автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.22, диссертация на тему:Методика построения системы передачи информации на переходы и переезды о приближении поезда

Международный межакадемический союз

На правах рукописи

Крылов Игорь Петрович

МЕТОДИКА ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ НА ПЕРЕХОДЫ И ПЕРЕЕЗДЫ О ПРИБЛИЖЕНИИ ПОЕЗДА

Специальность: 05.02.22 - Организация производства

Диссертация

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

Москва 2014 г. 1

Работа выполнена в ОАО «Российские железные дороги»

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Коваленко Николай Иванович кандидат технических наук Процкий Александр Васильевич

Защита состоится » 2014 года 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.

¿75", /-/. 2014 г.

Учёный секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

М.Д. Рукин

РОССИЙСКАЯ гаг ягрс[[?!.1шля

ьиич-.ои-КА

ОБЩХЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы.

Железнодорожный транспорт является зоной повышенной опасности (повышенного риска). Поэтому для его успешной эксплуатации законодательно предусмотрено обеспечение его безопасного функционирования и комплексного развития.

В соответствии с Федеральным законом от 10 января 2003 г. № 17-ФЗ «О железнодорожном транспорте в Российской Федерации» под безопасностью движения и эксплуатации железнодорожного транспорта понимается такое «состояние защищенности процесса движения железнодорожного подвижного состава, при котором отсутствует риск возникновения транспортных происшествий и их последствий, влекущих за собой причинение вреда жизни или здоровью граждан, вреда окружающей среде, имуществу физических и юридических лиц».

В настоящее время уровень безопасности движения на железнодорожном транспорте по сравнению с другим видами транспорта является одним из самых высоких. Однако, Транспортной стратегией Российской Федерации на период до 2030 года (далее - Транспортная стратегия) и Стратегией развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года (далее - Стратегия развития), утвержденных распоряжениями Правительства Российской Федерации соответственно от 22 ноября 2008 г. № 1734-р и от 17 июня 2008 г. № 877-р признано необходимым дальнейшее снижение аварийности на железнодорожном транспорте. А именно, применительно к энергосырьевому и инновационному сценариям стратегического развития железнодорожного транспорта (соответственно минимальному и максимальному вариантам) установлены следующие показатели снижения уровня аварийности (в %) относительно значений уровня аварийности в «базовый» 2007 год (принятого за 100%):

в 2020 г.

в 2015 г.

в 2010 г.

-86%; -66%; - 58%;

в 2030 г. при минимальном варианте - 51%; в 2030 г. при максимальном варианте - 43%.

Это требует проведения действенных мероприятий, направленных на достижение установленных Правительством Российской Федерации целевых показателей.

Отдельной строкой в этих стратегиях большое место занимает проблема снижения жертв пассажиров в первую очередь при сходе как пассажирских, так и грузовых составов.

Резко увеличилось количество жертв среди населения, особенно с возрастанием скоростей движения грузовых и особенно пассажирских составов, на пешеходных переходах и автомобильных переездов.

Эти трагические случаи резко возросли в связи с организацией высокоскоростных магистралей, где при скорости 420 км/ч пассажирский состав пролетает за 1 секунду более 100 метров. При этих скоростных режимах реакция человека является бесполезной.

Вследствие этого методика по гарантированному и надежному оповещению пешеходов и водителей автотранспорта о приближении железнодорожных составов является предельно актуальной.

Цель и задачи исследования.

Целью данной работы является разработка методики построения системы передачи информации на переходы и переезды о приближении поезда, которая позволила на новых принципах обеспечить безопасность пешеходов, пассажиров, водителей автотранспорта в условиях железнодорожного движения.

В связи с этим:

1. Дан анализ современным системам передачи информации на переходы и переезды.

Выбран тип адресного проведения исследований.

2. Разработаны принципы классификации систем передачи информации на переходы и переезды по физическим и конструктивным признакам.

3. Предложен метод активной идентификации приближения поездов к переходам и переездам.

4. Разработана и внедрена методика построения системы передачи информации на переходы и переезды.

Научная новизна диссертации.

Научную новизну диссертации составляют:

1. Впервые предложена адаптивная система передачи информации на переходы и переезды.

2. Обоснованы граничные условия применения бортовых и постовых систем передачи информации на переезды и переходы.

3. Предложены правила проследования переходов и переездов -максимальная скорость движения, что является условием минимального времени закрытия запрещающих сигналов.

4. Предложен принцип максимальной концентрации энергии при электромагнитном сканировании рельсовых путей.

Практическая значимость работы.

Результаты выполненной работы использованы при создании системы передачи информации на переходы и переезды

Структура и объем работы.

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

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ НАУЧНОГО ДОКЛАДА

Глава 1. Возможные средства передачи информации на пешеходные

переходы и автомобильные переезды.

В настоящее время одной из распространенных схем для передачи информации о приближении поезда является система, в которой используется метод, основанный на изменении емкости при прохождении колесных пар между измерительными датчиками. (Рис 1)

Рис.1

При использовании метода акустической эмиссии за счет наезда первого колеса на участок рельса, где закреплен датчик, в металле рельса протекает пластическая деформация, которая перерождается в микротрещину, порождающую рабочий акустический сигнал. (Рис 2)

Пластическая деформация

Рис.2

В другом схемном решении используется магнитоупругий эффект (эффект Виллари).

Магнитоупругий эффект заключается в том, что под действием деформации, создаваемой массой локомотива, изменяются магнитные свойства участка рельса — его магнитная проницаемость, на которую реагирует магнитный датчик, генерирующий электромагнитный импульс в систему. Как и в первом случае оба типа датчиков непосредственно крепятся на рельсах.(Рис.З)

Системы дистанционного контроля температуры нагрева буксовых узлов (рис. 4) и диагностика технического состояния колесных пар на основе анализа акустических сигналов (рис.5) могут также использоваться для решения задач передачи сигналов приближения поездов.

В настоящее время одной из распространенных схем для передачи информации о приближении поезда является система, в которой используется метод, основанный на изменении емкости при прохождении колесных пар между измерительными датчиками.

Рис.5 8

Система предназначена для определения волочащихся частей при движении железнодорожных составов (рис 6). Система работает следующим образом. В исходном состоянии при отсутствии волочащихся предметов в контролируемой зоне 4 приемная пластина 3 емкостного преобразователя 1 обладает тарированной электроемкостью относительно окружающих предметов и нижней стабилизирующей пластины 8. При появлении над пластиной 3 в контролируемой зоне 4 волочащегося предмета изменяется электроемкость пластины 3. Изменение емкости пластины 3 также происходит при прохождении над ней подвижного состава. Это изменение емкости зависит в основном от расстояния до дна вагона, т.к. площадь дна много больше площади рабочей пластины. Система сконструирована таким образом, что вводя пороговые значения в измерительный тракт и меняя конфигурацию пластины. Изменение емкости при появлении постороннего предмета значительно выше, чем сигналы, получаемые при прохождении самого подвижного состава. Система показала высокую стабильность при эксплуатации.

Рис. 6

Известно устройство контроля схода колесной пары с рельсов.

Данное устройство относится к средствам обеспечения безопасности на

железнодорожном транспорте и может быть использовано для контроля

9

схода колёсной пары с рельсов и, в частности, для контроля свисающих и волочащихся деталей вагонов, выступающих за нижний габарит подвижного состава, а также может быть реализовано в режиме передачи информации о приближении поезда на пешеходные переходы и автомобильные переезды.

На рисунке 7 представлена схема устройства контроля схода колёсной пары с рельсов. Устройство состоит из нескольких датчиков 1 бесконтактного типа (электромагнитных датчиков), соединенных между собой в электрическую цепь 2. Датчики 1 помещены в ударопрочные корпуса 3, выполненные из диэлектрического материала. Корпуса 3 закреплены на основании 4 на уровне подошвы рельсов 5 и установлены внутри и снаружи рельсовой колеи. Основание 3 расположено между шпалами 6 и прикреплено к рельсам 5 с помощью креплений 7. Крепления 7 снабжены амортизирующими прокладками 8. Электрическая цепь 2 датчиков 1 соединена с контрольной аппаратурой дежурного по станции и с аппаратурой управления входным светофором (не показаны).

Устройство работает следующим образом. Во время движения поезда при наличии в нем свисающих и волочащихся деталей и посторонних металлических предметов, происходит срабатывание одного или нескольких электромагнитных датчиков 1. Это происходит при прохождении над датчиком 1 металлических деталей вагона (колесо, буксовый узел и др.), выступающих за пределы нижнего габарита. Электромагнитные датчики 1, при появлении металлической детали в зоне их действия, преобразуют возникающее изменение электромагнитного поля в электрический импульс. Этот импульс передается по электрической цепи 2 на контрольную аппаратуру дежурного по станции и аппаратуру управления входным светофором. В результате чего на светофоре появляется запрещающий сигнал, а дежурный по станции получает возможность оперативного реагирования на случай схода.

Таким образом, устройство повышает надежность выявления металлических деталей за пределами нижнего габарита подвижного состава, что снижает вероятность наступления тяжелых последствий схода.

Постовая система выявления ненормативных зазоров между скользунами грузовых вагонов на ходу поезда так же передает информацию на пешеходные переходы и автомобильные переезды.(Рис.8)

Принцип работы системы заключается в анализе процесса изменений ускорений, возникающих на рельсах при проходе вагонов. Установлено, что при проходе вагона, имеющего ненормативные зазоры между скользунами, ускорения в определённых диапазонах частот, зависящих от скорости, увеличиваются (или уменьшаются), что служит критерием браковки.

Схема установки датчиков и основные элементы системы показаны на рисунке 9.

Рис.9

На основании анализа результатов проведенных испытаний с опытными вагонами был сделан вывод о возможности контролировать зазоры в реальных поездах. Были проведены эксперименты по контролю зазоров между скользунами в трех поездах, состоящих из порожних цистерн. При этом были выявлены четыре вагона с ненормативными зазорами между скользунами, которые были подтверждены последующими измерениями.

Гпава 2. Выбор научного направления исследования.

Применяемый арсенал средств для передачи информации о приближении поезда на переходы и переезды имеет общий и существенный недостаток.

Все эти средства без исключения конструктивно выполнены в виде стационарных (постовых) систем. Их особенностью является наличие фиксированного расстояния до переходов и переездов от датчиков приема движения. При подходе железнодорожного состава к любой из этих систем информация немедленно поступает на переходы и переезды, и оповещение осуществляется путем подачи звуковых, речевых, сетевых и других типов сигналов. Время проследования поезда от поступления информации на переходы и переезды колеблется в значительных пределах. Так как система не учитывает тип подвижного состава, его динамические характеристики, включая реальную скорость проследования приемных датчиков.

Такие значительные временные расхождения снижают доверие к поступающей, запрещающей информации о приближении поезда, ведут к ослаблению поведенческой дисциплины на территории железнодорожных путей. Несовершенность этих систем приводит к неоправданному простаиванию пешеходов и автотранспорта, что в свою очередь вызывает опасно-преступные игнорирование запрещающих сигналов.

Это положение приводит как к гибели или тяжелому травмированию пешеходов и пассажиров, так и является причиной частых крушений поездов при их наезде на автотранспорт и другую габаритную и тяжелую двигающуюся технику.

Подобная ситуация стимулирует изучение и разработку принципов построения системы оповещения пешеходов, пассажиров, водителей автотранспорта и многочисленных работников, ремонтирующих и обслуживающих объекты инфраструктуры железных дорог.

Характерной особенностью железных дорог является наличие

искривленных участков, поэтому использование существующих методов

13

контроля, основанных на радиочастотной или лазерной локации, а так же телеоптических устройств, требующих прямого наблюдения удаленных объектов, в данном случае является нереализуемым.

С электротехнической точки зрения современные рельсовые пути представляют собой однопроводную линию передачи (ОЛП), открытый волновод или длинную линию. (Рис.10)[1]

Рис.10

Способы дистанционного обнаружения повреждений в кабельных линиях и линиях электропередач хорошо известны. Они основаны на возбуждении в линии электромагнитной волны и анализе отраженных от ее неоднородностей сигналов. Следовательно, актуально проведение исследований по изучению возможности зондирования рельсовых путей возбуждаемыми в них электромагнитными волнами.

Основная часть энергии электромагнитного поля поверхностной симметричной Е-волны сосредоточена в цилиндрической области вокруг

14

проводника ОЛП радиусом порядка длины волны. Таким образом, зондирующий импульс должен быть чувствителен не только к объектам, гальванически связанным с рельсом, но и к объектам, от рельса электрически изолированным, но находящихся в непосредственной близости от железнодорожного пути (например, стоящий на путях автомобиль).

В структуре поверхностной Е-волны имеется радиальная составляющая электрического поля Ег и незначительная по величине продольная составляющая Ez. Силовые линии магнитного поля в виде замкнутых круговых линий расположены перпендикулярно и симметрично относительно проводника ОЛП. Для ОЛП необходимо применение специальных устройств возбуждения поверхностной волны. Устройство возбуждения поверхностной волны располагается в области сосредоточения энергии электромагнитного поля.

Теоретическое исследование проблемы проводилось путем анализа системы телеграфных уравнений с параметрами, соответствующими железнодорожному пути. [2]

Анализ характера отражения сигнала в рельсах от дефектов пути различного типа показывает, что при сплошном разрушении рельсового пути коэффициент отражения К=1 для всех гармоник импульса. При наличии на линии локальной присоединенной емкости, чему физически может соответствовать, например, стоящий на путях вагон, коэффициент отражения содержит два члена, пропорциональных частоте в первой и во второй степени.

Отличительной особенностью рельсовых путей является то, что они имеют стыки. Однако рельсовые стыки как правило электрически соединены с помощью специальных накладок и путём пайки, приварки или запрессовки дополнительных соединителей: медных, сталемедных или стальных. Согласно ГОСТ 9.602-89, увеличение сопротивления рельсовых нитей за счет стыков должно быть не более 20%. Длина плетей бесстыкового

(бархатного) пути может составлять 550 - 800 м.

15

Для определения местонахождения поезда на линии ее делят стыками на изолированные участки. Каждый такой участок пути оснащается рельсовой цепью. Длина изолированных участков колеблется в зависимости от его требуемой пропускной способности. Соответственно на подходе к станции и на самой станции, где скорости движения и расстояние между поездами меньше, рельсовые цепи короче, чем на перегоне. Отметим, что как показали проведенные эксперименты, изолирующие стыки дают сильное, но не полное отражение зондирующего импульса

Необходимо в исследовании ориентироваться на бесконтактные методы, позволяющие создать гибкие средства, адаптированные к задачам реального отображения времени проследования поездами переходов и переездов, а так же учитывать особенности траектории построения рельсовых путей. Методы, основанные на бесконтактной идентификации движущихся поездов, являются на сегодня единственной обнадеживающей перспективой.

В работе необходимо рассмотреть две схемы: в бортовом и постовом исполнении. (Рис.11)

Бортовой вариант подачи Постовой вариант подачи

сигнала оповещения сигнала оповещения

Рис.11

3. Принципы построения системы передачи информации на пешеходные переходы и автотранспортные переезды о приближении подвижного состава.

Одним из вариантов построения системы передачи информации для оповещения пешеходов, пассажиров и водителей автотранспортной техники является бортовой комплекс, располагаемый непосредственно на локомотиве.

Дополнительно к целям разрабатываемых систем добавляется:

- 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.

Рассматривая рельс как однопроводную линию для передачи электромагнитной энергии при расчете энергетических параметров

(величины тока и напряжения) могут быть применены, с рядом непринципиальных допущений, телеграфные уравнения.[3]

4-У(х.0 = -*'"т*Ь*,0-я-Пх,П (1.1)

ах о!

—1(х,0 = -С—У(х,0-С-У(х,1) (1.2)

дх 81

где Л, Ь, С, й - 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 /? и О 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 (1.2) получается пара дифференциальных уравнений в частных производных первого порядка, одна функция описывает распределение напряжения V вдоль линии, а другая -распределение тока I, обе функции зависят от координаты х и времени /.

= —/(л, О

& 81 (1.3)

дх дI

Эти уравнения можно совместить для получения двух отдельных волновых уравнений. Для этого продифференцируем первое уравнение из (1.3) по х:

= —/(*,/) (1.4)

дх дхд1

5/

Подставим в уравнение (1.4) значение — из второго уравнения (1.3)

ах

= = (1.5)

Проведем аналогичные преобразования путем дифференцирования второго уравнения из (1.3) по х. Тогда используя первое уравнение из (1.3) получим

—5- /(*,/ ) = -С • — V(х,0 = -С ■ - - I — 1(х,I) = ЬС ^ / (*, 0 (1.6) ох дхдI д1\ о/ ) дг

Таким образом получаем пару волновых уравнений

д2 1 л2

а/2 ьс Эх

д! ЬС дх2

(1.7)

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

41с'

Когда элементами Л и О нельзя пренебречь, первоначальные дифференциальные уравнения принимают вид (1.1, 1.2):

4-У(х,0 = -I • |-/(*,0 - Л • /(*,/) дх д1

!-/(*,/) = -С — КС*,/) - С • Г(х,0 дх д1

Продифференцируем первое уравнение по х

К(*,/) = /(*, 0 ■- Л • £ /(*, 0.

сЬс йхб/ дх

Подставим в уравнение (1.2) и произведем некоторые преобразования

дх2 аЛ л ) I д1 )

= ъс^у + ш—V + яс—V + лс • V = ¿с—гУ + (лс + а)— у + слг д12 д( д! &2 д1

Аналогичным образом дифференцируем второе уравнение из (1.2) по х подставляем в него первое уравнение и преобразуем:

дх2 8x51 дх ЭД д( ) \ д1 )

5г2 аг аг аг2 4 'аг

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

Д=-И(лг,/) = ЬС^-гУ(х,1) + (ЛС + а)— К(*,/) +

Эх2 5/2 д, (18)

^Ц- /(*,/) = ¿С-^/(х,1) + (ЛС + /(Л-,/) + ОЛ/(х,0

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

Я „ !Т

как е , где а =-, /0 = .1— - 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 11=0 и 0=0), решение для нахождения напряжения У может быть представлено в виде:

У(х,0 = Дш-кх)+/г(й>1 + кх) (1.9)

И тогда сила тока / определяется по формуле

I{x,t) = -C-¡(/l(t»í-kx) + f1(á>t + kx))-dx (1.10)

где k = ú)yfLC =— - волновое число, со - угловая частота, и /2

могут быть любыми функциями и v = " скорость распространения

волны (фазовая скорость).

Здесь _/¡ представляет волну, идущую в положительном направлении оси л: (слева направо), а /2 представляет волну, идущую справа налево.

Для проведения исследований была сформирована схема приемно-передающего устройства (рис. 12).

Рис.12

Данная схема была реализована в экспериментальном образце локатора, который был установлен на электровоз типа ВЛ-80.

Лабораторный вариант системы предупреждения о приближении поезда будет выполнен при следующей основной комплектации:

- передающий и принимающий модуль;

- задающий генератор;

- модуль аналоговой обработки;

- модуль цифровой обработки;

- модуль управления;

- супер-микро ЭВМ.

Для проверки приемно-передающего устройства был организован участок для апробации отдельных элементов экспериментальной системы электромагнитной локации. (Рис 13)

В состав экспериментального участка входят: •монорельсовый путь длиной 300 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

(Рис 13)

же расстоянии от другого. На плакате приведены осциллограммы полученные с помощью экспериментального локатора рис.14

г

И*.*4 •• ши*

400 метров

м Л л«»— —

|| !

■им** ♦ •• »*.>'

200 метров

Рис.14

На рис. 14 видны прямые импульсы с отражениями от концов рельса и затем его однократное и двукратное повторение.

При экспериментах было достигнута максимальная величина затухания сигнала Ух равная 600 метров.

Графики распределения вертикальных, продольных и поперечных компонентов напряженности объясняет распределение компонентной напряженности электрического поля вдоль поверхности рельса, (рис 15)

Рис.15

Распределение основной (вертикальной) компоненты электрического поля во времени приведены на рисунках 16, 17, 18.

Рис.16

Расположение вертикальной компоненты напряженности электрического поля на момент времени I = 1,33x10"2 мкс.

Рис.17

Расположение вертикальной компоненты электрического поля на момент времени I = 2,67x10": мкс.

напряженности

Рис.18

Расположение вертикальной компоненты напряженности электрического поля на момент времени I = 4x10 2 мкс.

Распределение компонент напряженности электрического поля в вертикальном сечении вдоль рельса на моментI = 6x10 "мкс. (Рис. 19, 20, 21)

Рис.19

Продольная компонента электрического поля.

ГШ

НИ) • п.»

Рис.20

Вертикальная компонента электрического поля.

£в

Рис.21

Поперечная компонента электрического поля.

В контрольных экспериментах по исследованию принципа бортовой электромагнитной локации на частоте 200 МГц получена максимальная длина затухания сигнала порядка 700 метров.

В расчетных, а затем и в экспериментальных данных при скорости движения состава 100 км/час при экстренном торможении тормозной путь составляет 1 км.

В бортовом варианте можно достигнуть требуемой длины затухания электромагнитного сигнала путем использования СКИН-эффекта или увеличением мощности СВЧ-сигнала на несколько порядков.

Использование СКИН-слоя рельса требует высокой точности поддержания зазора между приемно-передающей антенной и внешней поверхностью рельса. Данное требование не может быть выполнено в силу особенностей конструкции локомотива и реального технического состояния рельсовых путей.

Путь увеличения мощности СВЧ-сигнала исключается европейским стандартом (в том числе и российским) по уровню плотности СВЧ-излучения. На человека (в данном случае для машиниста электровоза) уровень плотности СВЧ-излучения, находящегося вблизи источника излучения на расстоянии 50 см, не должен превышать 10 мкВт на 1 кв.см поверхности тела.

Эти причины и продиктовали необходимость дальнейшего проведения работ применительно к поиску принципов построения системы передачи информации на переходы и переезды в постовом исполнении.

Глава 4. Методические приемы построения постовой системы передачи информации на переходы и переезды о приближении состава.

В физическую основу постовой системы закладывается СКИН-эффект, при котором ток СВЧ течет не по всему сечению проводника, а только по его поверхности в СКИН-слое толщиной Д, зависящей от частоты сигнала.[4] Толщина слоя А записывается в следующем виде:

(1.11)

где р - удельное электрическое сопротивление проводника, шцц0 -относительная и абсолютная магнитные проницаемости проводника.

Пусть для простоты проводник имеет вид цилиндра радиуса г0. Тогда его удельную проводимость Яо можно записать в виде:

Я0=Х'^ (1.12)

где

1 2пт0 >/ 2

ЦЦрР

2 (1-13)

Длина затухания сигнала Ух будет обратно пропорционально частоте электромагнитного импульса:

уТ=™Ь- (1.14)

х- &

Анализ характера отражения сигнала в рельсах от дефектов пути различного типа показывает, что при сплошном разрушении рельсового пути коэффициент отражения К=1 для всех гармоник импульса. При наличии на линии локальной присоединенной емкости, чему физически может соответствовать, например, стоящий на путях вагон, коэффициент отражения содержит два члена, пропорциональных частоте в первой и во второй степени.

Результаты моделирования показывают, что возможно формирование направленного излучения (вперед - назад) с помощью нескольких излучателей, запитанных со сдвигом фазы (фазированной антенной решётки).

Фазированный излучатель состоит из двух элементов. Первый излучатель находится в начале координат и формирует волну tp¡ единичной амплитуды и частотой со в линии, описываемую выражением (1.15).

<px{t,x) = 0(х) ■ sin [ш ■ (t -f)] + 0(-х) • sin [ai • (t + (1.15)

где v - скорость распространения волны в линии.

Второй излучатель находится в точке с координатой а = Л/4, где Я -длина волны, и формирует волну <р2 с задержкой по фазе относительно волны q>¡ на величину a/v.

Ввиду линейности волновых уравнений, волны <p¡ и <р2 складываются. Суммарная волна ip=<pi+(p¡,будет иметь вид: <p(t,x) = в(х - а) ■ 2sin [си • (t - + 0(*) • 0(а - х) • 2sin (to) • cos (<ot) (1.17)

где к = 2я/А.

Таким образом, в данном случае между излучателями формируется стоячая волна. Вперёд, за излучателями, распространяется волна удвоенной амплитуды. Назад, за излучателями, волны взаимно гасятся.

Было проведено моделирование формирования и отражения направленных электромагнитных волн (рис.22).

ш

Интенсивность отраженного сигнала -подача информации на переходы и переезды

Рис.22

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

Электромагнитные волны поперечны - векторы индукции магнитного поля В и напряженности электрического поля Е перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны (вектору скорости V). (Рис. 23)

Для стабильной работы системы весьма важно определить расположение электрода над рельсом. Экспериментально определена для данной системы стабильная во времени величина зазора равная 15 см.

При условии Н=\¥=Ь и постоянное в пространстве вертикальное

электрическое поле, зависящее от времени, определены (рис.24): XV = Н = 20 см; Ьг = Ьв = Ь5 = 15 см, \У5 = \¥Г = 15 см, Ь = 3200 см

Е

ЧЦ-'

Рис. 23

Рис.24

Техническую основу работы постовой системы положен радиолокационный метод определения расстояния до приближающегося подвижного состава.

Система формирует зондирующий сигнал, распространяющийся вдоль рельсов, и осуществляет прием и обработку сигнала, отраженного от двигающегося подвижного состава. Для устойчивого распространения сигнала вдоль рельсов и исключения излучения сигнала в пространство используются направляющие линии, образованные рельсом и контактным проводом, а так же проводами линии электропередачи, расположенными на опорах контактной сети, (рис.25)

В отличии от существующих схем включения (выключения) сигнала оповещения, использующих рельсовые цепи или системы на основе счета осей, система обеспечивает определение интервала времени до вступления поезда на пешеходный переход в зависимости от скорости приближения поезда. Данная программная при реализации алгоритма учитывает, что при

значении начальной скорости приближающегося поезда менее максимально

32

установленного для данного участка, необходимо предусмотреть возможность ускорения поезда до максимальной скорости.

Система осуществляет снятие сигнала оповещения после проследования хвостом поезда антенны.

Структурная схема опытного образца системы изображена на рис.26.

Рис.26

Система включает в себя: 1 - Антенная система

2- Устройство согласующее

3- Модуль управления и связи

4- Передающий модуль

5- Приемный модуль

6- Задающий генератор

7- Модуль обработки сигнала

8- Источник питания.

Модули 2, 3, 4, 5, 6 и 7 объединены в один блок приема передачи

информации и смонтированы в одном корпусе.

Антенная система 1 преобразует высокочастотный электрический

сигнал в электромагнитную волну, распространяющуюся в направляющей

линии, образованной рельсом и проводом контактной сети. Согласующее

33

устройство обеспечивает работу системы на четыре антенны. Модуль управления и связи 3 обеспечивает управление работой всех модулей системы. В этом модуле осуществляется окончательная обработка отраженного сигнала и определение параметров движения приближающегося поезда (расстояние и скорость), рассчитывается время до поступления подвижного состава на переезд. Так же модуль обеспечивает подачу и контроль сигналов управления пешеходными переходами. Передающий модуль 4 обеспечивает формирование зондирующего сигнала. Приемный модуль 5 обеспечивает усиление отраженного сигнала и преобразование его в сигнал промежуточной частоты. Задающий генератор 6 генерирует высокостабильный синусоидальный сигнал. Который используется как опорный при формировании зондирующего сигнала и приеме отраженного. Модуль обработки сигнала 7 осуществляет предварительную (аналоговую) обработку сигнала и приведение его к виду, необходимому для работы АЦП модуля управления. Оборудование системы размещено в отдельном шкафу.(Рис.27)

Рис.27 34

Данная постовая система внедрена на перегоне Доскино-Игумново Горьковской железной дороги - филиала ОАО «РЖД», а с 2015 года планируется ее серийное изготовление.(Рис.28)

ПЕРЕГОН ДОСКИНО-ИГУМНОВО, 425 КМ ПИКЕТ 2

Рис.28

Заключение по результатам выполненной работы.

1. Дан анализ современным системам передачи информации на переходы и переезды.

2. Выбран тип адресного проведения исследований.

3. Разработаны принципы классификации систем передачи информации на переходы и переезды по физическим и конструктивным признакам.

4. Предложен метод активной идентификации приближения поездов к переходам и переездам.

5. Разработана и внедрена методика построения системы передачи информации на переходы и переезды.

6. Впервые использованы на железнодорожном транспорте рельсы как средство передачи СВЧ-излучения для информации о приближающемся поезде.

7. Впервые предложена адаптивная система передачи информации на переходы и переезды.

8. Обоснованы граничные условия применения бортовых и постовых систем передачи информации на переезды и переходы.

9. Предложены правила проследования переходов и переездов -максимальная скорость движения, что является условием минимального времени закрытия запрещающих сигналов.

10. Предложен принцип максимальной концентрации энергии при электромагнитном сканировании рельсовых путей.

Список научных трудов соискателя, опубликованных по теме диссертации.

1. Крылов И.П., Ондрин С.А., Кварталов А.Р., Критинин О.В., Сорокин В.М., Королев П.М., Серый В.В. Способ диагностики отказов динамических объектов и устройств для его осуществления. Патент 8и 1718190 Москва 2012.

2. Крылов И.П. Современный уровень систем передачи информации о движении железнодорожных составов. Н.Новгород, ДЦНТИБ, 2013.

3. Крылов И.П. Принципы построения системы передачи информации на пешеходные переходы и автотранспортные переезды о приближении подвижного состава. Н.Новгород, ДЦНТИБ, 2013.

4. Крылов И.П. Физические и технические основы при выборе направления при создании систем передачи информации для задач железнодорожного движения. Н.Новгород, ДЦНТИБ, 2014.

5. Крылов И.П. Методика бесконтактного мониторинга приближения поездов для обеспечения безопасности движения на переходах и переездах. Н.Новгород, ДЦНТИБ, 2014.

Список использованной литературы.

1.Воробьев И.А., Лесун А.Ф., Иванов П.С., Благин Е.Г. Предельная деформация транспортных систем и оценка их эксплуатационного ресурса. Н.Новгород; Изд. «Книга», 2011.

2. Виноградов М.Б., Руденко О.В., Сухоруков О.П. Теория поля М; Наука, 1979.

3. Вайншейн J1.A. Электромагнитные поля М; Радио и связь, 1988.

4. Френкель Я.И. Электродинамика Т.2. Ленинград-Москва ОНТИ,

1935.

5. Иммореев И .Я. Сверхширокополосные радары: новые возможности, необычные проблемы, системные особенности. Вестник МГТУ Сер. Приборостроения №4 1988.

6. Глебович Г.В. Исследования объектов с помощью пикосекундных импульсов М; Радио и связь 1984.

7. Князев Б.А., Кузьмин A.B. Поверхностные электромагнитные волны. Основные свойства. Формирования. Транспортировка. Научно-исследовательское учреждение. Институт Ядерной Физики им. Г.И. Будкера, СО РАН Новосибирск 2003.

-15509

2014341984