автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Методологические основы реструктуризациижелезнодорожного транспорта на базе компьютерных и ресурсосберегающих технологий

Международная Академия информатизации

Р Г 6 ОД На правах рукописи

- 6 Д В Г

Шарадзе Омарм Хасановнч

УДК 625.143.482.658.527

Методологические основы реструктуризации

железнодорожного транспорта на базе компьютерных и ресурсосберегающих технологий

Специальность: 05.13.16 - Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях

Диссертация

на соискание ученой степени доктора технических наук в форме научного доклада

Москва, 1998 г.

Работа выполнена в Управлении Горьковской железной дороги

Научный консультант: доктор технических наук, профессор, лауреат Государственных премий СССР и РФ Славянский З.М.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, академик МАИ, Гавриленков А.В.

доктор технических наук, профессор, член-корреспондент РАРАН, лауреат Государственных премий СССР Работинский Н.И.

доктор технических наук, профессор, академик МАИ, Спиридонов Э.С.

Защита состоится диссертационного

_ июня 1998 г. на заседании

Д-097.24МАИ.32 Международной

совета

Академии информатизации, 101475, ГСП, Москва, ул.Образцова, 15.

С диссертацией можно ознакомиться в Международной Академии информатизации, ауд.7518.

Автореферат разослан

1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор,

академик МАИ A.B. Гавриленков

Общая характераcrinca работы

Актуальность проблемы. Осуществляемая в настоящее время структурная реорганизация железнодорожного транспорта связывается, в основном, со значительным изменением направлений деятельности железных дорог на производственном и управленческом уровнях и достигаемой на этой основе экономии материальных и кадровых ресурсов.

В то же время практически не исследованы и не созданы методы реструктуризации, основанные на системном применении компьютерных технологий, автоматизированных диагностических систем, а также высокоэффективных производственных технологий, использующих новейшие достижения народного хозяйства.

Существующие исследования в области создания высокоэффективных технологий, применяемых на железнодорожном транспорте, классифицируются как исследования по созданию технических систем повышенной надежности с техническим и экономическим анализом проблем безопасности (Волков Б.А., Гавриленков A.B., Иванов М.И., Лазарев Г.Е., Переселенков Г.С., Мастаченко В.И., Спиридонов Э.С.), так и исследования прикладных проблем железнодорожного транспорта (Альбрехт В.Г., Лисицын А.Л., Исаенко Э.П., Першин С.П., Каменский В.Б. и другие авторы).

Анализ современных методов организации, контроля и управления производственными процессами, в том числе и железнодорожными перевозками. показывает необходимость создания концептуальной и методологической основы реструктуризации железнодорожного транспорта на базе компьютерных и ресурсосберегающих технологий. При этом повышается уровень рентабельности отрасли, улучшается безопасность и качество перевозочного и других технологических процессов, устанавливаются и оптимизируются устойчивые связи с субъектами хозяйственной деятельности в регионах и внешнем рынке, определяющие экономический и социальный облик не только железнодорожного транспорта, но и регионов в целом.

Анализ многолетнего опыта создания наукоемких технологий показал, что наибольшее значение в процессе реструктуризации железных дорог приобретают ресурсосберегающие технологии. Разработка и внедрение комплекса таких наукоемких технологий обеспечивают повышение ресурса железнодорожного пути и подвижного состава, позволяют сократить эксплуатационные расходы, а также качественно повысить эффективность труда персонала.

Создание высокоинтеллектуальных диагностических систем, повышающих качество и обеспечивающих безопасность перевозок, а также увеличение жизненного цикла железной дороги, связано с разработкой новых методов измерений и обработки данных виброакустинеского, электромагнитного и оптического излучений и других физико-технических методов.

Такая постановка проблемы предопределяет решение следующих основных направлений исследований и разработок:

создание методологических; основ реструктуризации железной дороги на базе наукоемких технологий;

создание комплекса автоматизированных систем управления перевозочным процессом, контроля технического состояния железнодорожного пути и подвижного состава на основе современных экономико-математических методов и компьютерных технологий;

создание динамических методов автоматизированной диагностики для прогнозирования, обнаружения и идентификации причин нештатных ситуаций;

создание наукоемких технологий ресурсосбережения, основанных на использовании взрывного упрочнения и детонационного легирования металлов, СВЧ и лазерного изл\"чений, а также других технологий, коренным образом модернизирующих производственные процессы.

Решение перечисленных задач возможно на основе создания единой компьютерной интегрированной системы, обеспечивающей последовательное осуществление процесса реструктуризации на железной дороге и эффективное применение на всех '.этапах тюю процесса прогрессивных технологий с учетом новейших достижений предприятий военно-промышленного комплекса.

Таким образом, тема диссертационной работы, связанная с „созданием концепции я теоретических основ разработки и

внедрения компьютерных и "ресурсосберегающих технологий, --------

является актуальной и формирует новое научное направление в области реструктуризации железнодорожного транспорта.

Цель работы заключается в создании эффективных высокоинтеллектуальных диагностических систем и ресурсосберегающих технологий на основе широкого использования экономико-математических методов и компьютерных технологий, обеспечивающих снижение эксплуатационных расходов и нештатных ситуаций на железной дороге.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

- разработка концепции адаптации и развития современных научно-технических достижений народного хозяйства к задачам железнодорожного транспорта;

- разработка ресурсосберегающих технологий и оборудования для повышения и восстановления ресурса железнодорожного пути и подвижного состава;

- создание высокоинтеллектуальных систем и аппаратуры для прогнозирования и оценки технического состояния объектов железной дороги;

- компьютеризация учета, анализа и прогноза технического состояния пути и подвижного состава.

Научная новизна. Разработка теоретических основ процесса реструктуризации на железнодорожном транспорте и их практическая реализация в виде компьютерных и ресурсосберегающих технологий потребовала выполнения ряда теоретических исследований и конструкторских разработок.

В частности, автором диссертационной работы впервые выполнено;

разработаны в едином комплексе алгоритмы, методы и автоматизированные диагностические системы, обеспечивающие высокий уровень безопасности перевозок;

разработаны наукоемкие ресурсосберегающие технологии, характеризуемые высокими технико-экономическими показателями и качественным улучшением условий труда;

разработаны теоретические методы ранней диагностики возможного возникновения нештатных ситуаций.

Достоверность предлагаемых методов и полученных результатов подтверждается данными системного анализа и статистических выборок, а таюке достигнутым экономическим эффектом по направлениям комплексного применения компьютерных и ресурсосберегающих технологий в путевом, локомотивном и вагонном хозяйствах Горьковской железной дороги и данными о значительном снижении брака в работе перечисленных служб и безаварийной работе дороги в 1996 -первом квартале 1998г.г.

Практическая ценность. Практическое значение работы заключается в создании теоретически обоснованных и практически апробированных конверсионных компьютерных и ресурсосберегающих технологий, применяемых на

железнодорожном транспорте и обеспечивающих высокий уровень безопасности перевозок и значительную экономию материальных, энергетических и кадровых ресурсов.

Поэтапная разработка и внедрение в промышленную эксплуатацию этих технологий осуществляется на Горьковской железной дороге, начиная с 1991 года.

Результаты работы могут быть использованы на сети железных дорог Российской Федерации, в практике работы проектных, научно-исследовательских и учебных организаций, ведущих разработки в данной предметной области.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на Международной конференции "Физика и промышленность" (Физпром-96), Голицино, Россия, сентябрь 1996 г., научно-технической конференции, посвященной 65-летию Сибирского государственного университета путей сообщения, Новосибирск, ноябрь 1997 г., коллегиях Министерства путей сообщения РФ, научно-технических советах Горьковской железной дороги в 1991-1998 г.г.

Публикации. По результатам исследований, представленных в диссертационной работе, опубликовано в соавторстве 52 научные работы, в том числе 5 патентов на изобретения, но основные результаты принадлежат автору.

На защиту выносятся следующие результаты, полученные автором:

методологические основы реструктуризации на базе наукоемких технологий;

концепция создания современной технологической и нормативной базы и компьютерных диагностических систем динамического"" контроля и прогнозирования технического состояния объектов железнодорожного транспорта;

комплекс технологий, обеспечивающих повышение ресурса элементов пути и подвижного состава на основе использования энергии взрыва, лазерного излучения и других физико-технических методов обработки металла;

система организации, методы и аппаратура ранней диагностики возможной нештатной ситуации на железнодорожном транспорте.

б

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Концептуальные и теоретические основы

реструктуризации железнодорожного транспорта на базе применения компьютерных и ресурсоберегагащих технологий

Разработанный и осуществляемый в настоящее время под руководством автора данного исследования проект реструктуризации Горьковской железной дороги предусматривает разработку и поэтапный ввод в промышленную эксплуатацию единого комплекса многоуровневой структуры

взаимосогласованных производственных и управленческих операций, последовательность которых определена математическими методами информационного и функционального моделирования. Осуществляемая модернизация производственных, в том числе и перевозочных процессов, требует высокого уровня их автоматизации, включая и автоматизацию контрольно-учетных процедур. Таким требованиям удовлетворяют наукоемкие, в том числе и конверсионные технологии, отличающиеся возможностью их автоматизации и, следовательно, возможностью их включения в проект реструктуризации железной дороги. К ним, в первую очередь, относятся технологии автоматизированной диагностики технического состояния объектов, восстановительные технологии с высоким уровнем ресурсосбережения и технологии ранней диагностики возможных нештатных ситуаций [51].

В частности, использование отечественных наукоемких технологий позволяет отказаться от дорогостоящего заказа на реинжиниринг зарубежным консалтинговым компаниям и обеспечить значительное снижение стоимости поставляемого оборудования, програмного обеспечения и материалов по сравнению с зарубежными аналогами, возможность их приобретения в соответствии с нормативными требованиями Госстандарта, Гостехнадзора, Министерства путей сообщения и других руководящих инстанций Российской Федерации, регулярное снабжение расходными материала,ми и запасными частями непосредственно с предприятий-изготовителей по более низким по сравнению с импортными поставками ценам, применять горючесмазочные материалы отечественного производства.

Формирование такого заказа со стороны Горьковской железной дороги российским предприятиям и организациям является одним из основных направлений ее интеграции в хозяйственную деятельность регионов не только как перевозчика грузов и пассажиров, но н как крупнейшего транспортно-производственного объединения, формирующего рынок производителей высокотехнологичной наукоемкой продукции. Такой заказ устанавливает порядок взаимодействия с разработчиками и поставщиками высокоточного оборудования и технологий на предприятия железной дороги, определяет согласовашгую с предприятиями и администрациями регионов схелгу платежей [51].

Все этапы многоуровневой подготовки технических требований, заданий и условий, а также выполнения самих разработок, включая их сопровождение в процессе опытной эксплуатации, автоматизированы и составляют основу автоматизированной системы научных исследований и опытно-конструкторских работ Горьковской железной дороги (АСНИ ГЖД), которая является составной частью единой системы компьютерной интегрированной технологии на дороге (рис.1). В АСНИ ГЖД входят следующие основные разделы.

Автоматизированная си стелю экспертной оценки наукоемких технологий, определяющая возможность их модернизации и использования на железнодорожном транспорте. Она включает в себя электронную библиотеку существующих технологий и систему запросов, действующую в режиме базы знаний, то есть формирующую диалог с пользователем системы с автоматизированной формализацией проблемы, ее целей, задач, возможных направлений и методов решения, а также практических результатов того или иного решения. Осуществляется также патентная экспертиза предложений и оформляется заявка на патент. Приоритетами - обладают - ресурсосберегающие технологии, продляющие жизненный цикл объектов железной дороги и значительно влияющие на ее экономические показатели, а также диагностические технологии, отвечающие требованиям безопасности перевозок. Обязательным условием является возможность применения таких технологий в составе автоматизированных систем или возможность автоматизированного (автоматического) выполнения технологических операций и их контроля.

Система аналитических вычислений, математического моделирования и обработки эксперимента, включающая в себя базовые методы аналитических вычислений, методы

Автоизгаздроаанвзд система экспертной ОцеШсй ааукоеикзк технологий 0$стеиа аналитических. аыч^спешШ, >ЛШСМ2П1МССК0Г0 моделирования и обработка

Диагностика Модели дмнашпен

Ресурс ос берскека«

Модели сплошных сред

Модели ударно-волнового аоздействид

Система

аят ом агнзиро ааяиопэ проектирования (САПР)

Диагностик еское оборудоычшс

Те шологкчсс ¡ая осаастка, иыструысш" и приспособления

Скстеыа аетоиахгоироьайБОЙ □ОДГОТОВ(Сй тсхшгческой докуй ентатш АВТ ОМ ало ироьакиая снстена реи работка программного обсспсчския Автомата сгроышан сгздма соировсисдгшы внедряемую ь ПрОМШШеШГуЮ эксплуатацию днагиостичсскйЛ И ресурс осбсрегаюшах технологий

1

Телнзческие задааая, требования, условия

Сгаддартнзаоия

Лицензионное обеспечение

Игдытания

С*идти;ы эксплуатация

Оаср^паьао • дийпетчгрское упртпеаас

Антоиагнзироьляьая система оперативного управления перевоз

Электронный маршрут иашшшегд

АРМ товарного

Литой агш аро ванная система оосяуаатааня

аассашгрских перевозок "Экспресс"

Рис. 1 Компьютерные и ресурсосберегающие технологии в задача* реструктуризации железной дороги

математического и имитационного моделирования, системы планирования вычислительного, модельного и натурного эксперимента, методы автоматизированной обработки и анализа их результатов. Наибольшее значение из них имеют методы прочностных и динамических расчетов [8,9,27,49] как всего комплекса железнодорожный путь-подвижной состав, так и его элементов - рельсов н рельсовых, плеггей, колесных пар, земляного полотна. Особо выделяются математические методы обеспечения ресурсосберегающих технологий, в частности, взрывного упрочнения и восстановления рельсов и колес подвижного состава, основанные на изучении механики сплошных сред и изменения их структуры под действием ударной волны [26].

Система автоматизированного проектирования (САПР), осуществляющая в автоматизированном режиме собственно проектирование оборудования, машин, механизмов и других изделий, инженерные расчеты, компьютерную графику схем и чертежей, технологическое сопровождение, контроль выполнения требований государственных стандартов и отраслевых нормалей.

Система автоматизированной подготовки технической документации, обеспечивающая оформление технических предложений, требований, заданий, технических и рабочих проектов, договоров, приемо-сдаточной документации, а также разделы подготовки стандартов предприятия (СТП) и лицензионного обеспечения.

Автоматизированная система разработки программного обеспечения, действующая на основе больших интелллектуальных пакетов программ и генерирующая прикладное программное обеспечение в соответствии с требованиями ЕСПД.

Автоматизированная система сопровождения испытаний и опытной экслуатации, обеспечивающая регистрацию, обработку и анализ дашых опытной эксплуатации новой техники, оборудования или технологии, а также автоматизированное ее согласование со стандартами автоматизированных систем железнодорожного транспорта, лицензионное и сертификационное обслуживание.

Разработанные и апробированные в процессе опытной эксплуатации новые технологии передаются в промышленную эксплуатацию и включаются в единый стандарт действующих компьютерных интегрированных технологий Горьковской железной дороги.

Система динамического контроля (рис.2) представляет собой комплекс организационных, методических и программно-технических разработок, связанных общей концепцией реструктуризации предприятий железной дороги и единым

РАННЯЯ ДИАГНОСТИКА ПК ШТАТНЫХ СИТУАЦИИ

сообщения но

НЕШТАТНЫМ СИТУАЦИЯМ

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ РАБОЧЕЕ МЕСТО ЭКСПЕРТНОЙ ОЦЕНКИ АВАРИЙНОЙ СИТУАЦИИ

комплекс мероприятий по ликвидации последствий нештатных ситуаций

информационное обеспечение и диагностика

контроль габаритов акустическая дефектоскопия вибрационная дефектоскопия оптическая дефектоскопия

-ПАКЕТИРОВАНИЕ И ПЕРЕДАЧА ИНФОРМАЦИИ ПО КАНАЛАМ СВЯЗИ j

кЛьПИй fViXiiJWEtKitil tiAi Hdpi it I-Eki'THi iiUtHhtMrioiot1«

земляное полотно ¡верхнее строение путн | искусственные сооружения

пассажирские устройства | устройства для грузовых опсрацш!

депо | сце и связь | эльктроенАьженив [полоса отвода | п^ресгчгкля

подвижной состав

автоматизированные рабочие места экспертной о ц&нкы технического состояния объектов железной дороги

КОЬТРОЛЬНО-УЧЕПШЕ ПРСШвЛУрк* I системы принятия решений

ViihJ-ilfoHloS ¿lhVAUUtt I перспективное планирование

¿окуме чтация

раепош^глигая нормативно - справочная

инструктивная

контроль за ыполпением |

i организационно - штатные процедуры ]

РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ

взрывное упрочнение рельсов и крестовин

взрывное восстановление крестовин

лазерное ПЛН1ЛЛ tll'ill

ДЕТОНАЦИОННОЕ ЛЕГИРОВАНИЕ

Рис.2 Функциональная схема динамического контроля железной дороги

стандартом на информационное обеспечение производственного (перевозочного) процесса. Принятый в международной практике стандарт PEST (policy, economy, society, technology) мониторинга, в том числе и инженерного (technology), оперирует слабо формализованными понятиями и определениями в различных сферах человеческой деятельности, что позволяет осуществлять контроль фактического технического состояния и осуществлять стратегическое планирование производства в условиях недостаточного информационного обеспечения.

Научные разработки, выполненные в настоящее время в этой области, многочисленны (A.M. Пешков, D. Vaskevitch, J. Martin, С. Finklestein), однако наиболее эффективными представляются исследования в рамках Программы интегрированной компьютеризации производства (ICAM), направленной на разработку структурных методов реинжиниринга производственных процессов (Ross D.T., Hori S., Feldmann C.G.). Разработанная в соответствии с этой Программой методология IDEF (ICAM Definition) обеспечивает функциональное моделирование (структурированное отображение функций производственного процесса), информационное моделирование (построение информационной модели, необходимой для формирования информационных потоков), динамическое моделирование (собственно контроль изменяющихся производственных функций, технического состояния, материальных ресурсов и других характеристик производственной деятельности). В результате формируется архитектура моделируемой производственной среды и осуществляется формализация и идентификация объектов и производственных функций.

В области железнодорожного транспорта моделирование по данной технологии впервые выполнено на Горьковской железной дороге и позволило выполнить формализованное описание основных объектов дороги, образующих ее географическую и производственную структуру, а также всех элементов, формирующих зги объекты.

Базовая модель дороги представляет собой структурированное описание железной дороги и отображает расположение самой дороги в ее административных границах, а также ее основных элементов: железнодорожных линий с классификационным распределением путей, составляющих эти линии, и раздельных пунктов в их границах. Необходимыми атрибутами базовой модели являются понятия парков раздельных пунктов, стрелочных переводов, светофоров и упоров на главных путях.

Представленная в виде диаграммы такая модель дороги позволяет установить иерархическую структуру базовых понятий в описании железной дороги (сущности) и необходимых признаков этих сущностей, которые формализуются как наименования полей проектируемых баз данных. В частности, для описания раздельного пункта предусматривается иерархия полей баз данных в составе идентификатора раздельного пункта, наименования раздельного пункта, типа раздельного пункта, класса раздельного пункта. Свободные экраны для каждой сущности или поля позволяют выполнить комментарии, необходимые для пользователя при его работе с моделью.

Аналогично выполняется формирование модели административно-территориального деления и административного деления дороги, основных характеристик дороги и последующих моделей, описывающих составляющие производственной деятельности железной дороги. Рассмотрим наиболее важные для организации динамического контроля и применения ресурсосберегающих технологий разделы информационной модели. К ним следует отнести информационные модели рельсов и стрелочных переводов, конструкции которых в значительной степени подвергаются износу и требуют системного применения восстановительных ресурсосберегающих технологий.

Информационная модель рельсов определяет местонахождение любого рельса. на данной железнодорожной линии, раздельном пункте и парке, главном или станционном пути с указанием километра, пикета, метра, нити и звена, где уложен данный рельс. Модель определяет все технические характеристики рельса: его функциональное назначение, тип (Р-75, Р-65 и т.д.), расположение в звеньевом или бесстыковом пути, завод-изготовитель, годы прокатки, укладки и изъятия, наличие термообработки, группу, пропущенный тоннаж, в том числе и пропущенный тоннаж в предыдущем месте укладки для старогодных рельсов и другие характеристики.

Информационная модель рельсов определяет километры с дефектными рельсами, число замененных остродефектных рельсов на километре в текущем году и с начала укладки, число имеющихся на километре в текущем году дефектных рельсов. Она определяет также номер рисунка дефекта, его длину и глубину. Перечисленные поля заполняются по результатам работы автоматизированных средств дефектоскопии, в частности, ультразвукового контроля с визуализацией дефекта [15,16,18,44]. В состав информационной модели рельсов входят также поля, характеризующие вертикальный и боковой износ рельсов с указанием места расположения износа,

его величины и длины. На основе данных статистического учета осуществляется планирование ремонтов, в том числе с применением ресурсосберегающих технологий, а также движения материалов. Информационная модель предусматривает учет переложенных со сменой рабочего канта рельсов с указанием местоположения и длины переложенных рельсов. Она предусматривает также контроль срока службы рельсов и динамику износа с сопоставлением взрывоупрочненных рельсов с рельсами, не подвергавшимися упрочнению.

Информащонная модель стрелочных переводов определяет расположение стрелочного перевода в пути, его номер, тип, марку, направление, признак дефектности и другие характеристики. Одним из основных разделов информационной модели является раздел крестовин стрелочных переводов, дающий поэлементное описание крестовины с указанием ее дефектности. По результатам оценки дефектности крестовин предусматривается применение восстановительных технологий, в частности наплавки крестовины или, при невозможности восстановления, ее поэлементное изъятие. Информационная модель контролирует также динамику технического состояния крестовин, упрочненных взрывом, по сравнению с крестовинами, изготовленными по обычной технологии.

2. Создание автоматизированной системы управления перевозочным процессом, техническим состоянием железнодорожного пути, подвижного состава и сооружений на основе экономико-математических методов и компьютерных технологий

На основе информационной модели выполняется проектирование баз данных и разрабатывается автоматизированная система управления (АСУ).

В настоящее время на железнодорожном транспорте наибольшее развитие получили разделы АСУ, связанные с оперативно-диспетчерским управлением перевозочного процесса, для чего на Горьковской железной дороге создан автоматизированный дорожный диспетчерский центр управления (АДДЦУ) [30]. Главной отличительной особенностью такого центра является его работа в режиме реального времени, позволяющая обеспечить оперативное управление движением поездов с одновременным предоставлением информации на любом уровне управления (ранее поездная ситуация отображалась с опозданием на

3-4 часа для уровня дорожного диспетчера с нарастанием такого опоздания для более высоких уровней управления). . •

Обновляемые в режиме реального времени базы данных включают сведения о локомотиве, локомотивной бригаде, а также итоговые данные натурного листа поезда в объеме справки поездного диспетчера (формирование, отправление, проследование, прибытие, прицепки и отцепки вагонов в пути следования, изменение индекса поезда, объединение поездов, следование сплоток локомотивов и двойной тягой, расформирование, другие характеристики). На основе этой информации осуществляется автоматическое ведение графика исполненного движения поездов, по которому поездной диспетчер выполняет анализ поездного положения (рис. 3).

Система ДДДЦУ обеспечивает управление одним дорожным диспетчером полигона длиной до 2500 км через систему автоматизированных рабочих мест поездных диспетчеров (АРМ ДНЦ), которые ведут график исполнения движения поездов, фиксируют поездное положение на полигоне дороги, контролируют обмен поездов и вагонов по внешним и внутренним стыкам дороги. Работа пользователя (диспетчера) облегчается согласованной системой экранов и запросов, а также возможностью распечатки оперативной и отчетной документации.

До настоящего времени проблемы перехода производственного процесса на компьютерные интегрированные технологии практически не исследовались, в частности, отсутствие системного подхода не позволило своевременно провести паспортизацию объектов железной дороги и выполнить составление реестров, необходимых для оптимизации налоговых платежей на имущество; отсутствие геоинформационных систем (ГИС) привело к отставанию в составлении кадастров полосы отвода и других территорий, принадлежащих железной дороги. Особое значение имеет решение внешней коммерческой задачи железнодорожного транспорта - мониторинг клиентов и конкурентов железной дороги, осуществляемый на основе транспортной модели и позволяющий выполнить оценку и прогноз объемов пассажирских и грузовых перевозок.

В данной работе паспортизация объектов железной дороги рассматривается на основе информационной модели и представляет собой основу для организации контроля технического состояния в целях обеспечения безопасности перевозочного процесса. Собственно технические паспорта представляют собой описание многоуровневой иерархической структуры машин, механизмов, оборудования, сооружений с указанием их технических

Рис.. 3. Автоматический график исполненного движения.

характеристик. Структура их формирования основана на первичных учетных документах (учетные формы, установленные Госкомстатом РФ), данные из которых в автоматизированном режиме используются при составлении отчетной документации (отчетные формы). При такой технологии документооборота исключается искажение данных, передаваемых по различным иерархическим уровням, значительно сокращаются затраты на подготовку отчетных форм.

На Горьковской железной дороге для путевого хозяйства в промышленную эксплуатацию введены разделы

автоматизированной системы (система управления базами данных FoxPro 2.6) по верхнему строению пути (рельсы, стрелочные переводы, шпалы, балласт), обустройствам пути (переезды, путевые и сигнальные знаки), искусственным сооружениям (мосты, водопропускные трубы, тоннели, пешеходные мосты), земляному полотну (насыпи, выемки, противодеформационнные сооружения), машинам, механизмам и мастерским, зданиям и сооружениям, средствам снегоборьбы. Эти объекты и их элементы поставлены с 1996 года на постоянно действующий контроль автоматизированной системы, что позволило систематизировать возникающие дефекты, осуществить контроль за процессом их развития и организовать нормативно установленную смену дефектных элементов или объектов в целом.

Такая технология работы значительно сократила число случаев брака на дороге и исключила в период с 1996 г. аварийность по причине отказов в путевом хозяйстве. В настоящее время практически реализована 3-уровневая структура документооборота: дистанция - служба - департамент МПС, причем ввод данных осуществляется только на уровне дистанции с первичных учетных документов.

На основе компьютерных технических паспортов составляются компьютерные реестры подвижного состава, промышленного оборудования, машин, механизмов и кадастры полосы отвода и других территорий железной дороги, а также зданий и сооружений.

Следующей составной частью системы динамического контроля является комплекс диагностических средств, обеспечивающий нормативно установленный контроль технического состояния объектов железной дороги в процессе измерения, регистрации и передачи в автоматизированную систему параметров, номенклатура которых определена в информационной модели и базах данных. Такой комплекс включает в себя визуальный, геометрический, теплотехнический, вибрационный.

ультразвуковой, машитоскопический и другие виды неразрушающего контроля. Диагностика осуществляется как автоматическими (автоматизированными) средствами, так и в ручном режиме по установленному графику для данного объекта.

3. Наукоемкие технологии в задачах обеспечении безопасности перевозок

Вибродиашостика технического состояния подвижного соспшва

Важнейшей задачей безаварийного содержания подвижного состава является своевременная диагностика его технического состояния. На Горьковской железной дороге в течение многих лет ведутся исследования, связанные с диагностикой подвижного состава с целью выведения его из эксплуатации по фактическому состоянию [13,14,23,24,25].

Основным направлением разработки систем контроля технического состояния является вибродиагностика, с помощью которой проводится выявление дефектов многих агрегатов электровозов и тепловозов.

С помощью вибродиагностики осуществляется проверка технического состояния локомотивов при прохождении профилактического осмотра и ремонта (ТР-1). Во время осмотра проводится диагностика колесно-моторных блоков (КМБ). Проверяется техническое состояние подшипниковых узлов буксы, подшипниковых узлов тягового электродвигателя, биение якоря, равномерность электромагнитного поля и состояние шестерен редуктора.

Основой вибродиагностики является спектральный анализ смещений или ускорений. В спектре всегда содержатся амплитуды указанных параметров на частотах, соответствующих тем иди иным деталям агрегатов, входящим в состав КМБ. Их амплитуды, как правило, больше соседних и легко различимы на их фоне. Так на рис. 4 показан фрагмент спектра вибросигнала КМБ электровоза ВЛ-80с, где выделена амплитуда, соответствующая повреждению внутреннего кольца буксы (второй пик) и несоосности колесной пары (первый пик), очевидно связанной с повреждением внутреннего кольца подшипника буксы. В заключении по диагностике компьютер определил повреждение внутреннего кольца подшипника буксы и несоосность колесной пары. Сравнение данных, полученных на основе измерений, с допускаемыми

величинами производилось в автоматизированном виде. Во время эемонта буксового узла заключение подтвердилось._

15.0

10.0

■5.0

ОН; ¿0 Их 80 Нг 122 и;

шУ ^-еЬг 10.973 -»и >0.000 «г

....... .....\ .л..::.:..:::......

■ ; ;■<;•-;4 ; ; -

""'¡Г-.....:......:..............1.................•.............;...................:......:......

■|У !: : 1 -г - 1- ■■ ■ г -

Л. }! - -я --Л .....Д./Щ...^ .:..... .....Г'4 1-т■ ■•■•.......... --V

Рис.4. Фрагмент спектра вибросмещений КМБ электровоза ВЛ-80с

Таким образом, в качестве критерия дефекта выбраны уровни амплитуды колебаний, измерения которых производились с помощью датчиков вибрации и усилителя фирмы Брголь и Къер (Дания).

Каждому дефекту соответствует своя частота колебаний, ее величина зависит от частоты вращения якоря или колесной пары. Так как при проведении ТР-1 частота вращения колесной пары лежит в довольно широких пределах (180-260 об/мин), то определение диапазона частот, в котором следует искать амплитуду дефекта зависит от того, насколько точно будет определена частота вращения якоря электродвигателя. Запись процесса вибрации каждого КМБ занимает 10 секунд. Поэтому определение частоты вращения колесной пары производится внутри программы и является первым шагом в обработке спектра. Обороты определяются по характерному пику, лежащему в районе 194-274 Гц. Эта частота соответствует 15 порядку' частоты вращения якоря и является частотой биения якоря вследствии неравномерности электромагнитного поля характерной для тяговых двигателей электровозов ВЛ-80с. Затем определяется теоретическая (расчетная) частота каждого из дефектов, соответствующая данной частоте вращения.

Для частот характерных дефектов справедливы следующие выражения

- частота сепаратора

/с =- /0

120

- износ колец подшипников

гп{\±с{/псо&Р)к

Л = — ,

где к= 1,2,3,...

- волнистость колец подшипников

Л 120 '

- повреждение тел качения

пО{\±сУ[)со% РУ к = Ш

или гранность

120

Учитывая, что отличие расчетной и фактической частот лежат в пределах ±5% определяется диапазон частот, в котором может находиться частота соответствующего дефекта:

ш =га0 (1±0,05) где со! - нижняя и верхняя границы диапазона частот дефекта, соО - расчетная частота дефекта. Важнейшей частью исследований явилось определение допускаемых значений амплитуд вибрации для каждого из дефектов. Причем накопление экспериментальных значений происходит в процессе диагностики, а в первом приближении значения устанавливаются по нескольким первым измеренным и обработанным компьютером значениям амплитуд. Все фактические значения накапливаются в базе данных, а затем по мере накопления обрабатываются по специальной программе, которая определяет допускаемые значения. По мере накопления они уточняются. Количество необходимых измерений при обработке учитывалось с помощью коэффициента Стыодента, а значения допускаемых амплитуд вычислялись по формуле

«а™ = асР +

где

аср - среднее значение амплитуд,

^ 1 /

коэффициент Стыодента (аппроксимация

таблиц коэффициентов Стыодента с точностью до 2%), N - число измерений,

Л = л/скр ,

с^р- дисперсия.

При анализе выборки отбрасывались амплитуды, не отвечающие критерию Груббса. значение которого аппроксимируется формулой

= 1,41+0,454(^-3)"5'

Если ^тах>3, то принимается

Точно такая же методика применялась при установлении допускаемых значений ускорений при диагностике тяговых электродвигателей электровозов ВЛ-80с на стенде после ремонта, КМБ на стенде после ремонта, компрессоров на стенде после ремонта, вспомогательных электродвигателей электровозов и тепловозов на стенде, подшипников восьми видов на стенде, колесных пар на стенде после ремонта, электровозов в движении.

Анализ данных показал, что на низких частотах значения ускорений невелики, т.е. их величина по сравнению со значениями на более высоких частотах мало заметны в спектре. Однако для диагностики на стендах были выбраны ускорения, поскольку основные дефекты после ремонта проявляются именно на высоких частотах. В то же время, при промежуточном анализе работающих агрегатов (ТР-1) большое значение имеет анализ дефектов на низкой частоте.

В настоящее время, в связи с высокой стоимостью электроэнергии начали успешно использоваться на коротких плечах тепловозы. Сроки их профилактических ремонтов весьма коротки и для них вывод из эксплуатации по фактическому состоянию КМБ имеет большое значение для локомотивных депо. В локомотивном депо Горький-Сортировочная разработана и проходит испытания система вибродиагностики КМБ тепловозов.

На первом этапе адаптации системы для вибродиагностики тепловозов были выбраны те же параметры, что и для электровозов. По мере накопления данных число параметров диагностики может быть расширено, если в спектрах будут найдены амплитуды, соответствующие другим дефектам, например, повреждениям группы роликов подшипников буксы или электродвигателя, или волнистости их колец, или повреждениям кожуха

21

редуктора.Характерный спектр виброускореннй КМБ тепловоза ЧМЭЗ показан на рис.5. Хорошо видны пики амплитуд виброускорений на частотах:

■ на частоте 22 Гц - биение якоря (1320 об/мин тягового электродвигателя),

и на частоте 35 Гц - внутреннее кольцо подшипника буксы,

м на частоте 80 Гц - ролик подшипника якоря электродвигателя,

■ на частоте 102 Гц - наружное кольцо подшипника якоря электродвигателя,

■ на частоте 139 Гц - внутреннее кольцо подшипника якоря электродвигателя.

¡Зроо^ ЗЛоЭтки 133.75 ■«*

.........т......... .................

. ¡1 -. ........+- р.-/1::-: ■

~ "* " т М■ ; 1 " " 1 1...... У"' "ГЛ "..' .....

0Н2 80 пг 1£0 Нг

Рис. 5. Фрагмент спектра вибросмещений тепловоза ЧМЭЗ

Анализ спектра амплитуд вибрации на буксе тепловоза показывает, что все заметные в спектре пики могут быть идентифицированы с теми дефектами, которые могут иметь место.

Одним из видов обеспечения безопасности движения является контроль за техническим состоянием КМБ электровозов в движении, разработанный под руководством и с участием автора работы. Возможности ее применения были опробованы на электровозе ВЛ-80с. Спектры, полученные при движении электровоза, сравнивались с таковыми при проведении ТР-1. На рис.6 показаны фрагменты спектров на ходу при движении со скоростью 70 км/час (а) и при вывешивании в.депо (б).

В своей основе они совпадают и идентификация дефектов такая же, как и при проведении ТР-1. Разница только в том, что на ходу интенсивность вибрации повышается, а частоты сдвинуты в область более высоких, так как частота вращения колесной пары при движении выше, чем при проведении ТР-1. На рис.б (а) биение якоря имеет частоту 23 Гц, а на рис.б (б) частота вращения якоря имеет частоту 16 Гц.

СПЛ/ '"7.03 пи Н5.ЭС0 -г

: : ' : 1 '

!

1 ' (' V...... : Г-'" -

Г'т- 1.:......':..,.. •г I г:,--;,,:-,:-:

■■П.---Н'--" Н-4 • ^ !.....! ..............Л"

¿и/и №№ УМ : - А ¡Л/ Ь . А/ \ .....IV-.....'■•■!............... 1 ¡4 ' -V

ОНг 14 Нг 3 2 Нт 10 Нх 61 И:

Рис. 6 (а). Спектр при движении

тУ Эс-^Г и.239 »и 23.730

' ■ 1 ;

! •

" Т" ' ; " V Г ' г' ' ' "; "" :

............. 1 ' ............. ; "

. 1

"' '• .........1..... .'.:::;.:::.:::::'::;.: ;..::.] л:.:::;:.::::::.:.;.:::::

"";............!"" Г " "Л'-.....

.....■ :.....; /\ !..... >, "■" ■ ■'".'[ ......... ■

-АЛ.А Р Ж

ОНг М Нг 32 Нг 4Э Нг ¿1 Н7

Рис. 6 (б) Спектр при вывешивании

Хорошо выделяются пики амплитуд, соответствующие повреждениям ролика,наружного и внутреннего колец подшипника буксы. Информация при движении локомотива поступает с вибродатчиков, установленных на буксах каждого КМБ. Сигнал через электронный переключатель, который последовательно подключает вибродатчики, поступает на усилитель, а далее через АЦП в компьютер, если он обнаружит превышение допустимых

23

уровней, то сигнал оповестит машиниста и одновременно происходит запись сигнала, содержащего повреждение на жесткий диск компьютера.

Внедренная система нибродиагностики, как показала практика последних лет, предотвращает такие тяжелые аварии, как заклинивание якоря тягового электродвигателя.Электровозы, проходящие ТР-1 в локомотивном депо Горький-Сортировочная, где используется система вибродиагностики, за последние два года не имели таких аварий.По сути это тоже постановка локомотивов на ремонт по фактическому состоянию.

В состав системы входят: вибродатчик типа 4370, усилитель заряда типа 2635 (2511) фирмы Брюль и Къер (Дания), АЦП, компьютер, принтер.Выбор аппаратуры именно этой фирмы связан с тем, что она обладает высокой точностью и надежностью.

Точность работы системы обеспечивается периодической калибровкой с помощью виброкалибратора типа 4294 той же фирмы.

Упьтразауковая диагностика элементов подвижного состава и рельсов

Ультразвуковая диагностика является эффективным инструментальным средством контроля технического состояния пути и подвижного состава и является составной частью единого комплекса автоматизированной системы динамического контроля [12,15,16,18,44].

Ультразвуковая дефектоскопная тележка (разработка Горьковской железной дороги под руководством и при участии автора) предназначена для автоматизированного обнаружения и регистрации расположения дефектов рельсового пути. По традиционной технологии для обнаружения дефектов в серийных ультразвуковых дефектоскопах используется звуковой канал и электронно-лучевая трубка (ЭЛТ). Звуковой сигнал сообщает о возможном наличии дефекта на исследуемом участке пути, а по амплитудной отметке оператор определяет класс дефекта, точное местоположение, геометрические размеры. Такой метод вывода информации обладаег большими погрешностями. Сигнал на ЭЛТ дефектоскопа имеет вид кривой, амплитуда и длительность которой изменяется при прохождении тележки с прибором над дефектом. По изменению формы амплитудной отметки достаточно трудно вынести однозначное решение о характере обнаруженного дефекта и тем более принять адекватные действия по обеспечению безопасности движения на данном участке пути. Минимизировать при этом ошибку могут только опытные операторы с большим стажем работы. Свои действия оператор заносит в контрюльный

журнал в текстовом виде, без параллельной записи звукового и амплитудного сигнала, что делает невозможным анализ результатов диагностики, что очень важно при разборе причин аварий. В связи с этим был разработан ультразвуковой дефектоскоп, который позволил получать на экране компьютера как ортогональные проекции дефекта, так и его акустическое объемное изображение, при перемещении тележки по рельсам. Сигналы с акустических преобразователей дефектоскопа «Поиск- 10Э» поступают на блок усилителей и коммутаторов; причем сигналы для дальнейшей обработки поступают непосредственно с датчиков, минуя усилительный канал прибора и поступают через коммутатор на входы двухканального усилителя высокой частоты (рис.7). Этим достигается независимость системы измерений от режимов работы дефектоскопа и положения его регулировок. После предварительного усиления сигналы детектируются видеодетектором. Далее видеосигнал поступает на вход шестиразрядного аналого-цифрового преобразователя, расположенного в интерфейсном блоке, из которого цифровой сигнал передается в буферную память и считывается в персональный компьютер, где решается обратная задача дистанционного зондирования, т.е. строятся модели связи между данными измерениями и неизвестными полями параметров среды. В качестве исходных данных используются цифровые записи сигналов, полученых с ультразвуковых преобразователей, находящихся на рельсовой тележке. Искомые параметры, описывающие свойства среды, являются элементами 0(х) функционального пространства (0) упругих параметров (параметров Ламе, плотности, скорости звука и т.д.). Пространство измерения - это пространство фунционалов(Л„) над полями зондирующих сигналов 6 Ф; модель измерений

ип^п =#» = {/?»•

где

п=1-гМ - число цифровых отсчётов приёмной системы.

Томографический эксперимент определяется отображением функционального пространства в пространстве измерений: ©(л3)—> . Здесь экспериментальные данные, содержащие шум

в, являются фунционалами искомых полей параметров

£/„=/>„(©)+*„

Пусть процесс распространения описывается линейным оператором

Основной блок

Измеритель пути

! | Ультразвуковой | ' ! приемо-

передатчик

:

! | Контроль

рельсов

| Контроль | расстояния | между нитками | рельсов

I Цифровой Я интерфейс

Датчики контроля плоскости рельса

I I

| Датчики 3—| расстояния между | нитками рельсов

т

"Г

Промышленный | персональный 1 компьютер (

Счетчик расстояния

льтразвуковые датчики |

Ручная сканирующая

система

/

Рис. 7 Блок-схема комплексного устройства диагностики состояния

рельсового пути

1в<р = 8,

где (р-поле зондирующего сигнала; & -поле источника, Ь@ :-Ь@(а<р + 0уг) = оЬ@(р + (51@у/

оператор Ь@ определяет свойства среды 0. Проблемы интерпретации томографического эксперимента с математической точки зрения сводится к восстановлению оператора /,е по

измереньгм данным. Таким образом решение получаете* путём построения функционалов. Далее решение переводится стандартным образом в графический вид.

Разработанный прибор позволяет непрерьгано записывать информацию о состоянии рельсов на всем пути следования, сканировать зоны дефекта по сечениям с определением глубины залегания дефекта, его размеров и площади, строить и распечатывать отдельные проекции дефекта и его объемное изображение.

Визуальный контроль дефектов при ультразвуковом контроле рельсового пути

Определение наличия дефекта в существующих моделях дефектоскопов происходит по изменению формы и величины амплитудной отметки эхо-сигнала на экране ЭЛТ. Если определить сам факт наличия дефекта таким способом можно с достаточно высокой вероятностью, то конкретизировать форму дефекта, сделать мгновенный анализ его развития' возможно лишь па основании длительного опыта оператора или статического анализа большого числа предварительных данных. Существуют другие способы получения и представления данных при ультразвуковой локации, которые позволяют повысить точность и эффективность дефектоскопии.

При работе с одним преобразователем в отраженном режиме эхосигнал максимальной амплитуды возникает в том случае, когда трещина или дефект расположены в плоскости, перпендикулярной оси пучка. Однако в ряде случаев необходимо обнаруживать трещины, имеющие другую ориентацию. Такие дефекты можно обнаружить при наклонном падении пучка, по дифракции на краях дефекта. Однако эти сигналы значительно слабее, чем зеркально отраженный сигнал от плоскости дефекта. Для обнаружения более слабых сигналов при разнообразных положениях дефекта применяют два или несколько датчиков, один (одни) из которых излучают звуковой сигнал, а другой (другие) - принимают

его. Получаемая информация о дефектах может быть представлена оператору в различных формах в зависимости от метода сканирования. При амплитудном А-сканнровании получают зависимость отфильтрованного напряжения от времени для одного положения преобразователя. По интервалу времени до момента прихода отраженного сигнала Тс можно рассчитать расстояние до отражателя, воспользовавшись формулой d = V Тс/ 2, где V -скорость звуковой волны. Амплитуда эхосигналов в принцине несет информацию о размерах отражателя. Однако пользоваться этим параметром трудно, поскольку амплитуда зависит от ориентации отражателя, шероховатости поверхности и ряда других факторов.

В настоящее время для визуализации дефектов рельсов используется ручное сканирование датчика без привязки их координат и отображение информации в режиме А, т.е. в координатах "амплитуда сигнала" - ''время задержки". При этом регистрация сигнала не производится и изображение дефекта нигде не фиксируется. В системах звуковидения, как правило, используются отображение в режиме В-сканирования (от brightness -яркость), т.е. изображение в координатах "глубина локации" -"поперечная координата", для отображения которой ультразвуковой пучок сканируется каким-либо образом. Информация об амплитуде сигнала отображается на экране электронно-лучевой трубки в яркостном виде. В результате получается сечение исследуемого объекта (рис.8).

Существует несколько методов сканирования ультразвукового пучка, которые отличаются друг от друга, способом сканирования (механический или электронный), характером перемещения луча (угловое, линейное, сложное - комбинация углового и линейного).

При дефектоскопии рельсов контакт головки датчика с плоскостью рельса будет точечным и большинство ультразвуковых лучей не попадают а толщу рельса. Кроме того, угловое механическое сканирование потребует применения протектора промежуточной жидкой среды, в которой происходит движение датчика. Это приведет к появлению множественных отражений между поверхностью датчика и поверхностью исследуемого объекта, эхосигналы которых сильно исказят исследуемую зону. При наклонном падении ультразвукового пучка в твердое тело происходит частичная трансформация продольных колебаний в поперечные, зависящая от угла падения. Скорости распространения этих колебаний существенно отличаются от продольных.

1см

УСЛ, ГЛУБИНА < МИН. >

13 мм 2 2 мм

УСЛ, ГЛУБИНА С МАКС. )

40 мм 28 мм

УСЛ, ПРОТЯЖ, $

55 мм 59 мм

УСЛ . ПРОТЯЖ.

22 мм 7 мм

Рис. 8 Визуализация ультразвукового контроля рельсов

В результате этого появляются дополнительные эхосигналы, идентификация которых будет сильно затруднена. Таким образом применение ультразвукового механического сканирования для визуализации дефектов рельсов представляется практически невозможным.

К недостаткам комбинированной системы линейною электронного сканирования следует отнести, во-первых, необходимость обеспечения акустического контакта с исследуемой поверхностью на достаточно большой площади, что возможно только лишь при достаточно ровной поверхности и создает трудности при локации небольших участков (внутренней стороны головки, подошвы рельса). Во-вторых, как правило, все элементы в линейке излучателей ориентированы так, чтобы ультразвуковой пучок от каждого элемента падал строго нормально к поверхности объекта. Ориентировать элементы для ввода звука под утлом технологически очень трудно, это во много раз удорожит конструкцию датчика. В связи с этим были разработаны метод и установка, позволяющие, используя датчики серийного дефектоскопа "Поиск", существенно повысить информативность и точность ультразвукового контроля рельсов. Этим была исключена разработка дорогостоящих преобразователей, а конструктивные изменения в самом дефектоскопе были минимальны. За счет программной обработки и оригинальной методики сканирования решается задача построения плоских сечений исследуемых дефектов.

Предлагается алгоритм действий оператора, состоящий из двух этапов.

Первый этап. Оператор двигает тележку в рабочем режиме. При этом с помощью датчиков из комплекта дефектоскопа "Поиск", коммутирующего устройства и программной оболочки производится запись изображений структуры рельса в память компьютера. Разработанный алгоритм сжатия позволяет записать полностью информацию об участке пути длиной 6-7 км, что является средней нормой оператора за смену. Перед началом работы оператор делает привязку по местности - заносит в память компьютера номера километрового знака, пикета, плети. В дальнейшем, компьютер, используя информацию от счетчика расстояния будет фиксировать пройденный путь как в прямом, так и в обратном направлении. При подобном "быстром" сканировании мы получаем информацию о дефекте в координатах "время-глубина", яркость пропорциональна уровню отраженного сигнала, а по привязке к пройденному нуги и времени движения можно определить размеры дефекта.

Второй этап. При обнаружении дефекта в процессе ''быстрого" сканирования оператор может остановиться и провести более детальное сканирование участка пути. В этом случае удобным и дешевым является линейное механическое сканирование, так как здесь имеются сравнительно большие, ровные поверхности. Необходимо лишь осуществить перемещение датчика и привязку его текущего положения к системе координат, связанной с рельсом.

В разработанном устройстве координаты дефекта поперек рельса отслеживаются с помощью полозкового потенциометра, регулятор которого жестко связан с акустическим датчиком для ручного сканирования рельса. Перемещение вдоль рельса осуществляется оператором вручную с фиксацией величины перемещения по мерной шкале (линейке).

Сигнал с потенциометра, соответствующий величине перемещения датчика, через персональный компьютер и АЦП синхронизует работу усилителя на прием полезного сигнала с акустического датчика. Таким образом происходит измерение отраженного сигнала (скана) с одного поперечного сечения рельса. Далее оператор перемещает устройство вдоль рельса на определенную величину и производит измерение следующего участка рельса. При накоплении определенного количества сканов (в настоящем устройстве - 12-ти) программная оболочка производит реконструкцию дефекта по полученным изображениям в 3-х мерной проекции и в 3-х основных проекциях (сверху, сбоку и в поперечном сечении).

В процессе работы также были рассмотрены другие варианты построения ручной сканирующей системы, которые в дальнейшем могут быть разработаны до макетного или серийного образца.

Вариант использования акустической системы, координаты перемещения которой привязаны к исследуемому объекту с помощью следящего электромагнитного устройства.

Работа устройства основана на применении магнитной головки, которая перемещается относительно периодической структуры, состоящей из решетки чередующихся пластинок из магнитного и немагнитного материалов. Магнитные головки расположены на расстоянии I, (п+1/4), где Ь- период решетки, п-число полных периодов между магнитными зазорами решетки. Головки механически связаны с акустической системой (устанавливаются в одном корпусе с датчиком). При перемещении головок относительно периодической структуры возникающие импульсы обрабатываются схемой, которая выделяет направление движения и пересылает их в компьютер. Для определения двух ортогональных координат естественно требуется два таких устройства.

В более совершенном варианте предполагается использование нескольких датчиков: один с прямым и несколько с наклонным вводом ультразвукового пучка.

Этим достигается более надежное обнаружение дефектов, расположенных под разными углами поскольку датчики "осматривают" их с нескольких сторон. При этом изображения, получаемые от каждого из датчиков могут либо накладываться друг на друга, либо представляться по отдельности. В дальнейшем с помощью компьютерной реконструкции возможно построение объемного изображения дефекта из отдельных сечений.

Сканирование по двум ортогональным координатам дает возможность построения С-сечений, то есть сечений параллельных плоскости сканирования, находящихся на любом выбранном расстоянии от нее.

Серийный прибор для ультразвукового сканирования рельсов с визуализацией результата контроля состоит из комплекта датчиков, устанавливаемых на рельсы, выносного блока приема-передачи, коммутации и предварительной обработки сигнала, цифрового интерфейса для передачи информации в компьютер, размещаемого в свободный слот системной шины и собственно персонального компьютера в промышленном исполнении.

Устройство измерения пройденного пути ультразвуковой дефектоскопией тележкой обеспечивает высокоточное определение места расположения дефекта.

Контроль габаритов подвижного соспшва

Одним из решающих направлений обеспечения безопасности движения является контроль габаритов подвижного состава, исключающий возникновение аварийных ситуаций вследствие неправильной загрузки или возникших неисправностей [10,39,46]. В соответствии с нормативными требованиями к габаритам приближения строений и подвижного состава железных дорог (ГОСТ 9238-83) под руководством и с участием автора была разработана автоматизированная система контроля габаритов подвижного состава. По своему функциональному назначению и используемым схемно-техническим решениям полную систему контроля габаритов можно разделить на устройства контроля верхнего и боковых габаритов и устройство контроля нижнего габарита подвижного состава.

Комплексный контроль всех габаритов грузов и подвижного состава осуществляется на станциях формирования и перед различными инженерными сооружениями (тоннелями, мостами и другими объектами). На контрольном участке рельсового пути была

смонтирована П-образная ферма, служащая для крепления оптических, либо СВЧ-датчиков контроля верхнего и боковых габаритов, датчика счета осей, устройства контроля нижнего габарита (рис.9).

Принцип действия системы контроля верхнего и боковых габаритов основан на использовании инфракрасного излучения электронно-оптических пар "Излучатель-приемник",

обеспечивающих бесконтактный контроль за счет образования лучевого габарита. В качестве излучателей использованы светодиодные матрицы, работающие в диапазоне длин волн 0,5-0,7 мкм. Выбор диапазона излучения позволяет системе сохранять работоспособность в условиях дождя и снегопада. В приемном датчике расположена матрица фотоприемников, сопряженных с платой предусилителя. Конструктивно излучатели н приемники выполнены в герметичных металлических корпусах с защитными оптическими фильтрами. За счет изменения числа включенных светодиодов и фотоприемников чувствительность датчиков может изменяться от 4 до 30 мм ( диаметр препятствия, нарушающего габарит). Для устранения мешающих излучений, например, при работе на ярком солнечном свете, сигнал датчика модулируется с частотой 5 кГц, а затем синхронно детектируется. Приемники лучей контроля боковых габаритов, расположенные на уровне головки рельса, в процессе эксплуатации подвергаются значительным загрязнениям и снежным заносам. Для обеспечения их работы были сконструированы защитные обогревающие устройства. Другим способом повышения надежности работы системы при неблагоприятных внешних воздействиях (сильные загрязнения, густой снегопад, туман, обледение) является использование специально разработанных СВЧ-датчиков, работающих в миллиметровом диапазоне волн, либо инфракрасных излучателей на основе полупроводниковых лазеров. Такие датчики работают на отраженных сигналах и потому не нуждаются в приемных элементах. СВЧ- датчик представляет собой приёмно-передающую рефлекторно-линзовую антенну, работающую в миллиметровом диапазоне длин волн и обеспечивающую диаграмму направленности на уровне половинной мощности. Работа датчика осуществляется в импульсном режиме. Его чувствительность обеспечивает определение негабаритного предмета на расстояниях до 20 м.

Проведенные испытания лазерных и СВЧ-датчиков показали, что они обладают рядом эксплуатационных преимуществ, однако их внедрению в настоящее время препятствует относительно высокая стоимость.

1 - П-образная ферма, 2 - Электронно-оптические пары, 3 - Датчик счета осей, 4 - Устройство сбора и обработки сигналов от датчиков, 5 - Устройства защиты датчиков от загрязнения, 6 - Устройства контроля нижнего габарита

Рис. 9 Схема системы контроля габаритов грузов

В качестве датчиков счета осей в системе используются специально разработанные электромагнитные датчики, обеспечивающие определение направления движения оси и работающие при любых малых скоростях. Вместе со специально разработанным алгоритмом счета вагонов такие датчики позволяют обеспечивать работу системы контроля при маневрировании состава в режимах его формирования.

В целом система работает следующим образом. Сигналы от датчиков счета осей, от оптических приемников контроля верхнего и боковых габаритов и электромагнитного устройства контроля нижнего габарита поступают на вход блока сбора и обработки сигналов. Сигналы от всех датчиков после прохождения согласующих усилителей-формирователей преобразуются в логические сигналы заданной амплитуды и длительности. Далее сигналы логического уровня через контроллер поступают на вход микропроцессорного устройства, которое выполняет следующие функции: определяет порядковый номер вагона от начала поезда с учетом возможного маневрирования состава, формирует файл данных о прошедшем контроль составе с указанием его номера, списка выявленных нарушений с определением вида негабаритное™ и номера вагона, осуществляет составление архива данных о прошедших контроль поездах, формирует отчетные документы с выводом на печать.

Включение системы контроля габаритов грузов происходит автоматически в момент прохождения первой колесной пары над датчиком счета осей, а выключение - после ухода поезда с контрольного участка пути. Данные о контроле выдаются в виде распечаток с указанием порядкового номера вагона по ходу движения состава и вида негабарита.

Для контроля нижнего габарита подвижного состава на Горьковской железной дороге под руководством и с участием автора был разработан и внедрен в промышленную эксплуатацию принципиально новый бесконтактный метод, основанный на измерении возмущенного электромагнитного поля над датчиком при прохождении негабаритного предмета. Применяемые до настоящего времени на железных дорогах механические системы, срабатывающие в результате контакта с негабаритным предметом или оптические, регистрирующие перекрытие луча в контролируемом пространстве, обладают целым рядом существенных недостатков. Так называемые датчики "волочения", являются по существу одноразовыми и требуют постоянной замены и ремонта. Оптические системы ненадежны и трудоемки в эксплуатации.

Физической основой данного метода является изменение электроемкости металлической пластины при прохождении над ней негабаритного предмета. Расчет емкостного датчика основан на следующей постановке задачи.

На металлической пластине Б2 задан потенциал УО относительно заземленной пластины 81, потенциал которой равен 0. Над пластиной 82 может находиться негабаритный предмет 83 (не обязательно металлический), поверхность которого либо заземлена, либо свободна. В общем случае необходимо решать краевую задачу для уравнения Лапласа в однородном изотропном пространстве без зарядов

с заданными граничными условиями

или дп л

Требуется найти потенциал поля V(x. у. z) в пространстве

Ans 'Si г,

удовлетворяющий граничным условиям, и распределение заряда на пластинах. Поставленную задачу можно решить, используя функцию Грина для потенциала поля в произвольной точке, где а, -плотности распределения заряда на поверхностях S1.S2 и S3

соответственно; Л -расстояние от точки наблюдения до поверхностей.

Будем решать задачу приближённым численным методом. Выберем модель датчика в виде трёх плоскопараллельных пластин, которая с одной стороны удобна для расчёта, а с другой стороны может быть просто реализована на практике.

Для получения численного решения разбиваем поверхность каждой пластины на N одинаковых площадок с площадью 8 ^8г,8ъ

соответственно. Тогда интегральные уравнения для плотностей заряда сводятся к системе алгебраических уравнений

М гЛ гЛ

После того, как определены плотности зарядов на пластинках, искомая электроёмкость вычисляется по формуле

сЛ«.^-^]

4

Расчет конструкции элемента датчика и его характеристики производился численным методом с помощью функции Грина. При этом геометрия датчика оптимизировалась таким образом, чтобы изменение электроемкости при внесении негабаритного пред,мета было максимальным.

Для определения малых изменений электроемкости использовалась мостовая резонансная схема измерений, в которой элемент датчика является составной частью последовательного колебательного контура, настроенного на частоту резонанса (рис.10).

Задающий генератор ВЧ Узкополосный 1

фильтр

4

Усилитель ВЧ Узкопопосиый

фильтр

негабаритный предмет

тттт

еикостной датчик

Детектор Компаратор Логическая схема управления и тестирования "тревоги"

автоттэстировзния

Рис. 10 Структурная схема устройства контроля нижнего габарита

Емкостной датчик состоит из четырех независимых секций, расположенных последовательно между рельсами. Каждая из секций представляет собой две пластины, расположенные одна над другой и образующие с подстроенной катушкой индуктивности последовательный контур, настроенный на паспортную частоту. Катушки индуктивности заключены в экран из ферромагнитного

материала для исключения взаимовлияния и воздействия электромагнитных полей, возникающих при движении поездов. Пороговые устройства основного емкостного датчика и пьезоакселерометра позволяют исключить ложные срабатывания от предметов незначительной массы и размеров, неспособных вызвать аварийную ситуацию. Собственно устройство контроля нижнего габарита входит составной частью в автоматизированную систему, обеспечивающую контроль всех проходящих поездов. Предварительно выполненное тестирование устройства позволяет пропускать составы всех типов, не имеющих нарушения габарита, без срабатывания датчика. При нарушении нижнего габарита датчик срабатывает и сигнал поступает по каналам связи поездному диспетчеру (рис. 11).

Бесконтактный контроль профиля катания колесных пар

Проблема автоматизации периодического контроля профиля катания колесных пар, который до настоящего времени проверялся вручную, оказывает значительное влияние на повышение безопасности перевозок [32,33]. Такие автоматизированные комплексы весьма эффективны при входном, промежуточном и выходном контроле, а также на технологических линиях ремонта колесных пар. Они позволяют выявлять и классифицировать дефекты поверхности катания с получением численньгх значений контролируемых параметров (прокат, подрез гребня, кольцевые выработки и т.д.), сравнивать полученные значения с предельно допустимыми, и на основе этого сравнения давать заключение о возможности дальнейшего использования колеса. Точность измерения параметров профиля катания соответствует действующим ГОСТам и лежит в пределах 0.1-0.5 мм.

а

х

1 I область контроля

•о

Рис. 11 Схема расположения элементов системы контроля нижнего габарита

Каждый участок профиля катания колеса (рис. 12) выполняет

Мб

\

■130.

Рис. 12 Профиль катания колеса

определенные функции. Гребень колеса предотвращает сход с рельсов, уклон 1:20 обеспечивает движение на поворотах: колесной пары без проскальзывания, уклон 1:7 обеспечивает равномерный износ профиля в процессе эксплуатации. Износ гребня колеса оценивается на основании отклонения его от «идеального» профиля. В настоящее время используют следующие параметры, характеризующие износ профиля катания: величина проката Р, толщина гребня Т, ширина обода Эти параметры определяют величину износа реального профиля в фиксированных точках. Кроме этого находятся кольцевые выработки, местное увеличение ширины обода & и максимальное отклонение реального профиля от идеального, которые зависят от состояния всего профиля катания. Например, методика измерения максимального отклонения реального профиля от идеального следующая: на реальный профиль вдоль базовой поверхности (внутренняя поверхность колеса) надвигают шаблон с идеальным профилем до первой точки касания. Отклонение реального профиля от идеального оценивается по ширине образовавшегося зазора между колесом и шаблоном. Колесо считается годным, если все приведенные параметры попадают в соответствующие для них интервалы значений. Для автоматизации процесса котроля профиля колеса перспективной представляется оптическая схема формирования изображения профиля катания.

В оптической схеме, построенной по принципу геометрической оптики, формируется изображение теневой проекции объекта на матричном фотоприемнике прибора с зарядной связью. С целью получения четкого, неискаженного контура профиля катания используется коллимированный пучок света, параллельный базовой поверхности колеса.

Особенность применяемой оптической схемы состоит в том, что для обеспечения заданной точности измерений традиционным методом потребовалось бы использовать пучок света диаметром 150 мм с высокой степенью параллельности и матричный фотоприемник с числом фоточувствительных элементов не менее 1500*500. Учитывая достаточно жесткие требования на отсутствие аберраций у применяемых оптических элементов, стоимость их становится чрезмерно высокой. С целью снижения требований к оптическим элементам и матричному фогоприемнику предложена и реализована схема с расщеплением пучка на три практически идентичных канала

Линзы Ы 1, Ы2, Ь13 и расположенные в их передних фокусах источники света э I, $2, ¿5, формируют три параллельных пучка лучей, достаточные для просмотра всего профиля катания вагонного колеса. Конденсорные линзы 1.21, Ь22, Ь23 собирают соответствующие пучки в своих задних фокусах. Узел совмещения пучков, состоящий из системы призм, полупрозрачных и "глухих" зеркал, сводит все пучки а один объектив ЬЗ, который и формирует окончательные изображения всех грех участков профиля на одном фотоприемнике. Для того, чтобы эти изображения не накладывались друг на друга источники з1, з2, зЗ, включаются последовательно,

(рис. 13).

1

Ч

Рис. 13 Схема расщепления пучка

через промежутки времени, достаточные для ввода в компьютер одного кадра изображения.

Коэффициент увеличения одного оптического канала определяется, исходя из размеров фоточувствительного элемента в матричном фотоприемнике и требуемой точности измерений и "обеспечивается'" совместным действием, расположенных последовательно, конденсорной линзы Ь2 и объектива ЬЗ.

Из-за большого радиуса колеса Я линза Ь2, сводящая световой пучок в зрачок объектива /В, не может быть установлена достаточно близко к предметной плоскости, изображение которой должно быть сформировано на фотоприемнике. В результате данная линза "активно" участвует в формирования изображения.

Оптическая сила, совместно действующих Ь2 и ЬЗ. рассчитывается по формуле

ф-ф3+ф}-с1ф3фз

где ф;3 = 1/£г.}- оптические силы 12 и ЬЗ, а ё - расстояние между ними.

Учитывая, что в использовавшейся оптической схеме с!^, получаем фгфь В этом случае коэффициент увеличения оптической схемы рассчитывается по формуле

Ф,

V = -'-т-

Ф; А РФ, -Ф,

где р- расстояние от конденсорной линзы Ь2 до предметной плоскости.

Коэффициенты увеличения различных каналов несколько отличаются в силу некоторых отличий п оптическом пути от Ь2 до ЬЗ {из за несимметричности блока сведения лучей)

Важным вопросом анализа работы измерительного устройства является вопрос о возможной точности проводимых измерений. На практике, зачастую, именно погрешности измерений являются определяющими при выборе той или иной методики и схемного решения. В предлагаемом оптоэлектронном устройстве ошибки измерений могут возникать как в оптической, так и в электронной его части, а также могут быть связанными с особенностями алгоритмов вычислений.

Опенка возможной точности оптических измерений геометрических размеров тел предполагает учет не только параметров оптической схемы но также условия освещения и формы измеряемого объекта. Эти ошибки могут иметь как «геометрическую«, так и дифракционную природу.

На рис. 14 приведена оптическая схема одного канала, поясняющая возникновение «геометрических» ошибок.

Рис. 14 Оптическая схема канала контроля

При поперечных размерах источника равном 61 и фокусном расстоянии линзы Ьг ^ степень непараллельности пучка определяется по формуле

Дифракционное размытие границы профиля на матричном фотоприемнике оценивается по хорошо известной формуле АУ ЫТ>

где X - длина световой полны, Ь- расстояние от задней пивной плоскости до плоскости изображений, а £>-линейная апертура объектива. В пересчете на плоскость объекта имеем соответствующую ошибку в определении координаты границы Ау -=Д1-ч)1/(Оу) Ввиду того, что полное изображение профиля колеса разбито на три кадра, сдвинутых друг относительно друга и имеющих различные масштабы (из за неидентичности оптических каналов), первым этапом автоматической обработки является калибровка блока. Задача калибровки решает проблему преобразования дискретного локального базиса каждого кадра в общую систему координат (заданную в метрических единицах длины). Локальный базис задается в логических единицах матрицы ПЗС и зависит от свойств конкретного оптического канала. В силу выбранной оптической схемы нелинейными искажениями можно пренебречь. Поэтому пересчет базисов осуществляется по следующим линейным преобразованиям

Хе = кхх, ■+ х0,уг = куу, + >•„

Калибровка производится по результатам обработки тестового изображения, которое представляет из себя двумерную матрицу, составленную из прямоугольников и квадратов. Для однозначной идентификации каждого объекта (прямоугольника или квадрата) внутри него записан код который показывает в какой строке и какому столбцу матрицы принадлежит рассматриваемая фигура. Следует заметить, что во время обработки каждого из трех кадров эталонного объекта производится фильтрация изображения от шумов оптической системы, вызванных ее загрязнением. Эта фильтрация основана на анализе размеров и гистограмм яркости выделенных областей. Для определения коэффициентов линейного преобразования с помощью алгоритмов обработки одного сечения находятся координаты вершин (х',>>') прямоугольников и квадратов в локальном базисе. По полученным данным определяется длина и высота Я,' каждой фигуры. Так как местоположение соответствующей фигуры на тестовом изображении определяется однозначно, то, определяй код, записанный внутри каждого объекта, можно найти координаты вершин (х? у?), длину Ц и высоту Н*

прямоугольника или квадрата в метрической системе. В результате этих измерений получаем, что коэффициенты линейного преобразования определяются следующим образом:

Ь8 , Я8 т . ,

к., =-=< х, - кхх{ >,

<й>' у <н!>

Уо =<У? -Ку! >,

где операция < > - означает усреднение по всем измерениям.

Обработка одного сечения включает в себя ввод трех кадров колеса в память ЭВМ, фильтрацию кадров от шумов, выделение реального профиля, перевод его в метрический базис и нахождение основных параметров профиля.

Так как структура каждого из трех кадров представляет из себя либо освещенные, либо затененные области, то гистограмма яркости кадра получается бимодальной, что значительно упрощает задачу бинаризации. В силу загрязнения оптики, а так же из-за нестабильности питания источника света, в системе порог бинаризации определяется автоматически. Алгоритм поиска порога бинаризации является глобальным и представляет из себя поиск глобального минимума на гистограмме яркости одного кадра, находящегося между вершинами главных максимумов.

Поиск границы профиля ведется векторным способом. Вначале находится первая точка границы. При поиске первой точки производится фильфация кадра от шумов оптической системы. Затем ищется последовательность векторных элементов (заданных координатами начала и конца вектора) таких, что слева от этих элементов клетки растра «черные», а справа - «белые». Такой поиск является локальным, так как нахождение следующего векторного элемента определяется комбинацией «белых» и «черных» клеток растра соседних с текущим векторным элементом. Условием выхода из алгоритма поиска границы является либо замыкание границы, либо резкое изменение направления движения на угол 2 90 . После этого, преобразуя найденную границу из локального базиса в глобальный, получаем профиль колеса в метрической системе координат.

Нахождение конечных параметров профиля катания сводится к определению расстояния между заданными точками профиля (определение ширины гребня, проката и максимального отклонения реального профиля от идеального), либо к определению расстояния между двумя прямыми (определение ширины обода), либо к анализу дефектов вогнутости (определение кольцевых выработок и местного увеличения ширины обода).

Данная система автомаги чески измеряет не только профиль катания колеса, но и радиус каждого колеса колесной пары, а также расстояние между колесными парами в 40 контролируемых сечениях.

4. Методы решении задач ресурсосбережения Взрывное упрочнение рельсов

Рельсовый путь решающим образом определяет важнейшие технические показатели железной дороги и от его технического состояния зависят пропускная способность с обеспечением директивных скоростей и безопасности перевозок [5,26]. В процессе эксплуатации рельсов при воздействии динамических нагрузок от колес подвижного состава развивается износ поверхности катания, интенсивность которого резко возрастает в случае резкого уменьшения твердости металла в районе сварного шва. В частности, образуется местное одиночное (одна седловина) или двойное (две седловины) смятие головки рельса, классифицируемые рисунком 46.3 "Смятие головки из-за

45

неравномерности механических свойств металла в месте сварного стыка" в соответствии с НТД/ЦП-1-93 "Классификация дефектов рельсов" Экспериментальные исследования покатали, что в районе сварного шва (на расстоянии 25 мм от него) имеются зоны резкого уменьшения твердости (в среднем в 1,5 раза), что обусловлено термическим влянием сварного шва на металл рельса. Для повышения эксплуатационных качеств рельсового пути необходимо сгладить имеющееся неравномерное распределение твердости по длине рельса и. в первую очередь увеличить твердость .металла в районе зон термического влияния.

Одним из перспективных способов локального упрочнения поверхностей металлических изделий является упрочнение взрывом, при котором происходит изменение микроструктуры металла, приводящее к повышению его твердости, прочности и износостойкости. Применение энергии взрыва, освобождающейся при подрыве на поверхности головки рельса заряда конденсированного взрывчатого вещества (ВВ), формирующего ударную волну в материале рельса, позволяет:

выполнять поверхностное и объемное упрочнение рельсов на глубину, недоступную методам поверхностного наклепа;

упрочнять поверхности сложной конфигурации, в том числе и ее отдельные участки, расположенные в труднодоступных местах;

совмещать упрочнение с одновременным разрушением изделий, имеющих раковины и газовые пузыри, то есть производить отбраковку.

При нагружении металла контактным взрывом амплитуда давлений за фронтом ударной волны достигает сотен килобар. Такое воздействие вызывает деформации кристаллической решетки, которые сохраняются в металле и после снятия взрывной нагрузки, что и обеспечивает повышение твердости и предела текучести. Из анализа исследований, выполненных Дерибасом A.A., Нестеренко Р.Ф., Тесленко Т.С. следует, что необходимые остаточные свойства металла достигаются за счет создания давления за фронтом ударной волны в период времени 1- 10 микросекунд, что и было принято за основу при создании промышленных технологий взрывной обработки металлов. В

качестве характеристики обрабатываемого металла принимается модуль сдвига С, который определяет основные особенности механизма упрочнения.

Увеличение твердости и предела текучести металла определяется по анпроксимационным зависимостям

Н0 - твердость исходного металла,

аТй - предел текучести исходного металла,

Р - давление фронта ударной волны.

Давление за фронтом ударной волны зависит от схемы нагружения, свойств заряда взрывчатого вещества, ударно-волновых характеристик упрочняемого металла, в частности его ударной адиабаты.

В промышленных технологиях упрочнения деталей применяются накладные заряды взрывчатых веществ листовой формы, инициирующие в металле косые ударные волны. Упрочнение элементов рельсового пути проводится по рабочим поверхностям, имеющим практически плоскую конфигурацию.Это позволяет применить для оценки параметров воздействия универсальную схему распространения ударной волны, вызванной скользящей детонацией нагружающего заряда. В ряде случаев при взрывном упрочнении металла между упрочняемым изделием и зарядом взрывчатого вещества устанавливается инертная прокладка из пластичных материалов, предназначенная для защиты поверхности металла от разрушающего воздействия продуктов взрыва. При правильном выборе материала и толщины прокладки давление ударной волны повышается и соответственно повышается степень упрочнения металла.

где

Важной характеристикой процесса взрывного упрочнения является глубина слоя упрочняемого металла. Она зависит от толщины заряда и определяется областью воздействия ударной волны и ограничивается волной разрежения, возникающей на внешней поверхности заряда и проникающей в нагружаемый материал вслед за ударной волной. В первом приближении за характерный размер (толщину) зоны упрочнения принимается толщина слоя нагруженного металла, при которой головная часть волны разрежения догоняет фронт ударной волны. В этой зоне реализуются максимальные параметры упрочнения. Далее создается зона частичного упрочнения, в которой степень упрочнения уменьшается за счет "хвоста" волны разрежения (по данным А.А. Дерибаса ее размер составляет 50-80 % от зоны максимального. упрочнения). При выполнении инженерных расчетов рассматривается только зона максимального упрочнения.

На основе многочисленных экспериментальных исследований и опытно-конструкторских разработок определено, чго для взрывного упрочнения рельсов целесообразно использовать заряды пластичного взрывчатого вещества листовой формы, способные принимать форму обрабатываемой поверхности и обеспечивающие в нагружаемом материале создание давления не менее 130 кбар. При упрочнении поверхностей сложной конфигурации целесообразно применять взрывчатое вещество ЭГ-85 в виде эластичных листов, легко разрезаемых на ленты необходимой формы. Применение алюминиевой прокладки позволяет увеличить давление в упрочняемой детали с 169 до 214 кбар. Толщина заряда должна превышать критический диаметр, обеспечивающий устойчивую детонацию и быть достаточной для упрочнения металла на необходимую глубину. Для сварных стыков рельсового пути она составляет 3 мм для заряда ЭГ-85, что обеспечивает скорость детонации 7,76 км/с. достаточную для упрочнения металла на глубину 14,7 мм.

Экспериментальными исследованиями в процессе выполнения работы были определены конструкции зарядов и режимы взрывного упрочнения. В частности, была определена зависимость величины упрочнения рельсов скользящей детонационной волной с амплитудой Р= 170 кбар от исходной твердости металла.

В развитие гипотезы A.A. Дерибаса о зависимости степени ударно-волнового упрочнения от волны пластической деформации и, следовательно, от времени воздействия, были выполнены экспериментальные исследования с использованием противоразгрузочных стальных пластин. Глубина зоны упрочнения определялась замерами твердости торца рельса до и после ударно-волновой обработки.

Испытания сварных стыков, упрочненных взрывом, проводились по образцам, вырезанным из упрочненного рельса. Предварительно измерялась твердость поверхности катания на концах рельсов, подготовленных для сварки. Часть образцов подвергалась взрывному упрочнению, другая часть использовалась как контрольные образцы. После сварки образцов в плеть с их поочередным расположением (контрольный-упрочненный) измерялась твердость поверхности катания. На рис.15 представлено распределение твердости поверхности катания в районе контрольного сварного стыка (без упрочнения) и в районе сварного стыка упрочненных рельсов. Из анализа рисунка следует вывод, что стык, сваренный из предварительно упрочненных рельсов, имеет более гладкое рапределение твердости, в том числе имеется максимальное приближение к исходной твердости в районе сварного шва и уменьшены области пониженной твердости в зонах термического влияния без уменьшения твердости в этих зонах ниже исходной. По данным статических испытаний сварные стыки, упрочненные взрывом, имеют усилие разрушения на 7% выше и стрелу прогиба на 38% больше, чем у неупрочненных стыков.

Взрывное восстановление крестовин стрелочных переводов

Наиболее перспективным направлением восстановления изношенных сердечников крестовин является технология сварки взрывом с использованием теплового потока ударно сжатого воздуха. Ударная волна, образующаяся при метании пластины на восстанавливаемую деталь, формирует между ними высокотемпературную плазму. За счет излучения поверхностные слои детали и пластины оплавляются. Для качественной сварки обеспечиваются необходимые условия контакта расплавов пластины и детали с последующим ее охлаждением до температуры ниже

нв

*

\

-«О -во -40 -20 (1 20 40 80 80

-Стык, сваренный по обычной технологии -Стык, сваренный ш предварительно упрочненных рельсов

Рнс. 15 Распределение твердости по поверхности катания в районе сварного стыка

сл О

температуры плавления до начала прихода растягивающих напряжений. При разработке технологии сварки потоком ударно сжатого воздуха был решен ряд задач, в частности,, определен тепловой лоток в зависимости от скорости детонации, а также определена толщина расплава на поверхностях пластины и детали в зависимости от скорости детонации и расстояния от начальной области образования ударной волны.

Тепловой поток ц, поступающий из разогретой плазмы в металл, определяется в соответствии с работами Анисимова С.И., Ншуткина С.А., Кирко В.И. уравнением

Т. =т

1 + ^А/'

где

81, М - числа Стантона и Маха;

Т, ср,р- температура, теплоемкость и плотность воздуха соответственно,

Т, ■ температура металла,

У - показатель адиабаты воздуха, и - массовая скорость воздуха, С - постоянная Стефана-Больцмана.

Первое слагаемое теплового потока обусловлено движением газа, второе - излучением. В случае турбулентного режима, который возникает при сварке шероховатых деталей, число Стантона определяется

1 1

Л = -

8 (21п + 1,74)2 ' /Я,

где

- высота выступов шероховатое™ поверхности детали, ¡1- зазор между пластинами.

Из расчетов следует, что тепловой поток возрастает с уменьшением параметра ^ . Таким образом, уменьшая зазор для

заданной шероховатости металла рельсов и увеличивая скорости детонации зарядов взрывчатого вещества, можно получить тепловые потоки, достаточные для плавления поверхностных слоев. Зная

величину теплового потока, можно определить температуру и глубину прогрева свариваемых металлов. Как правило, зазор между свариваемой пластиной и деталью намного меньше размера самой свариваемой пары, поэтому задача разогрева сварного шва сводится к одномерной.

При сварке взрывом необходимо уменьшить кумулятивную (обраттгую) струю, уносящую расплавленный слой металла, для чего необходимо уменьшить угол соударения до 2 градусов, что возможно при обеспечении зазоров менее 0,5 мм.

Для восстановления изношенных крестовин сваркой взрывом была проведена серия экспериментов, включающая как сварку традиционными методами, так и сварку с использованием теплового потока ударно сжатого воздуха. Исследовались пластины из стали 50ХФА твердостью 300-350 НВ и толщиной 2-4 мм. В качестве взрывчатого вещества использовался аммонал и аммонал с аммиачной селитрой. Скорость детонации определялась при толшине слоя заряда 15 мм и насыпной плотности 96о кг/куб. м. Пластины наваривались на зачищенные поверхности катания крестовин. Наиболее качественная сварка достигалась для пластин толщиной 23.4 мм.

Восстанавливаемые крестовины предварительно

подвергались фрезерной обработке. На усовиках и сердечниках крестовин места износа удалялись до образования плоскости ¡¡а глубину 5-10 мм. Ввариваемые пластины изготавливались из стали Ст.40 толщиной 5,5 мм и Ст.10 толщиной 10мм. Твердость ввариваемых пластин составляла 150 НВ и 110 НВ соответственно.При наваривании пластин толщиной 10 мм при длине 420-440 мм делались заходные участки для более быстрого формирования ударной волны и теплового потока. Ширина навариваемой пластины бралась больше ширины восстанавливаемой крестовины для защиты места сварки от возможного проникновения продуктов взрыва. После восстановления крестовины обрабатываются шлифовальной машинкой.

Взрывное упрочнение крестовин стрелочных переводов

Выполненные эксперименты показали перспективность упрочнения поверхностей катания сердечников крестовин стрелочных переводов взрывным методом. Была отработана конструкция зарядов и технология взрывного упрочнения

сердечников крестовин стрелочных переводов типа Р 65 марки 1/9. В процессе отработки конструкции зарядов и технологической оснастки проведены работы по выбору типа взрывчатого вещества по технологическим и экономическим показателям. Из всех типов взрывчатых веществ наиболее технологичным является сейсмопласт-2, который выпускается в- виде пластичных листов и легко распределяется на поверхности сложной формы. Толщина заряда составляет 6 мм, боковое нависание - 2(МО мм. Для определения влияния формы заряда на распределение параметров упрочнения и минимизации заряда по величине нависания выполнялись численные расчеты с учетом унруго-пластических свойств материала крестовины (сталь Г-13Л). Уравнения движения металла детали и продуктов взрыва имеют вид

~дТ

дх

дг

д(

дх

и, = -

дг дх_ 31 '

сш_

дI

и. =■

дг дх

дг

д£ <3/

= F

IОН

' V д(

+ .У.

сЦ дх

+ 5.

' дг

д1

ди.

-1 +-£

дх- дг

д( ^ ас ЪУ д() "V Элг дг

где

5/ 02 ЗУд/1 "{дх- дг.)

х,у - координаты, V- удельный объем, р- давление,

^я^в'^я - напряжения, Е- внутренняя энергия, О- модуль сдвига.

При условии

металл будет находиться в пластичном состоянии и тогда

I I 1

:=

Г 2

3/.

сг,5„

где

- ^з/

3/

Численные расчеты выполнялись для зарядов из сейсмопласта-2 с различными толщинами и величинами нависания.

Знак : показывает переобозначение тензоров 8, вычисленных в упругой области, при переходе в пластическое состояние с теми же численными значениями. При этом предполагалось, что металл крестовины может быть упрочнен на глубину не менее 30 мм.

В результате расчетов была выбрана схема заряда, позволяющая производить упрочнение с минимальными величинами пластических деформаций и наименьшим количеством взрывчатого вещества (заряд толщиной 5мм и боковым нависанием 20 мм). Боковое нааисание в 20 мм способствует равномерному упрочнению верхней плоскости усовика и интенсивному упрочнению боковых кромок - зон, на которых происходит наиболее интенсивный износ. Максимальная глубина упрочнения металла превышает 30 мм. Промышленная схема упрочнения литых сердечников крестовин предусматривает размещение зарядов на поверхностях усовиков и у острия сердечника (рис. 16). Длина заряда соответствует размеру зоны упрочнения:

- по усовикам: от сечения 50 до сечения, расположенного на расстоянии 350 мм от математического центра крестовины;

- по острию сердечника; от сечения 12 до сечения 70.

Заряды выкраиваются из листа сейсмопласта толщиной 5 мм и шириной, обеспечивающей 20 мм нависания.

Детонационное легирование гребней колесных пар

Взаимодействие колес подвижного состава и рельсов сопровождается износом трущихся поверхностей колеса и рельса,

2

образующих пару трения, для которой характерно сухое трение, как скольжения (особенно в кривой), так и качения. В начале эксплуатации колесной пары основную часть трения составляет пластическое смятие с интенсивным износом гребней колес по внутреннему контуру и примыкающего к нему участка с уклоном 1: 20, причем со стороны фаски имеется наплыв металла. В дальнейшем происходит упрочнение поверхности катания и основную роль в процессе развития износа начинают играть контактная усталость и абразивные процессы. Из-за большого контактного давления происходит интенсивное дробление абразивных частиц, которые сравнительно быстро удаляются из зоны трения при вступлении в контакт новых поверхностей в процессе качения колеса. В связи с этим интенсивность абразивного износа поверхности катания невелика и здесь преобладает контактно-усталостный износ. В зоне трения греб1£Я колеса с рельсом картина износа изменяется: нарастает абразивный износ, который пропорционален скорости относительного движения трущихся поверхностей (проскальзыванию), кроме того, на внутренней поверхности гребня колеса давление будет меньше (оно определяется не силами тяжести, а силами инерции, возникающими при движении в кривой) и размер абразивных частиц будет больше, что приводит к преобладанию абразивно-усталостного износа.

При торможении проскальзывание увеличивается и поверхность катания изнашивается, соответственно, интенсивнее, причем возникает износ, связанный с выкрашиванием "белого слоя" вновь образуемых структур металла. Необходимо отметить, что отделение частичек металла в процессе износа происходит в результате многократных повторных нагружений единичной фрикционной связи, что имеет большое значение при выборе метода повышения износостойкости детали.

Одним из направлений повышения износостойкости поверхностей трения является взрывное легирование потоком порошка, который соударяется с деталью и проникает вглубь ее материала. Метание порошка осуществляется кумулятивными зарядами с выемками, заполненными порошком. При этом глубина проникновения мелкодисперсных частиц (фракция 1-63 мкм) в сталь достигает 20 мм. Для промышленного применения используется порошковый состав из равных масс высокотвердых частиц карбонитрида титана и пластичных частиц никеля. При

детонационном легировании износостойкость повышается за счет кристалло-химического взаимодействия частиц порошка с металлом детали, формирования зон интенсивного пластического деформирования во время проникания частиц, а также, а случае сочетания обработки потоком порошка с термообработкой, в формировании в структуре металла карбидных волокон, направленных по трекам частиц, то есть перпендикулярных поверхности детали.

Механизм формирования детонационного покрытия связан с импульсным характером напыления. При каждом взрыве заряда происходит распределение частиц по потоку в соответствии с их инерционными свойствами, то есть, в конце потока оказываются наиболее крупные непроплавленные частицы, которые ударно воздействуют на покрытие, сформированное из частиц, входящих в начало и середину двухфазного потока. В результате образуются эффекты абразивного отделения части покрытия, причем отделяются наименее прочные дефектные подслои единичного слоя и проявляется эффект ударного прессования, увеличивающий плотность уже сформированного покрытия. Эффект горячего ударного прессования сказывается на всем покрытии, сформированном в результате воздействия предыдущих зарядов. При этом происходит пластическое деформирование и дополнительный ударный разогрев, приводящие к повышению интенсивности и продолжительности диффузионного проникновения, а, следовательно, и к прочности сцепления.

Эффект сверхглубокого проникания реализуется при метании мелкодисперсного порошка особым зарядом и имеет следующую физическую модель. В процессе ударно волнового нагружения в микротрещинах и микропорах обрабатываемой детали возникают процессы микрокумуляции, порождающие микровихри, которые выполняют транспортную функцию по переносу частиц легирующего вещества вглубь обрабатываемой детали.

Для повышения износостойкости поверхности трения колес подвижного состава целесообразно применять схему взрывной обработки с одновременным легированием поверхности порошком графитоподобного нитрида бора, который выполняет роль твердой смазки. Для реализации эффекта сверхглубокого проникновения в обрабатываемой детали необходимо создать одновременное

воздействие потока порошка и ударной волны с амплитудой в несколько ГПа и длительностью 20-30 мкс. Для выбора конструктивной схемы исследовались различные варианты ударно волновой обработки образцов как с экранами различной динамической жесткости, так и контактным взрывом листового заряда пластичного взрывчатого вещества. В каждом эксперименте измерялась твердость поверхностей образцов до и после ударно волновой обработки. Наибольшее увеличение твердости (до 1б°/о) было достигнуто при применении накладного заряда пластичного взрывчатого вещества (сейсмопласта).

Испытания по оценке прочностных и фрикционных характеристик обработанных образцов колес подвижного состава проводились на машине трения 2070 СМТ-1 пугем снятия профилограмм с рабочих поверхностей деталей из материалов рельса и колеса соответственно. Наибольшую износостойкость имели образцы № 4 и № 5 (рис.17), средний износ рабочих поверхностей которых в поперечном сечении не превышал 20 мкм, то есть был в 16-18 раз меньше, чем у образцов, не подвергавшихся детонационному легированию. Образец № 5 нагружался по схеме "сверхглубокого проникания", образец №4 -по схеме взрывного упрочнения через пористую прослойку.Из анализа результатов испытаний следует, что схема "сверхглубокого проникания" является наиболее приемлемой для детонационного легирования.

Лазерное упрочнение колес и рельсов

В связи с ростом интенсивности износа колес подвижного состава и рельсов на криволинейных участках пути для повышения износостойкости гребня и поверхности катания колеса перспективным является использование высокоэнергетических малоинерционных источников нагрева [50,52]. При этом необходимо учитывать состояние поверхности после механической обработки, структуру металла и его твердость по профилю контакта с рельсом, места и характер износа, поведение металла при образовании проката, а также рациональность применения тон или иной технологии.

Такая технология основана на нагреве поверхностных локальных зон металла со сверхвысокими скоростями путем

рис. 17-а Детонациотсх: лешровшше греблей колес. Образец № 1

Рис. 17-6 Детонационное легирование гребней колес. Образец № 5

Рис. 17-в Детонационное легирование гребней колес. Образец № 6

Рис. 17-г Детонационное легирование гребней колес. Образец №7