; - развитие дефекта; $пр - участок прогноза

Рис.29

При этом аппаратная часть системы остается неизменной, а создается сложнейший программный продукт, позволяющий не только выделить дефект, но и отслеживать скорость его деградации. Имея в базе данных граничные браковочные признаки и их численные характеристики, а также зная характер дефекта и скорость его деградации, определяется важнейшая характеристика ходовых частей локомотива - остаточный ресурс, который одинаково успешно встраивается, как в центр управления локомотивами, так и в систему управления безопасности перевозок.

Алгоритм диагностики КМБ позволяет с использованием навигационных технологий, банка данных рельсового пути и результатов вибродиагностического мониторинга буксовых узлов при его реализации четко фиксировать в реальном режиме времени техническое состояние КМБ

в целом и прогнозировать, с учетом скорости дрейфа дефекта, его остаточный ресурс.(рис.ЗО)

Рис.30

Моделирование прогнозного процесса включает в себя пять основных этапов и в данном расчете принимает форму интерактивного процесса.[5] Процесс включает следующие этапы:

> Постулирование общего класса моделей. Для достижения цели из взаимодействия теории и практики выбирается полезный класс моделей.

> Идентификация модели. Вследствие обширности класса моделей для непосредственной подгонки к данным применяются «грубые» методы идентификации подклассов этих моделей, которые позволяют выбрать соответствующие экономичные (в смысле числа неизвестных параметров) подклассы моделей.

> Оценка параметров модели. Пробная модель подгоняется к данным использованием более точных итеративных методов оценивания ее параметров.

> Диагностическая проверка на адекватность модели. Проверка выявляет возможные дефекты подгонки и устанавливает их причины. Если дефекты не обнаружены, модель готова к использованию. При

обнаружении дефектов итеративные циклы идентификации, оценок и диагностической проверки повторяются до тех пор, пока не будет найдено подходящее представление модели. > Использование модели для прогноза. Модель постоянно оценивается на удовлетворительность совпадений полученных ранее прогнозных значений и измеренных значений определяющего параметра при достижении соответствующих значений аргументов прогнозной модели. При обнаружении существенных несовпадений итеративные циклы идентификации, оценок и диагностической проверки повторяются до тех пор, пока не будет найдено подходящее представление модели. Вычисленные ранее параметры модели используются в качестве начальных значений при построении актуальных значений ее коэффициентов.[6]

Считаем, что определяющий параметр представляется системой для анализа и прогноза через равные промежутки пройденного пути и пусть -наблюдаемое значение этого параметра, соответствующего I - делению шкалы километража. Введем операторы:

• Оператор сдвига назад £ , определяемый как Д 7, = 2,-\ •

Тогда =

• Оператор сдвига вперед р = , задаваемый как р = •

Тогда

• Разностный оператор со сдвигом назад

= = <1

• Оператор суммирования 8, выражаемый как

Пороговое значение ^ определяющего параметра лежит выше его значений на этапах жизненного цикла диагностируемого механизма

«Приработка» и «Нормальное функционирование», на которых действует установленный регламент планово-предупредительного ремонта. Для определения факта устойчивого превосходства определяющим параметром порогового значения введем нижнюю границу Д = Ао~ А\> начиная с

которой система начинает детальный анализ поведения механизма. Значения ниже Д при построении прогнозной модели не учитываются.

Введем счетчики п., / = Н, для регистрации числа измерений определяющего параметра, попадающих соответственно в интервалы

Л2 = {г,>Л <г,< Л, = {г,>Аа-^А<2,<А0}>

А*= \г,>г, ^ Ао1- Счетчики начинают изменяться при первом попадании значения определяющего параметра в какой-либо интервал Д. / е {2,3,4}. После попадания измеряемого параметра в интервал ' либо

принадлежности моды вариационного ряда к интервалу бортовая система выполняет построение прогнозной модели и производит по ней соответствующие расчеты. Превосходство определяющим параметром предельного значения (возможно случайное) инициирует машинисту предупредительный сигнал о переходе соответствующего механизма в стадию жизненного цикла «Развитие дефекта».

Примененные в работе стохастические модели используют тот факт, что наблюдаемые ряды, в которых последовательные значения сильно зависимы, можно рассматривать как генерируемые последовательностью независимых импульсов а- белым шумом - реализацией нормально

распределенных случайных величин с нулевым средним и дисперсией <у . Предполагается, что белый шум ¿¡: можно трансформировать в процесс при помощи линейного фильтра вида:

^ = +д,+V, а,л+а,-г+■•• = »+ ) а,■ (4)

Если последовательность весов у/ , ц/г>--- сходящаяся, фильтр называется устойчивым, а процесс будет стационарным со средним значением ц, вокруг которого и происходит варьирование процесса; в других случаях нестационарный процесс и /л - просто некая точка отсчета уровня процесса, значение которой будем считать равной 0.

Исходя из физического смысла процессов развития дефектов, происходящих в диагностируемых механизмах, и накопленного практического материала, прогнозную модель соответствующего нестационарного процесса строим в классе смешанных статистических моделей авторегрессии - проинтегрированного скользящего среднего (АРПСС), предполагая, что d — я разность наблюдаемого ряда значений стационарна:

HB >z, = 0o + 0 (В )а,' (5)

где:

полином <p(ß) = ДФ(В)- нестационарный оператор (обобщенный оператор авторегрессии), у которого d(d > 0) корней уравнения <p(ß) = 0 равны единице;

Ф(В )= 1 ~ф2В ~ ~фрВг~ оператор авторегрессии порядка р (предполагается, что этот оператор стационарен, т.е. корни Ф(В)= 0 лежат вне единичного круга);

0(ß) = I - ßt ß - 0г ß1 -. .. - Q4 ff - оператор скользящего среднего

порядка q.

- белый шум, который с помощью линейного фильтра трансформируется в процесс ■

Выбор класса модели определяется тем, что текущее значение определяющего параметра зависит от предыдущих его значений и прогнозирование экспоненциально взвешенным скользящим средним

является наиболее оптимальным для учета приоритетности последних измерений параметра по сравнению с предыдущими значениями временного ряда.

Существуют три формы представления моделей АРПСС(р,д,с/), каждая из которых имеет определенные достоинства. Текущее значение можно выразить:

• в виде разностного уравнения через предыдущие значения 2 и текущее и предшествующие значения д ,

• только через текущий и предшествующие импульсы д ,

• через взвешенную сумму предшествующих значений 2 процесса и текущий импульс .

Для дальнейшего анализа и удобства вычислительной реализации важно представление модели в виде:

• разностного уравнения, то есть, если

е(2?) = «,(£)(1-#)' = 1 ~<Р2В2- ■-<Р^1ВР*''> т0 из выражения (5)

следует, что гг^г^+^г,^ ■ + <Рр^1,-Р-.гв,а,-г■■■-0ча,-ч +а, +во • (6)

• выражений через текущий и предшествующие импульсы - модель

(4).

Если модель является рабочей (т.е. класс модели определен и известны процедуры идентификации, оценки параметров и выполнена диагностическая проверка адекватности), то построенная модель может быть использована для прогноза будущих значений наблюденного ряда. Обозначим через т((/)

сделанный в момент I прогноз значения определяющего параметра на

расстоянии / в будущем, то есть с упреждением I. Функция 2,(0. /=1,2,...,

дающая на километраже I прогнозы для всех будущих значений километража, будем называть прогнозирующей функцией в момент I. Цель -получить такую прогнозирующую функцию, у которой среднее значение

квадрата отклонения г^/'г^) истинного от прогнозируемого значения являются наименьшим для каждого упреждения I. Необходимо так же указать точность прогноза для оценки риска, связанного с решениями, основанными на прогнозировании. Точность прогноза следует выразить вероятностными пределами по обе стороны от каждого прогнозируемого значения.

Предположим, что находясь в начале отсчета I, мы должны сделать прогноз 2,0) величины 2,,,. который был бы линейной функцией текущего и предшествующих наблюдений г|1,г12>...Тогда он будет также линейной функцией текущего и предшествующего импульсов агСЬ-гСЬ-т— Предположим, что наилучший прогноз - это

2,0) = у/р.+ц/*/+2я,-2+-' где веса у*№ должны

быть определены.

Учитывая соотношение (1), представим % в виде:

у. а

Тогда находим, что среднеквадратическая ошибка прогноза равна

£[г,+/-г,(/)]2 = ( 1 + + (8)

где Е[£] - математическое ожидание случайной величины £ .

Она минимизируется приравниванием у/ / =Ц/1 , что является

частным случаем результатов, полученных Колмогоровым. Имеем

гы = (а,*+у, а,.,->+ -+а,«.> + (у, а,+цгм а,., + ■■■) (9)

или

= <'> + *,О. (Ю)

где £((/) - ошибка прогноза 2,(1) с упреждением /.

Из полученных соотношений следует:

гАЬ = у/1а,+У'ыа,-1 + " = Е,\г,+И> (")

где ЕХг^У условное математическое ожидание при условии, что все ^ Д° момента I известны.

2. Ошибка прогноза для упреждения /равна

е. С) = аы+у/, вы., + - + а,., ■ (12>

Прогноз будет несмещенным, поскольку Е[е (/)] = 0. Дисперсия

I

ошибки прогноза равна У(1) =(}+у/ + + ■ ■ + Ц/])(Т.,- ('3)

3. Остаточные ошибки как ошибки прогноза на один шаг вперед естьв,(1) = г,+|-г,(1 ) = а,+1- (14)

Следовательно, остаточные ошибки, генерирующие процесс, которые вводились как множество независимых случайных величин, оказываются ошибками прогноза на шаг вперед и, следовательно, они некоррелированы. Наблюдение представляется в виде:

• Используя разностное уравнение (6),

= (р, + <р2г„1-2 + - вх я,+м ~ ~вч а„,-ч + аы ■ (15)

• Используя уравнение (7),

г^Ър (16)

где = 1. Остальные веса ц/ находятся приравниванием

соответствующих коэффициентов в

<9(Я)*0 + у/Я + = (17)

Так как прогноз с минимальной среднеквадратичной ошибкой 2 (/) для упреждения / - это условное математическое ожидание

случайной величины в момент /, то, используя различные формы представления модели процесса, можем записать соответствующим образом

и выражения для прогноза. Для простоты представления прогнозной модели будем временно обозначать квадратными скобками взятие условного математического ожидания в момент I, то есть [¿¡ы] = [¿,„1 = ЕАгЛ-

Прогнозы, полученные из разностного уравнения. Переходя в (15) к условным математическим ожиданиям в момент /, получим

1><+<] = 2,0) = <18> Прогноз в проинтегрированном виде. Используя (13), получим

При вычислении условных математических ожиданий мы должны учесть, что, если_/ - неотрицательное целое, то

^-^ЕАг.-^г.-п У = о.1,2,...

Уг.^ЕХг^г,О), у = о,1,2,.. (20)

1а,.у! = Е,\.а,-) = а,-, = 2,-, - О)> / = °>

Следовательно, чтобы получить прогноз £,(/), нужно выразить модель для % с помощью любого из рассмотренных выше явных представлений и действовать с членами в правой части по правилам:

• Члены ^ у = 0,1,2,..., уже известные к моменту I, оставить без изменения.

• Члены 2 .,у = 1,2,..., еще не известные, заменить их прогнозами £,(./) на момент Л

• Члены у = 0,1,2,..., уже известные, определить по формуле

2,-г ■

• Члены а у = 1,2,..., еще не известные, заменить нулями. Поскольку прогноз с минимальной среднеквадратичной ошибкой

определен через условное математическое ожидание = Е\2ыЬ т0 для его

вычисления теоретически требуются знание всех прошлых % до

бесконечности. В силу обратимости общей модели АРПСС для вычисления прогноза с заданной точностью, влиянием г,-,.-/>*> можно пренебречь,

начиная с некоторого достаточно небольшого значения к.

Пусть необходимы прогнозы с упреждением 1, 2, ..., Чтобы найти доверительные пределы для этих прогнозов, вычислять новые прогнозы за счет коррекции старых прогнозов, требуется из уравнения (17) находить веса у/ ,у/у/1 ,, приравнивая коэффициенты при одинаковых степенях В в

левой и правой частях этого уравнения:

а -(р,в(1 +у2в2+-)=1 -е,вг- -вчвч

Зная значения <р и в, получаем выражения для ц/:

Уг<Ргвг

где у/а = I; у/ = 0, при у < Ои $. = 0 при у > ч.

Если К=тъ.х(р+<Л-\д), то при ]> К веса у удовлетворяют разностному уравнению ^ = + (22>

Следовательно, у/ вычисляются рекуррентным способом.

Другой способ вычисления прогноза основывается на соотношении (8), используя которое можно выразить прогнозы 2,+|(/) и

2,(/+1) будущего значения сделанные в моменты 1+1 и /

соответственно:

г,+| О = V, +ум а,+а,-,+-

Вычитая второе уравнение из первого, получим:

= + (23)

Таким образом, если прогноз величины , сделанный в момент г, подправить добавлением ошибки прогноза на шаг вперед с коэффициентом у/(, то получится прогноз той же величины , но в

момент Ж. Отсюда следует важный вывод:

• Пусть в момент I сделаны прогнозы с упреждением 1,2,.. .,£.

• Как только становится известным 2м, находим = % - ^,0) •

• Пропорционально подправляем прогнозы = £,(/ + 1) + 1//,а,+1 в

момент Ж для упреждений 1,2, ...,¿-1.

Новый прогноз для упреждения Ь найти этим способом нельзя,

но он легко вычисляется по прогнозам с меньшими упреждениями из разностного уравнения.

На основе единой системы трех типов мониторинга (рис. 31) предлагается новая схема управления локомотивами отрасли. Комплекс технологического, информационного и управляющего взаимодействия позволяет сформулировать новые, в сторону оптимального ужесточения, исходные пороговые значения для программно-аппаратных комплексов, используемых на линейных предприятиях отрасли.

- тхнопогичвский канал --*■ - информационный канал --* - управляющий канал

>

ЦЕНТР УПРАВЛЕНИЯ ЛОКОМОТИВНОЙ ТЯГОЙ

Рис.31

Глава 4. Постовой мониторинг на основе метода нелинейной радиолокации.

Постовой мониторинг направлен на своевременное обнаружение усталостных трещин боковых рам тележек грузовых железнодорожных вагонов во время движения бесконтактным методом с использованием систем дистанционного контроля. [7]

С 2006 года на железных дорогах РФ наблюдается резкий рост изломов боковых рам тележек грузовых вагонов (далее - БР). Если с200 1 по 2005 год произошло всего 3 случая изломов БР, то с 2006 по 2012 год - 91 случай, значительная часть которых повлекли тяжелые последствия, в том числе гибель людей.

По заключению экспертиз, причиной практически всех изломов БР являются заводские дефекты их изготовления. Изучение цветных фотографий мест изломов позволяет сделать вывод, что излому предшествует появление усталостной трещины средней площадью 10% сечения в зоне т.н. радиуса 55 БР (далее R55J, испытывающего наибольшие вертикальные и боковые нагрузки при движении вагона. Наличие коррозии поверхностей трещин свидетельствует, что с момента образования трещины в БР до момента ее излома, даже с учетом самых благоприятных условий для образования ржавчины (соляной туман, положительная температура), проходит достаточно продолжительный отрезок времени, за которое существующими средствами трещины обнаружены не были. В настоящее время состояние боковых рам оценивается визуально специализированными бригадами осмотрщиков во время стоянок вагонов на станциях. Для облегчения визуального обнаружения усталостных трещин, применяется окрашивание в белый цвет поверхности нижней части внешней стенки рамы в зоне К-55 , где происходит 100% изломов. При этом внутренняя стенка и нижняя часть рамы из-за труднодоступности и субъективным причинам практически не контролируется. Широко распространенные на российских

железных дорогах инфракрасно-оптические (далее тепловые) системы обнаружения перегрева букс типа ДИСК, КТСМ-02 , установленные в среднем через 30 км вдоль ж/д полотна, не предназначены для выявления данной неисправности. Вместе с тем, в их составе имеются системы бесперебойного электропитания и передачи информации, достоверного определения вагона, порядкового номера оси и стороны состава с неисправной буксой, надежного накопления, хранения и автоматической передачи информации диспетчеру и локомотивной бригаде после восстановления поврежденной линии связи. Акустические системы "ПАК" (пост акустического контроля) предназначены для выявления неисправностей деталей буксового узла на ранней стадии во время движения до появления нагрева буксы и обеспечивают 100%-ную вероятность обнаружения дефектов. Вместе с тем, высокая чувствительность "ПАК" приводит к большому количеству ложных срабатываний (до 50000 в год на одной из 17-ти железных дорог России). Существенное влияние на точность работы пассивных акустических систем оказывает состояние воздуха как среды передачи сигнала, его загрязненность пылью и атмосферными осадками. Кроме того, «ПАК» устанавливаются вдоль ж/д полотна на порядок реже чем тепловые системы и значительно дороже тепловых систем, в том числе из-за импортных комплектующих.

Применение активных ультразвуковых систем для обнаружения трещин БР на ходу невозможно в принципе, т.к. обеспечить постоянный непосредственный плотный контакт излучателя и приемника с поверхностью контролируемого объекта, разместить аппаратуру, источник энергии и т.п. и обеспечить устойчивую работу прибора в условиях вибрации и колебаний не представляется возможным.

Таким образом, применение акустических систем для обнаружения трещины в боковой раме на ходу нецелесообразно вследствие недостаточной помехозащищенности, редкости расположения и высокой стоимости. Ультразвук не пригоден в принципе. Применение тепловых систем

невозможно в связи с отсутствием контраста инфракрасного излучения от трещины и всей рамы.

В одной из последних работ этого направления разработан постовой мониторинг на основе метода акустической эмиссии (АЭ).[8],[9]

Исходя из задачи диагностики боковой рамы тележки в процессе движения грузового состава, разработана и испытана схема передачи и приема АЭ сигнала без непосредственного контактирования датчика с диагностируемой боковой рамой (рис. 32).

Рис.32

Трещина в боковой раме I генерирует АЭ сигнал, который последовательно воспринимается корпусом буксового узла 2, подшипником 3, осью 4, колесом 5 вращающейся колесной пары и передается через рельс 6 АЭ датчику 7.[10],[ 11],[12]

Для этой схемы используется формула расчета длины линии затухания АЭ сигнала. [13]

1 ( 2 о2\,/4 • J = \J] ) -8111

0,5 • аШ^

Кт])

1 =

(?]2+32)А-ьт

0,5 ■ аг^

/ = -

\р)2Ь0С0 - Л0С0)2 {й>(Ь0С0 + Л0С0)]}^ • 81П 0,5 • агс1Е

о2 ■ Ь0С0 -Л0С0

где / - длина затухания АЭ сигнала

8 =®(/.0О0 + Л0С0) т) = (о2 ¿о С0 -Л„С0 ,

где ¿0,С0,Л„,О0 - в данном случае удельная индуктивность, емкость, сопротивление, проводимость изоляции рельса относительно грунта на единицу длины бездефектного пути; со - частота сигнала.

1 =■

г{2ясг )

где г - характерный поперечный размер рельса (-10 см), ц^о

магнитная проницаемость и удельная проводимость стали.

О0 = 2як ст^ 1п

где к - коэффициент, характеризующий качество контакта колеса с рельсом, <тк - удельная проводимость контактного узла, Я - длина волны.

Несмотря на удовлетворительные результаты расчета не удалось в эксперименте достигнуть устойчивого уровня АЭ сигнала.

Получение устойчивой АЭ информации, близкой к расчетной чувствительности (временное разрешение от 1 мкс и динамический диапазон до 70 дБ) удалось добиться путем конструирования рельса с искусственным препятствием в виде возвышения - трамплина.

Экспериментально был определен профиль трамплина, который увеличивал нагрузку на колесную пару. (Рис.33)

Такие трамплины крепились специальными струбцинами к рельсам. (Рис.34)

350

Рис.33

Рис.34

В целом рельсовый путь после окончательного монтажа представлял собой многокаскадный трамплинированный тракт. (Рис. 35)

Рис.35

При первичном проезде грузового вагона по гладкому рельсовому пути (при отсутствии трамплинов) величина генерируемого АЭ сигнала не превышала 20 дБ. (Рис.36)

А-

И И) '11

0 .10' 1 4 1 1 1 С Т«та № 10 1 1 1? 14

1 ( -.....-Ц»* • 1 1 1 1 \.........1 ■ ¡1

| 1 (

о • 41* а • « Т1п», 1/« 10 1? 14

1 1 1 ■

0 ■ 10*_ г 1 • Пл», V* 1 1 10 1 11 14 I -»-

г

-н-

|Н> НИ

Тот», V»

АЭ сигналы, снимаемые с датчиков 1, 2, 3, 4 при проходе вагона по гладкому пути Рис.36.

Рельсовый путь, оформленный в виде многокаскадного тракта, в отличие от гладкого рельса, дал устойчивые результаты по приему АЭ сигналов (не менее 70дБ). При этом эксперименте тележка, въезжая и спускаясь с трамплина, создает дополнительную знакопеременную нагрузку на боковую раму, что стимулирует увеличение внутренних напряжений, которые в свою очередь влияют на подвижность, как зарождающихся, так и уже дислоцируемых внутри металла аномалий.

Такая информационная насыщенность сигнала (рис. 37) могла бы позволить приступить непосредственно к разработке принципиального построения АЭ системы для диагностики литых деталей тележек, в первую очередь боковой рамы грузового вагона.

ГО г: "Г" ; :—|—|

II1! ■ пит? 1 —1_

"Г I

н

I л|*

Э их» '

Тетю. V»

АЭ сигналы, снимаемые с датчиков 1, 2, 3, 4 при проходе вагона по трамплинному тракту Рис.37

Но дальнейшее развитие эта разработка не получила. При наезде колеса на трамплин развиваются внутренние напряжения в металле, которые приводят к возникновению микротрещин в колесной паре. И тем не менее эта работа показала необходимость диагностики БР на основе бесконтактных методов, оставляя неприкосновенной поверхность контролируемых конструкций.

Одним из таких методов был исследован вариант с применением нелинейной радиолокации.

С появлением мощных радиопередатчиков и радиолокационных станций и повышением чувствительности приемных устройств в начале сороковых годов прошлого века было обнаружено, что при наличии в электромагнитном поле передатчиков металлических конструкций в спектре рассеянных радиоволн появляются гармонические и комбинационные составляющие, отсутствовавшие в излучении передатчиков. Кроме этого, была обнаружена взаимная модуляция радиоволн (кросс-модуляция), аналогичная явлению в ионосфере при люксембург-горьковском эффекте.

Позднее, при проведении экспериментальных исследований на морских судах, имеющих несколько радиостанций, было установлено, что основным источником такого нелинейного рассеяния радиоволн явились несовершенные (неплотные) контакты (НЭК) металлических частей объектов, находящихся в поле радиопередатчиков (части корпуса корабля, растяжки и места соединений антенн, резьбовые сочленения металлических деталей и т. п.). В исследованиях по использованию нелинейных эффектов, начатых в 70-х годах, обозначилось новое направление: дистанционное обнаружение объектов, обладающих способностью нелинейного рассеяния радиоволн, например, минно-взрывных устройств, скрытых транспортных средств и систем вооружения.

С середины шестидесятых годов были начаты работы по созданию специальных радиотехнических систем, основанных на нелинейном взаимодействии электромагнитных волн с объектами, содержащими НЭК. Исследование эффекта нелинейного рассеяния радиоволн на механических системах, радиоэлектронной аппаратуре и ее компонентах в целях их обнаружения наиболее изученное и освоенное в техническом отношении направление. Вследствие работ в этом направлении появился термин «нелинейная радиолокация» (НРЛ). Позднее стали появляться работы с описанием нелинейных радиолокационных станций (НРЛС) для обнаружения устройств с радиоэлектронными компонентами.

Первые работы в СССР по исследованию эффекта рассеяния радиоволн на системах с нелинейными включениями были проведены под руководством Ю.Б. Кобзарева и В.Б. Штейншлейгера в 1973-1974 гг. При этом были оценены ряд показателей электрических эффектов на контактах двух металлов, а также на металлических объектах.

В конце 70-х - начале 80-х годов работы расширились. Нижегородской группой (руководитель Горбачев A.A.) были получены результаты по широкому кругу вопросов взаимодействия радиоволн с нелинейными объектами (влияние границ раздела сред, выбор зондирующих сигналов,

субгармонические, параметрические и управляемые светом рассеиватели и их системы, распознавание рассеивателей и т.п.).

Томская группа исследователей совместно с Нижегородской группой и Московскими отраслевыми организациями создала промышленные образцы нелинейных радиолокаторов для поиска мин с электронными взрывателями, активно применявшихся в Афганистане.

В Воронеже и в Таганроге проводились исследования по учету влияния границ раздела сред, расчету различных антенн и антенных решеток с нелинейной нагрузкой, развивались методы анализа возбуждения и рассеивания электромагнитных волн.

В последние десятилетия исследования в НРЛ активно развивались. Появились новые направления, а перечень возможных областей использования эффектов НРЛ расширился до нескольких десятков.

В настоящее время в России и за рубежом разработаны и выпускаются НРЛС для обнаружения радиоэлектронных устройств различного назначения. Эти стационарные, бортовые или переносные установки работают в основном в дециметровом диапазоне волн. Декларируемые дальности их работы составляют от десятков сантиметров до десятков метров. Применяются как импульсные, так и непрерывные зондирующие сигналы. На рис.38 приведено средство для обнаружения несанкционированного доступа к информации.

Рис.38

Применение нелинейных радиолокационных систем (НЛРС) для дистанционной дефектоскопии дефектов движущихся металлоконструкций в настоящее время не известно.

Теория НЛРС в общем виде представлена формулой и по теореме Фурье может быть выражена, как сумма некоторой постоянной величины и нескольких синусоидальных (гармонических) величин с кратными частотами.[14]

где а0.....а„,... - коэффициенты разложения,

¡(1) - синусоидальная составляющая разложения, /(/) — любая периодическая функция времени 1. В (1) третье слагаемое дает вклад в постоянную составляющую и вторую гармонику, четвертое - дает вклад в первую и третью гармоники и т.

На рисунке 39 приведена классическая иллюстрация отраженного нелинейного сигнала.[ 15]

/(О = а0 + а,я(Г) + а/(0 + в3«3(0 + - .

(О

Д.[15]

а.и

1-я гармоника

О

г

ах11 - амплитуда

а1 ■ мощность зондирующего сигнала

Рис.39

Пусть, например, используется непрерывный зондирующий сигнал

вида

*(<) = ЛвтСау). (2)

Подставляя (2) в (1) и ограничиваясь первыми четырьмя слагаемыми, получим

1 1 3 1 1 2 1 1

/(/) = (я0 + -а2Л ) + (0|А + )8т(й>0/)-~а2Л соз(2ю01) --а^Л* З1п(3л>0/). (3)

Синусоидальная составляющая, частота которой равна частоте <у0 зондирующего сигнала, называется первой гармоникой, другие составляющие соответственно называются второй, третьей и т.д. гармониками. Ниже на рис.40 приведена структурная схема устройства, поясняющая сказанное выше:

Рис.40. Получение 1-й, 2-й и 3-й гармоник синусоидального сигнала Где - 1 - генератор синусоидальных зондирующих сигналов;

2 - генератор шума;

3 - сумматор;

4 - полосовой фильтр;

5 - квадриометр;

6 - фильтр на частоте 2т0;

7 - периодоочиститель;

8 - полосовой фильтр 3-ей гармоники.

В нелинейной радиолокации первая гармоника - это излучаемый (зондирующий) сигнал. Он может быть простым (гармоническим) или сложным (иметь тот или иной вид дополнительной модуляции: по амплитуде, по частоте или фазе и т.д.). Зондирующий сигнал может быть непрерывным или импульсным. Вид используемого зондирующего сигнала

определяется решаемой задачей.

Вторая и третья гармоники в (3) практически используются наиболее часто. Это обусловлено тем, что:

- на первой гармонике имеет место отражения (помехи) от подстилающей поверхности, они достаточно велики по сравнению с уровнем отражённого от цели сигнала;

- на второй и третьей гармониках зондирующего сигнала помехи от подстилающей поверхности практически отсутствуют, что и обуславливает использование этих гармоник.

Из выражений (1) и (3) видно, что уровни второй и третьей гармоник существенно ниже уровня отражённого сигнала на первой гармонике, что с ростом номера гармоники обусловлено:

- уменьшается коэффициенты преобразования (у второй гармоники -Уг, у третьей гармоники - V* и т.д.),

- уменьшаются коэффициенты разложения аъаъ,...\

- существенно уменьшается нелинейная эффективная поверхность рассеяния (НЭПР).

По имеющимся сегодня данным НЭПР объекта в самом лучшем случае (она зависит от ориентации объекта относительно антенны зондирующего сигнала и может быть близка к нулю) составляет величину порядка ст-6 для второй гармоники и порядка а~пдля третьей гармоники. Здесь а2- мощность зондирующего сигнала.

Используя лабораторный образец НЛРС, в эксперименте было показано:

- вторая гармоника порождается всеми видами полупроводниковых элементов;

- третья гармоника порождается несовершенными электрическими контактами (НЭК).

Многочисленные эксперименты позволили обнаружить в БР свежие трещины, что является НЭК и идентифицируется третьей гармоникой.(Рис.41)

Рис.41

В то же время старая окисленная трещина, с точки зрения нелинейной радиолокации, является полупроводниковым элементом и идентифицируется второй гармоникой. (Рис. 42)

Рис.42

В эксперименте были обнаружены трещины которые не выходили на наружные стенки БР. (Рис. 43)

Рис. 43

Этот последний вид дефекта трудно выявляется даже осмотрщиками вагонов в силу особенности адаптации зрения человека при переводе взгляда со света в тень и обратно. При темновой и световой адаптации за короткий промежуток времени глаз никогда не достигнет полного зрительного восприятия. Неоднократная переадаптация глаз во время осмотра вагона существенно снижает остроту зрения осмотрщиков. (Рис. 44)

Рис.44

Достоверность стационарного дистанционного метода обнаружения трещин в БР нелинейной радиолокацией при движении железнодорожных составов не зависит от различных факторов воздушной среды и других источников радиоизлучения. Постовой мониторинг на основе радиолокации может быть успешно реализован с использованием инфраструктурных

возможностей тепловых систем (в среднем через 30 км), эксплуатируемых ОАО «РЖД». Это сочетание с проверкой сигнала срабатывания мобильным нелинейным радиолокатором во время остановки состава, представляется наиболее рациональным и надежным способом контроля целостности боковых рам тележек грузовых вагонов во время движения и стоянок поездов. Это позволит гарантировано и своевременно выявлять появление усталостных трещин с внешней, нижней и внутренней сторон в зоне 11-55 БР.

Глава 5. Опережающий мониторинг на основе применения электромагнитной локации.

Высокоскоростное движение требует при экстремальных ситуациях обеспечение протяженности тормозного пути не менее пяти километров. Планируемые высокоскоростные пассажирские магистрали предусматривают скорости движения до 400 км/ч.

Решение этой проблемы лежит в плоскости локационных технологий, в первую очередь, электромагнитной локации свободной от порока только прямолинейного сканирования.

Из разработок, основанных на использовании электромагнитной локации, к задачам данного исследования наиболее близки работы по созданию системы предупреждения о приближении поезда. Эти работы преследовали следующие задачи:

- предотвращение несчастных случаев с дефектоскопистами и путейскими рабочими за счет своевременного автоматического оповещения о приближении железнодорожных составов;

- своевременное информирование работающих на железнодорожных путях о приближении поезда за время, достаточное для прекращения работ и выхода из опасной зоны;

- информирование работающих на железнодорожных путях в режиме реального времени;

- контроль за соблюдением графика проследования поездов;

- прием информации об изменениях графика движения и изменениях пути следования поездов;

- переносной принцип, разрабатываемой системы;

- возможность эксплуатации, как в передвижных, так и в стационарных условиях;

- возможность монтажа системы на ходовую часть передвижного диагностического комплекса;

- возможность сканирования в прямом и обратном направлении при движении диагностических комплексов по рельсовым путям.

В анализируемой системе электромагнитная волна возбуждается подачей синусоидального по времени напряжения между рельсом и электродом.

В этой работе рельс рассматривался как однопроводная линия, для передачи электромагнитной энергии при расчете энергетических параметров. При этом были введены ряд ошибочных допущений, а именно удельное сопротивление Л и удельная проводимость С были исключены из расчета. Экспериментальные работы показали разницу между расчетными и фактическими показателями в пять раз.

Проведенные эксперименты подтвердили невозможность использования рельса, как проводника электромагнитной энергии применительно к высокоскоростному движению.[16]

В результате дальнейших исследований была рассмотрена схема генерации электромагнитной волны, образованной элементами инфраструктуры: рельсы и провода контактной сети линии электропередачи, установленные на опорах контактной сети. (Рис. 45)

3

Рис.45

1,2- рельс;

3 - контактный провод;

4 - антенна;

В этом случае имеется полное основание за проводник электромагнитной энергии принять контактный провод контактной сети и проводить расчет, беря за основу телеграфные уравнения.[17], [18]

¿И(дг,/) = -Л—/(*,/)-Л-/(*,О

их 01 ^

-!-/(*,/) = -С • - С • К(х,/)

дх 01

где Л, Ь, С, О - характеризующие рельсовый путь удельные сопротивление, индуктивность, емкость и проводимость соответственно.

Телеграфные уравнения - это пара линейных дифференциальных уравнений в частных производных, описывающих распределение напряжения и тока в линии электропередачи по времени и расстоянию.

Когда элементы Л и й малы, их значением можно пренебречь, линия электропередач при этом считается идеальной. В этом случае модель зависит только от элементов Ь и С. При этом из (1) получается пара дифференциальных уравнений в частных производных первого порядка, одна функция описывает распределение напряжения V вдоль линии, а другая -распределение тока /, обе функции зависят от координаты х и времени I.

о!/(,,/)

81 (2)

/(*,/) =-С-дх д!

Эти уравнения можно совместить для получения двух отдельных волновых уравнений. Для этого продифференцируем первое уравнение из (2) по х:

= -£ — /(*,/) (3)

дх охо1

д!

Подставим в уравнение (3) значение — из (2)

дх

= -I ■ К-С ■ !■ = (4)

дх2 д(\ д( ) дГ

Проведем аналогичные преобразования путем дифференцирования второго уравнения из (2) по х. Тогда используя первое уравнение из (2) получим

у(х>1)=-с •!(- 4Н=(5)

Таким образом, получаем пару волновых уравнений

Я2 1 я2

-TV{x,t) =---jV(x,l)

di2 LC дх

д2 „ 1 д2 ... .

(6)

dt LC дх2

Волновое уравнение - это линейное гиперболическое дифференциальное уравнение в частных производных, задающее колебательные процессы в сплошных средах и электродинамике.

Если линия является бесконечно длинной, или оканчивается характеристическим комплексным сопротивлением, уравнения показывают присутствие волны, распространяющейся со скоростью

1

v~VZc'

Когда элементами R и G нельзя пренебречь, для случая с рельсом первоначальные дифференциальные уравнения принимают вид (1):

~ V(x,t) = -L~ /(x,l) - R ■ ¡(x,t)

ox dt

|-/(x,t) = -C~Y(x,t)-GV(x,l)

ox dt

Продифференцируем первое уравнение по х

У(х,0 = -L —/(*,/) - R ~ /(*,/).

дх oxot ох

Подставим в последнее уравнение второе уравнение из (1) и произведем некоторые преобразования

дх2 д( ) { д( )

= ьс^гУ + ю—у + дс—у + лс • V = 1С--У + (лс + а)—у+<зяу д! 81 аг Э/2 у д(

Аналогичным образом дифференцируем второе уравнение из (1) по х подставляем в него первое уравнение и преобразуем:

дх2 дхд1 дх д({ д( ) { д(

= ы^-г! + ел—] + а—I + ся/ = {.с—г!+(лс+с/,)— / + вш Ы2 д( д1 д!2 д(

Таким образом, мы получили пару гиперболических дифференциальных уравнений в частных производных, каждое из которых содержит по одной неизвестной:

-^У У(х,() = ¿С-^уУ(х,0 + (ЛС + Ы)—У(х,0 + СКУ(х,() дх дг д* ^

¿Г'(*.') = + (ЛС + /(*,/) + СЯКх,0

Эти уравнения похожи на уравнения однородной волны (волновые уравнения) с дополнительными условиями над У и / и их первыми производными. Дополнительные условия вызывают затухание и рассеяние сигнала в течение времени и с увеличением расстояния. Если потери линии малы (малые Л и О = 0), сигнал будет затухать с увеличением расстояния

Л [Г

как е , где а =-, ¿й = — - характеристическии импеданс

V С

(комплексное или полное сопротивление) линии электропередачи.

Волновые уравнения учитывают, что распространение волны может быть прямым и обратным. Учитывая упрощение линии без потерь (полагая Я=0 и 0=0), решение для нахождения напряжения У может быть представлено в виде:

И(дг,/) = /(<в/-Ьс)+/,(л»/ + *х) (8)

И тогда сила тока / определяется по формуле / (х, /) = -С ■ _[(/, (а I - кх) + /2 {а / + кх))■ <Ь (9)

где к = со -Лс = — - волновое число, (о - угловая частота, и /2

могут быть любыми функциями и V = - скорость распространения

волны (фазовая скорость).

Здесь представляет волну, идущую в положительном направлении оси х (слева направо), а /2 представляет волну, идущую справа налево.

Для проверки результатов расчетов был организован участок настройки и апробации отдельных элементов экспериментальной системы электромагнитной локации.

В состав экспериментального участка входят: •двухпутный путь длиной 200 метров); •установка формирования поверхностной волны; •станция поверки и калибровки экспериментального локатора; •станция регистрации затухающих сигналов.

Результаты испытаний экспериментального локатора показали близкие результаты по расчетным величинам тока и напряжения, принятых для возбуждения электромагнитного импульса.

В порядке подготовки на рельсовом пути, были проведены эксперименты по распространению, отражению и затуханию электромагнитных волн в линии, представляющей собой отрезок (длиной около 30 м) тонкого провода. Был собран генератор, формирующий электрический импульс с длительностью на полувысоте равной 40 не. Генератор нагружался на излучатель в виде магнитной рамки, которая находилась на удалении ~ 1 см от провода. Импульс генератора фиксировался осциллографом, к которому подключалась аналогичная рамка, выполняющая, в данном случае, функции приёмника. Генератор находился

на расстоянии примерно 5 м от одного конца провода, а приёмник - на таком же расстоянии от другого.

На рис.46 приведены осциллограммы принимаемого сигнала.

__________. ..........1................ — —

...............................1.........

Лч А]

1 J

-1J0.il!* «МО' ОН вАТО* 1АЮ*

Прон*. «св

а)

-----------------------

¡\и || 1 Лч»1»"-—

.дев* ■4Р.10' о." мло-*

Ь)

Рис.46

Результаты экспериментов подтвердили возможность обеспечения контроля рельсовых путей протяженностью не менее 5 км.

По результатам исследований был разработан опытный образец генератора для электромагнитной локации, обеспечивающего опережающий мониторинг пути при движении высокоскоростных пассажирских составов.

Блок схема генератора представлена на рисунке 47.

1 2

V- * 4

4

к внешним

устройствам

оповещения

Рис.47 66

1 - Формирователь поверхностной волны;

2- Электронный коммутатор; ,

3 - Модуль цифровой обработки сигнала, управления и связи;

4 - Передающий модуль;

5 - Приемный модуль;

6 - Задающий генератор;

7 - Модуль аналоговой обработки сигнала;

8 - Источник бесперебойного питания.

Формирователь поверхностной волны (1) преобразует высокочастотный электрический сигнал в электромагнитную волну, распространяющуюся вдоль рельса, и принимает отражённую от неоднородностей пути (в том числе и от приближающегося поезда) отражённую волну.

Электронный коммутатор (2) обеспечивает переключение формирователя между передающим 4 и приемным 5 модулем. Этот модуль обеспечивает открытие входа усилителя приёмника на определённый временной интервал, соответствующий времени прихода отражённого сигнала.

Модуль цифровой обработки сигнала, управления и связи 3 обеспечивает выделение и сопровождение отметки от приближающегося локомотива, определение дистанции, скорости движения и ожидаемого времени прибытия. Кроме того, он обеспечивает управление работой всех модулей системы, а также формирование и передачу сигналов оповещения на внешние устройства автоматики. В этом модуле осуществляется окончательная обработка отраженного сигнала и определение параметров движение приближающегося поезда (расстояние и скорость). Также модуль обеспечивает - подачу и контроль напряжения питания на все модули системы. Блок памяти модуля Должен обеспечивать хранение параметров принимаемых импульсов, соответствующих свободному состоянию пути и приближающемуся поезду в различных погодных условиях. Модуль 3 сравнивает каждый принимаемый сигнал с сигналами принятыми ранее и записанными в памяти, обеспечивая, тем самым,

функцию встроенного самотестирования Системы. Кроме того, модуль 3 обеспечивает выдачу управляющего сигнала на устройства оповещения в требуемом для их работы виде.

Передающий модуль 4 обеспечивает формирование зондирующего сигнала.

Приемный модуль 5 обеспечивает предварительное усиление отраженного сигнала.

Задающий генератор 6 генерирует высокостабильный синусоидальный сигнал, который используется как опорный при, формировании зондирующего сигнала и приеме отраженного.

Модуль обработки сигнала 7 осуществляет аналоговую Обработку сигнала (фильтрацию усиление), т.е. приведение его к виду, оптимальному для работы платы аналого-цифрового преобразователя модуля 3.

Источник бесперебойного питания 8 обеспечивает электропитание системы от сети переменного тока напряжением 220 В, а при ее отключении -от внутренней аккумуляторной батареи в течение 5 часов.

В процессе выполнения работы должны быть разработаны и реализованы следующие требования:

по обеспечению конкурентоспособности научно-технической

продукции,

намеченной к созданию;

по экономичному и рациональному использованию топливно-энергетических и материальных ресурсов при создании и эксплуатации разрабатываемой продукции;

по ограничению номенклатуры применяемых материалов и комплектующих изделий, по импортозамещению;

- по стандартизации, унификации и метрологическому обеспечению;

- по обеспечению безопасности для жизни и здоровья людей и окружающей

среды, совместимости и взаимозаменяемости. %

Полученная в результате выполненных работ научно-техническая продукция должна обеспечивать выполнение поставленных задач, должна быть обеспечена патентная чистота на территории ее использования, т.е. отсутствие оснований у третьего лица предъявлять претензии по поводу нарушения его исключительных прав на результаты интеллектуальной деятельности.

Технические требования. По устойчивости к механическим и климатическим воздействиям автоматизированный комплекс должен соответствовать классам MCI и К1 согласно ОСТ 32146-2000.

Источник бесперебойного питания должен обеспечивать, электропитание системы от сети переменного тока напряжением 220 В, а при ее отключении от внутренней аккумуляторной батареи в течение 5 часов

Электромагнитная совместимость.

Разрабатываемая Система должна соответствовать требованиям ГОСТ Р 52459.32-2009, ГОСТ Р 50656-2001, требованиям документа «Защита систем железнодорожной автоматики и телемеханики от атмосферных и коммутационных перенапряжений. Характеристики импульсных воздействий на системы ЖАТ. Временные нормы», требованиям функциональной безопасности в соответствии с СТО РЖД 02.042-2011 «Управление ресурсами на этапах жизненного цикла, рисками и анализом надежности (УРРАН). Системы, устройства и оборудование хозяйства автоматики и телемеханики. Требования надежности и функциональной безопасности».

Требования по ремонтопригодности.

Ремонт системы должен осуществляться без демонтажа путем замены вышедших из строя модулей.

Должна быть предусмотрена функция самотестирования. Самотестирование может быть выполнено путем регистрации собственного зондирующего сигнала и отраженных сигналов от естественных неоднородностей пути в отсутствие приближающегося поезда. Также необходимо предусмотреть контроль связи с внешними устройствами оповещения.

Система должна быть выполнена в антивандальном исполнении.

Ходовые испытания макета показали максимальную дальность передачи локационного сигнала на 5 км, что соответствовало расчетным данным.

Располагая результатами мониторинга тягового и подвижного состава по состоянию их ходовых частей и получая информацию о состоянии рельсового пути, включая данные по высокоскоростным магистралям (ВСМ), была сформирована, на базе проведенных исследований структурная составляющая, которая вошла в стратегическую концепцию отраслевой программы по обеспечению безопасности грузовых и пассажирских перевозок. (Рис.48)

ЛоклштонныН мониторинг

ОпсрсжпюшиП моннторннг

ДннлмнчсскнП мониторинг

Рис.48

Заключение по результатам выполненной работы.

1. Показаны новые подходы к построению системы обеспечения безопасности движения.

2. Вскрыты причины перехода на новый уровень обеспечения безопасности движения от автоматизации к интеллектуализации подвижного состава и инфраструктуры.

3. Определена многоплановость функций мониторинга: контроль, диагностика, управление, интегральная сходимость информации и её централизованная реализация.

4. Показана этапность и преемственность взаимных информационно-диагностических потоков для оптимизации структур мониторинга различного класса.

5. Проведен анализ разработок, близких по концептуальности к задачам данного исследования.

6. Аналитически доказано и практически подтверждено ранговое место акустической эмиссия, электромагнитной и нелинейной радиолокации в иерархии диагностического ряда.

7. Разработана технология мониторинга железнодорожного транспорта как инструмент индивидуального контроля, а в совокупности мониторинговых систем - прогнозная составляющая в системе управления безопасностью движения.

8. Разработаны методы повышения эффективности работы вагонного парка за счет комплектования подвижного состава узлами и агрегатами равного качественного уровня.

9. Выбраны телеграфных уравнений для расчетов длин затухания локационных сигналов.

10. Доказана неоднозначная значимость удельного сопротивления рельса Я и удельной проводимости земляного полотна О при определении гарантированного пути торможения высокоскоростных составов.

11. Разработана схема генерации электромагнитной волны, образованной элементами инфраструктуры железной дороги: рельсы, провода контактной сети, линии электропередачи, установленные на опорах контактной сети.

12. Впервые в практике железнодорожных технологий применена нелинейная радиолокация как альтернатива ультразвуковым и акустоэмиссионным методам.

13. Предложена система управления безопасностью как синтез диагностических потоков стационарных, постовых и бортовых видов мониторинга.

14. Расчетно доказана неприменимость телеграфных уравнений для расчета длины затухания сигнала применительно в качестве однолинейной линии передачи (ОЛП) железнодорожных рельсов.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Анализ причин схода вагонов в грузовых составах. ДЦНТИ г. Нижний Новгород. 2008 г.

2. Исследование технических средств для обеспечения исключения схода грузовых вагонов. ДЦНТИ г. Нижний Новгород. 2009 г.

3. Организация комплексной системы мониторинга контроля контакта колеса с рельсом. ДЦНТИ г. Нижний Новгород. 2010 г.

4. Расчет расположения постовых систем контроля контакта колеса с рельсом с обеспечением достоверности диагностики превышающую степень риска. ДЦНТИ г. Нижний Новгород. 2010 г.

5. Интеграция систем диагностики в архитектуре систем мониторинга. ДЦНТИ г. Нижний Новгород. 2010 г.

6. Стационарный мониторинг ремонтных технологий на предприятиях железнодорожного транспорта. ДЦНТИ г. Нижний Новгород. 2010 г.

7. Динамический мониторинг тягового и подвижного состава на основе интеллектуальных бортовых систем. ДЦНТИБ г. Нижний Новгород. 2011 г.

8. Постовые системы диагностики на основе нелинейной радиолокации. ДЦНТИБ г. Нижний Новгород. 2012 г.

9. Опережающий мониторинг на основе электромагнитной локации для ВСМ. ДЦНТИБ г. Нижний Новгород. 2012 г.

10. Нелинейная радиолокация как альтернатива акустикоэмиссионным методам контроля. ДЦНТИБ г. Нижний Новгород. 2012 г.

2014169277

2014159277