автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.22, диссертация на тему:Основы построения системы предупреждения о приближении поезда

Международный межакадемический союз На правах рукописи

Лосев Дмитрий Николаевич

ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМЫ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ О ПРИБЛИЖЕНИИ ПОЕЗДА

Специальность: 05.02.22 - Организация производства

Диссертация

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

Москва 2013 г.

Работа выполнена в ОАО «Российские железные дороги»

Научный руководитель:

доктор технических наук, директор проектно-конструкторского бюро вагонного хозяйства -филиала ОАО «РЖД»

Иванов Александр Олегович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Коваленко Николай Иванович доктор технических наук, профессор Славянский Зиновий Михалевич

Защита состоится « 2013 года на заседании диссертационного

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

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

Автореферат разослан.

0£. 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

М.Д. Рукин

РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ БИБЛИОТЕКА 2013

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы

Общая тенденция роста скорости движения железнодорожного транспорта, перспективное строительство скоростных магистралей, делают актуальным оснащение железнодорожных составов системами, способными своевременно выявлять наличие на маршруте следования опасных препятствий или разрушений. Дело в том, что при скорости движения состава 100 км/час, его тормозной путь при экстренном торможении составляет величину — 1 км. Соответственно локомотивная бригада, используя лишь визуальный контроль пути, оказывается не в состоянии своевременно отреагировать на возможные опасные преграды, такие как оползни, завалы, случайно отцепившиеся вагоны идущих впереди составов, разрушение рельсов работающей рядом или пересекающей путь тяжелой техникой. В последнее время возросла опасность диверсионных разрушений. В некотором смысле высокоскоростные составы двигаются вслепую, опираясь лишь на косвенные данные о степени маршрута.

Подобная ситуация стимулирует изучение возможности разработки системы, способной фиксировать отмеченные выше опасные макроскопические дефекты дороги на удалении превышающем тормозной путь. Характерной особенностью железных дорог является наличие искривленных участков. Использование существующих методов контроля местности, основанных на радиочастотной или лазерной локации, а также телеоптических устройств, требующих прямого наблюдения удаленных объектов, в данном случае представляется мапоперспективным.

В силу этого, и особенно, планируемый широкомасштабный переход отрасли на высокоскоростное движение настоятельно диктует развитие исследований по электромагнитной локации. И главным образом, её адаптация к задачам идентификации события, которое предшествует сходу подвижного состава - потери контакта колеса с рельсом.

В общей поступательной стратегии внедрения электромагнитной локации в железнодорожной отрасли (сход вагона, интервальное регулирование, ведение тяжеловесных составов и другое) необходимо решить важнейший вопрос - обеспечить условия безопасного труда. Особое место в группе риска занимают дефектоскописты, которые в любое время года, при любой погоде, в условиях движущихся железнодорожных составов контролируют железнодорожные пути, протяженность которых превышает 80 тыс.км.

Исследование возможности путем применения электромагнитной локации обеспечить безопасную работу десятков тысяч железнодорожников, является задачей своевременной и актуальной.

Цели и задачи исследования.

Целью данной работы является разработка основ построения системы предупреждения о прибытии поезда.

В связи с этим:

1. Сформулированы и обоснованы цели исследования.

2. Выделены в железнодорожных технологиях процессы, в которых исполнители находятся в повышенной группе риска.

3. Проведен анализ современных разработок, связанных с обеспечением безопасности на основе методов электромагнитной локации.

4. Предложен рельс в качестве однопроводной линии передачи.

5. Предложено функциональное совмещение систем диагностики и систем обеспечения безопасности труда.

6. Разработана модульная конфигурация и аппаратный состав системы о предупреждении приближения поезда.

7. Разработана система двухлучевой локации, что позволяет контролировать поезда как на встречном курсе, так и двигающиеся по одной траектории с подвижным средством диагностики.

8. Предложен расчет величины затухающего локационного сигнала.

9. Спроектирован, изготовлен и испытывается экспериментальный образец системы предупреждения о приближении поезда, совмещенный с современным передвижным диагностическим комплексом.

10. Разработаны технические требования, состав и параметрические характеристики для проектирования промышленного образца системы предупреждения о приближении поезда.

Научная новизна диссертации

Научную новизну диссертации составляют:

1. Рельс в качестве однопроводной линии передачи.

2. Расчет основных параметров электромагнитной локации на основе телеграфных уравнений.

3. Интеграция систем диагностики с системами безопасности труда.

4. Энергетическая иллюстрация распределения компонент напряженности электрического поля в вертикальном сечении вдоль рельса при сочетании с распределением вертикальной компоненты напряженности электрического поля вдоль поверхности рельса.

5. Архитектурное построение системы предупреждения о приближении поезда и ее базовые характеристики.

Практическая значимость работы.

По результатам выполненной данной диссертационной работы будет проведена разработка промышленного варианта системы предупреждения о приближении поезда с ее широким внедрением в отрасли.

Структура и объем работы.

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

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ НАУЧНОГО ДОКЛАДА

Глава 1. Средства сплошного контроля рельсов. Дефектоскописты в повышенной группе риска.

В 2012-м году на железных дорогах страны неразрушающим контролем рельсов в пути было занято свыше 20 тысяч специалистов на сети железных дорог РФ. В эксплуатации находилось свыше 4000 съемных ультразвуковых дефектоскопов для сплошного контроля рельсов в пути, около 2000 переносных дефектоскопов, более 70 магнитных вагонов-дефектоскопов и 11 опытных образцов ультразвуковых вагонов-дефектоскопов с регистрацией результатов контроля на термическую бумагу или на фотопленку.

Весь рельсовый путь проверялся в среднем от двух до четырех раз в месяц. Например, в 2010 году было обнаружено около 49000 остродефектных (с опасными дефектами) рельсов, что составило 99,2 % от всех потенциально опасных дефектов, выявленных в рельсах. При этом число допущенных изломов в рельсах по дефектам в них составило 522 штук, из них 120 (23 %) -по дефектам, пропущенным операторами.

Столь высокая надежность выявления дефектов системой НК (PS 0,992), очевидно, достигалась не за счет высокого качества работы средств НК, а лишь за счет избыточной частоты проверок рельсов: до 48 раз в год и выше на любом одном и том же участке пути.

Необходимость повышения надежности НК при одновременном снижении численности операторов и затрат на контроль рельсов выдвинули задачу разработки новых съемных и мобильных средств дефектоскопии рельсов на базе современных комплектующих изделий, микропроцессорной и вычислительной техники, которые стали доступными в России после трансформации СССР.

С 1993 г. к решению этих задач подключаются ОАО «Радиоавионика» (Санкт-Петербург), СП НПП «РДМ» (Кишинев), ЗАО «Твема» (Москва) и НПП «ВИГОР». Создаются и в 1997-2001 гг. поступают на дистанции пути новые

средства дефектоскопии, рассчитанные на выявление дефектов, ранее не обнаруживаемых дефектоскопическим комплексом второго поколения:

- съемные двухниточные УЗ дефектоскопы типа АВИКОН-01, РДМ-2, АДС-02;

- однониточные УЗ дефектоскопы типа РДМ-1;

- переносные дефектоскопы для контроля сварных стыков и отдельных сечений рельсов типа;

- совмещенные вагоны-дефектоскопы на базе ультразвуковых и магнитного методов НК;

- автомотрисы дефектоскопные ультразвуковые и совмещенные типа АМД-1;

- автомотрисы АМД-3 совмещенные с АДЭ.

При этом мобильные средства в отличие от съемных оснащены компьютерными системами регистрации и хранения результатов сплошного контроля рельсов.

В настоящее время начато освоение комплексного средства контроля дефектоскопно-путеизмерительной тележки «СПРУТ» (Рис. 1)

Компактность устройства обеспечивает легкость управления им, а универсальность - одновременное решение нескольких задач. Измеряя ширину и уровень рельсовой колеи, «СПРУТ» определяет дефекты в обеих нитях пути по всей длине и сечению рельсов (за исключением перьев подошвы, участков шейки и подошвы под болтовыми отверстиями), фиксируя при этом координаты каждого дефекта.

Точность позиционирования таких измерений обеспечивает mOHACC/GPS-приемник, устанавливаемый в общем комплекте оборудования на подвижную тележку. Она представляет собой рамное шасси с колесами, рукоятками для перемещения и телескопическим механизмом.

Дефектоскоп-путеизмеритель «СПРУТ» соответствуют международному стандарту ISO 12710:2002 «Контроль неразру тающий. Ультразвуковой контроль. Оценка электронных характеристик ультразвуковых дефектоскопов»

и обеспечивает выявление дефектов рельсов в соответствии с международным классификатором UIC Code 712 R «Rail defects».

Рис.1

Основные съемные средства контроля для диагностики рельсов основаны на применении ультразвука и приведены в таблице.

Двухниточный многоканальный ультразвуковой

дефектоскоп АВИКОН-11 «

Разработан в 2005 году, внесен в Государственный реестр средств измерений.

• Уменьшенные габариты и масса

• Надежная схема прозвучивания

• Отображение сигналов на В-развертке в реальном времени

. Регистрация результатов контроля на флеш-карту 13-уровневая регистрация сигналов контроля

• Надежный датчик пути

Однониточный многоканальный ультразвуковой дефектоскоп АВИКОН-12

Новый однониточный дефектоскоп предназначен для контроля стрелочных переводов, станционных путей, а также для вторичного контроля после мобильных средств.

• Получение документа контроля

• 10 сплошных и 6 ручных ультразвуковых каналов

• Отображение сигналов на В-развертке в реальном времени

• Одновременный контроль обеих граней рельса Дефектоскоп для контроля сварных стыков рельсов

МИГ-УКСМ

Многоканальный (86 каналов) ультразвуковой дефектоскоп. Предназначен для ультразвукового контроля сварных стыков рельсов в путевых условиях.

• Повышение производительности контроля в 5 - 10 раз

• Повышение качества контроля за счет минимизации участия оператора

Исключение трудоемких операций ручного сканирования

К мобильным средствам контроля относятся: Дефектоскопная автомотриса «АДЭ» (Рис.2)

Рис.2

Смонтированное на автомотрисе оборудование (представляющее собой многоканальный ультразвуковой дефектоскоп «ЭХО-КОМПЛЕКС» с регистратором «КРУЗ-М ХР») позволяет автоматизировано осуществлять как ультразвуковой контроль (с использованием эхо-импульсного и зеркально-

теневого методов при контактном способе ввода ультразвуковых колебаний), так и магнитный контроль (с использованием магнитодинамического метода), и обрабатывать получаемые результаты средствами вычислительной техники.

Совмещенный вагон-дефектоскоп АВИКОН-ОЗ (рис.3)

Рис.3

Совмещенный вагон-дефектоскоп с дефектоскопическим комплексом АВИКОН 03. Для надежного обнаружения дефектов в головке рельса, в том числе и в «шумящих» рельсах, применяются преобразователи, работающие по схеме «РОМБ» (для одновременного прозвучивания рабочей и нерабочей граней головки), которые реализуют эхо- и зеркальный методы контроля. Для контроля шейки и подошвы рельса используются ПЭП с двухлепестковой диаграммой направленности, повышающие надежность обнаружения радиальных трещин болтовых отверстий. Вагон-дефектоскоп оборудован оригинальной системой намагничивания с использованием колес дефектоскопной тележки в качестве полюсов электромагнитов; системой подогрева и подачи контактирующей жидкости; пультом оперативного управления работой искательной системы и системой кондиционирования воздуха в аппаратном зале. Результаты контроля транслируются на экране монитора в реальном времени и сохраняются на ПК.

Многотысячная армия дефектоскопистов обслуживает все виды съемных средств контроля и проводит диагностику в любое время года и при любых погодных условиях. Диагностика проводится ими при работающем железнодорожном транспорте на магистральных линиях, и как правило, при

этом «специальных окон» не выделяется. Дефектоскописты и другие путейские рабочие по условиям труда находятся в повышенной группе риска.

Следует отметить что мобильные средства контроля обнаруживают не более 10% дефектов в рельсах, в то время как дефектоскописты, используя съемные средства контроля выявляют порядка 90% всех дефектов пути.

Глава 2. Анализ методов электромагнитной локации, применяемых на железнодорожном транспорте.

Из разработок, основанных на использовании электромагнитной локации, наиболее близки к задачам данного исследования, системы идентификации схода вагона и наличия на пути посторонних объектов.

Система интеллектуального мониторинга технического состояния подвижного состава и рельсового пути электромагнитным зондированием функционирует в двух режимах: по ходу движения поезда для определения полного или частичного разрушения рельсов и нахождения на железнодорожном полотне посторонних объектов (на расстоянии не менее длины тормозного пути); и против хода движения поезда для обнаружения дефектов колесной пары грузовых составов и определение в режиме реального времени на расстоянии не менее длины железнодорожных составов потери контакта колеса с рельсом для предотвращения схода грузовых вагонов.

Физический принцип работы системы. При наличии на линии локальной присоединенной емкости, чему физически может соответствовать, например, стоящая на путях колёсная пара, возникает частичное отражение зондирующего сигнала. Следовательно, на временной развёртке принимаемых сигналов, от колёсных пар должны возникать всплески частично отражённых импульсов. Пропуски в «гребёнке» отражённых сигналов будут соответствовать отсутствию контакта колёсной пары и рельса. Случайные искажения картины отражённых сигналов парируются достаточно высокой частотой повторения генерации зондирующих импульсов (порядка 10 кГц). Оценки показывают, что в данном случае коэффициент отражения содержит два члена, пропорциональных частоте в первой и во второй степени.

Система локационной диагностики устанавливается на электровозе и работает в двухплечевом режиме.(Рис.4)

Рис.4

При движении поезда вперед электромагнитная волна в случае наличия излома рельса частично отражается и воспринимается приемной частью системы. В случае нахождения на путях постороннего предмета система фиксирует образование новой локальной присоединенной емкости.

При движении против хода движения поезда генератор также непрерывно излучает электромагнитные импульсы. В зоне контакта колеса с рельсами образуются локальные присоединенные емкости, частичное отражение которых фиксируется системой.

При условии нормального движения поезда система определяет и постоянно контролирует общее количество локальных присоединенных емкостей, возникающих в контакте «колесо-рельс», равное числу колес в грузовом железнодорожном составе.

При потере контакта колеса с рельсом общее количество локальных присоединенных емкостей изменяется. При этом система определяет, какое количество локальных присоединенных емкостей потеряно в информационном поле, что соответствует числу колес, утративших контакт с рельсом, определяет их порядковый номер и принимает управляющее решение, исключающее сход вагона. (Рис.5)

Контакт колесо-рельс: в норме Сход второй тележки второго вагона

Рис.5

Изменение величины локальной присоединенной емкости между колесом и рельсом свидетельствует о появлении дефекта колесной пары, который в процессе мониторинга отслеживается, и в случае лавинного нарастания, вырабатываются управляющие команды для устранения обнаруженной неисправности. (Рис.6)

Нормальное значение локальной Повышенное (заниженное) значение присоединенной емкости для всех колесных локальной присоединенной емкости для пар состава третьей и четвертой колесной пары второго

вагона

Рис.6

Использование магнитоупругого эффекта (эффекта Виллари) дает возможность дистанционного диагностирования дефектов колёсных пар и рельсов. Магнитоупругий эффект состоит в том, что под действием деформаций или механических напряжений, изменяются магнитные свойства тел, в частности, магнитная проницаемость. От магнитной проницаемости зависит глубина скин - слоя, в котором по поверхности ферромагнитного проводника (рельса) распространяется электромагнитный импульс. А от

глубины скин - слоя зависит удельное электрическое сопротивление линии (рельсового пути). Неоднородности линии ведут к частичным отражениям.

Пусть, как и в предыдущем примере, поезд идёт со скоростью 120 км/час (примерно 30 м/с). Тогда, если на колесе есть дефект (например, лыска или ползун), то с периодом в 0.1 секунду, он будет ударяться об рельс, генерируя избыточные волны деформации и меняя картину отражения. При частоте генерации зондирующих импульсов в 100 мкс эта картинка должна хорошо прописываться и, например, за 100 с "эксперимент по обнаружению дефектного колеса" будет повторен 1000 раз. Это может позволить, используя математические методы обработки сигналов, подавить шум и выделить сигнал от дефекта.

Результаты моделирования показали возможность формирования направленного излучения (вперед - назад) с помощью нескольких простейших излучателей, запитанных со сдвигом фазы. (Рис.7).

МО '<«••

Отраженный сигнал при контакте колеса с рельсом

Рис.7

Достигнута надежная фиксация в двух случаях: отраженного сигнала при разломе рельса и отсутствие отраженного сигнала при сходе вагона. (Рис.8,9)

Сход вагона Рис.8

|1) РР

1

"гт -г- ~ х -Г

Излом рельса Рис.9

Таким образом, имеется теоретическая и практическая возможности дистанционного выявления дефектов подвижного состава и рельсового пути в зоне непосредственного контакта колеса с рельсом.

Возникает возможность определять с достаточной точностью координаты колёсных пар вагонов, а соответственно, и самих вагонов, то окажется возможным определять степень растяжения/сжатия сцепок вагонов. Данная информация может быть использована для выбора оптимального режима работы силовой установки локомотива.

Рельсовый локатор может быть независимым источником информации об обрыве или расстыковке одного или группы вагонов от остального состава.

Наконец, несмотря на повышенное количество изолирующих стыков на подъездных путях, рельсовый локатор может служить для предотвращения столкновений маневрирующих локомотивов.

В целом проведенные исследования показали, что все устройство локатора может быть выполнено достаточно компактным, иметь малое энергопотребление (на уровне ~ 1 Вт) и может быть установлено на любом рельсовом транспортном средстве.

Бортовые локомотивные комплексы функционируют только в одновекторном режиме (от локомотива к вагону и обратно; от локомотива к объекту, находящемуся на путях и обратно) и не могут быть аналогами для постовых, а тем более для переносных портативных систем.

В данной работе необходимо реализовать электромагнитную локацию для определения движущихся, как в прямом так и при встречном движении железнодорожных составов, на передвижные средства контроля, обслуживаемые операторами.

Глава 3. Расчетные энергетические параметры системы электромагнитной локации.

К целям разрабатываемой системы предупреждения о приближении поезда следует отнести:

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

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

- информирование работающих на железнодорожных путях в режиме реального времени;

- контроль за соблюдением графика проследования поездов;

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

- переносной принцип, разрабатываемой системы;

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

- возможность монтажа системы на ходовую часть передвижного диагностического комплекса;

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

Рассматривая рельс, как однопроводную линию, для передачи электромагнитной энергии при расчете энергетических параметров (величины тока и напряжения) могут быть применены, с рядом непринципиальных допущений, телеграфные уравнения. [1]

—У(х,0 = -I — /(х,/) - Л • /(*,/)

дх 51

дх

(1.2)

дх д1

81

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

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

Когда элементы и С малы, их значением можно пренебречь, линия электропередач при этом считается идеальной. В этом случае модель зависит только от элементов ¿и с. При этом из (1.2) получается пара дифференциальных уравнений в частных производных первого порядка, одна функция описывает распределение напряжения v вдоль линии, а другая -распределение тока /, обе функции зависят от координаты х и времени /.

дх д1 (13)

|-/(х,0 = -С~У(х,0 дх д(

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

^У(х,,) = -1-^-1(х,0 (1.4)

дх дхд1

д!

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

дх

= -А ■ ¿Г- С • ¿Н(*,о1 = ¿С^-У(х,0 (1.5)

дх д/\ д1 ) д(

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

Таким образом, из (1.5) и (1.6) получаем пару волновых уравнений

дг ЬС дх ^ ^

дг2 ¿с дх2

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

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

1

-Лс'

Когда элементами Ли С нельзя пренебречь, первоначальные дифференциальные уравнения принимают вид (1.2):

= -Ь • |-/(дс,/) - Я • /(*,/)

дх от

/(*,/) = -С ■ 4- У(х,0- С • У(х,()

дх 3/

Продифференцируем первое уравнение по х

у(*,/) = - л —/(*,/) •

дх осот йс

Подставим в последнее уравнение второе уравнение из (1.2) и произведем некоторые преобразования

дх2 д{{ д{ ) { Ы

= ьс^гу + ш—у + лс—у + яй ■ у = ¿с—у + (яс + а)—у + вяу д!2 а д1 9/ v 5/

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

дх дхдг дх д( ) { д1

= сх-^-/ + сл—/ + / + аи = ¿с-^/+(лс + с/,)— / + вт а/2 5/ 5/ Э/ 5/

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

^У(х,1) = ЬС-^1-У(х,1) + (ЛС + Ы)—У(х,0 + СЛК(лг,/) дх дг д( ^

1(х,1) = ¿сДг/^О + (ЛС + О/.)—/(*,/) + С7Л/(х,0 дх дг 3/

1.8)

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

Л [I

е т, где а =-, 2й =. — - характеристический импеданс (комплексное или

V С

полное сопротивление) линии электропередачи.

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

У(х,1) = /1(о)1-Ь)+/2(а)1 + кх) (1.9)

И тогда сила тока / определяется по формуле /(*,/) =-С-^(а>1-кх) + /г(ео1 + кх))-с1х (1.10)

где к = со л/¿С =— - волновое число, со - угловая частота, /] и /2 могут

быть любыми функциями и у = -^=== - скорость распространения волны

(фазовая скорость).

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

Для проверки результатов расчетов был организован участок настройки и апробации отдельных элементов экспериментальной системы электромагнитной локации. (Рис. 10)

Рис.10

В состав экспериментального участка входят: •монорельсовый путь длиной 300 метров); •установка формирования поверхностной волны; •станция поверки и калибровки экспериментального локатора; •станция регистрации затухающих сигналов.

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

В порядке подготовки на рельсовом пути, были проведены эксперименты по распространению, отражению и затуханию электромагнитных волн в линии, представляющей собой отрезок (длиной около 30 м) тонкого провода. Был собран генератор, формирующий электрический импульс с длительностью на полувысоте равной 40 не. Генератор нагружался на излучатель в виде магнитной рамки, которая находилась на удалении ~ 1 см от провода. Импульс генератора фиксировался осциллографом, к которому подключалась аналогичная рамка, выполняющая, в данном случае, функции приёмника. Генератор находился на расстоянии примерно 5 м от одного конца провода, а приёмник - на таком же расстоянии от другого.

На рис.11 приведены осциллограммы принимаемого сигнала.

а) Ь)

Рис.11

На рис. 11 а виден прямой импульс с отражениями от концов провода и затем его однократное и двукратное повторение. Относительно высокое затухание сигнала обусловлено малым радиусом провода.

При изменении граничных условий на линии (увеличении емкости путём касания провода рукой), сигнал заметно менялся (Рис. 11Ь).

Видно, что амплитуда отражённого сигнала существенно снизилась (примерно 0,2 В на рис. 11 а и примерно 0,1 В на рис. lib).

Глава 4. Основы разработки передвижной электромагнитной локационной системы предупреждения о приближении поезда.

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

Электромагнитные волны поперечны - векторы индукции магнитного поля В и напряженности электрического поля Е перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны (вектору скорости (Рис. 12)

Рис. 12

Для стабильной работы системы весьма важно определить расположение электрода над рельсом. Выбрана безопасная высота зазора равная 15 см и экспериментально определены рис.13:

Рис.13

W = Н = 20 см, при условии, что в зазоре четного поля (Н - - Ь)

Ьг = Ьв = Ь5 = 15 см, постоянное в пространстве вертикальное

= \¥г= 15 см, электрическое поле, зависящее от времени. Ь = 3200 см.

В разрабатываемой системе источники на рельсах работают синхронно. (Рис. 14)

—в- ...-

"ч

Рис.14

При этом распределение основной (вертикальной) компоненты электрического поля во времени приведены на рисунках 15, 16, 17.

Рис.15

Расположение вертикальной компоненты напряженности электрического поля на момент времени I = 1,33х10"2мкс.

Рис.16

Расположение вертикальной компоненты напряженности электрического поля на момент времени I = 2,67х 102 мкс.

- i

Рис.17

Расположение вертикальной компоненты напряженности электрического поля на момент времени I = 4х 10 2 мкс.

Распределение компонент напряженности электрического поля в вертикальном сечении вдоль рельса на момент I = 6х10"2 мкс. (Рис. 18, 19, 20)

-мм *В1 Ш I Ш ТмГ

Рис.18

Продольная компонента электрического поля.

шт»)»т ним мм

' 1Ш "" Via Ш 1 Я Рис.19 1ЫИ

|*ММ1

Itim «пи • MUI«

Вертикальная компонента электрического поля.

Рис.20

Поперечная компонента электрического поля.

Представленные графики объясняет рисунок 21. где приведено распределение вертикальной компоненты напряженности электрического поля вдоль поверхности рельса.

Распределение вертикальной компоненты напряженности электрического поля вдоль поверхности рельса

Как видно из рисунков распределение компонент напряженности электрического поля обладает необходимой симметрией. Это исключает возникновение возможных артефактов, причиной которых является нерегулярное отражение от границ четной области.

Проведенные исследования позволили сформировать схему приемно-передающего устройства (рис. 22).

Рис.22

Данная схема была реализована в экспериментальном образце локатора, который был установлен на высокоскоростной дефектоскоп рельсов с автоматизированной расшифровкой («ТВЕМА»). В настоящее время данный дефектоскоп в комплекте с макетной системой электромагнитной локации предупреждения о приближении поезда испытывается на Горьковской железной дороге - филиале ОАО «РЖД».

Промышленный вариант системы предупреждения о приближении поезда будет выполнен в модульном исполнении при следующей основной комплектации:

- передающий и принимающий модуль;

- задающий генератор;

- модуль аналоговой обработки;

- модуль цифровой обработки;

- модуль управления;

- супер ЭВМ.

Предварительные характеристики системы:

- частота измерений - 100 кГц;

- частота модуляций - 300 МГц;

- интервал между записями - 0,2 не.

Заключение по результатам выполненной работы.

1. Сформулированы и обоснованы цели исследования.

2. Выделены в железнодорожных технологиях процессы, в которых исполнители находятся в повышенной группе риска.

3. Проведен анализ современных разработок, связанных с обеспечением безопасности на основе методов электромагнитной локации.

4. Предложен рельс в качестве однопроводной линии передачи.

5. Предложено функциональное совмещение систем диагностики и систем обеспечения безопасности труда.

6. Разработана модульная конфигурация и аппаратный состав системы о предупреждении приближения поезда.

7. Разработана система двухлучевой локации, что позволяет контролировать поезда как на встречном курсе, так и двигающиеся по одной траектории с подвижным средством диагностики.

8. Предложен расчет величины затухающего локационного сигнала.

9. Спроектирован, изготовлен и испытывается экспериментальный образец системы предупреждения о приближении поезда, совмещенный с современным передвижным диагностическим комплексом.

10. Разработаны технические требования, состав и параметрические характеристики для проектирования промышленного образца системы предупреждения о приближении поезда.

11. Проведен расчет основных параметров электромагнитной локации на основе телеграфных уравнений.

12. Реализована интеграция с системами безопасности труда.

13. Предложены векторных диаграммы направления составляющих электромагнитное поля.

14. Разработана энергетическая иллюстрация распределения компонент напряженности электрического поля в вертикальном сечении вдоль рельса при сочетании с распределением вертикальной компоненты напряженности электрического поля вдоль поверхности рельса.

15. Разработаны базовые характеристики и архитектурное построение системы предупреждения о приближении поезда и ее базовые характеристики.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Лосев Д.Н. «Итоги года» Ж. «Вагоны и вагонное хозяйство» № 1, 2010 г., г. Москва.

2. Лосев Д.Н. «О ревизии правил использования грузовыми вагонами» Ж. «Вагоны и вагонное хозяйство» № 2, 2011 г., г. Москва.

3. Лосев Д.Н. «Итоги работы вагонного хозяйства» «Вагоны и вагонное хозяйство» № 1, 2012 г., г. Москва.

4. Лосев Д.Н. «Единая технология технического осмотра составов на сортировочных станциях. Подвижной состав» Ж. «Железнодорожный транспорт» № 1, 2010 г., г. Москва

5. Лосев Д.Н. «Анализ методов электромагнитной локации применяемых на железнодорожном транспорте» ДЦНТИ, 2010 г., г.Н.Новгород.

6. Лосев Д.Н. «Расчет энергетических параметров системы электромагнитной локации» ДЦНТИБ, 2011 г., г.Н.Новгород.

7. Лосев Д.Н. «Основы разработки передвижной локационной системы предупреждения о приближении поезда» ДЦНТИБ, 2012 г., г.Н.Новгород.

Список используемой литературы.

1. D.V. Fedorov. Determination of the Effectiveness of Lubricants for Locomotive Bearing Units by Means of the Acoustic - Emission Method. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2003, Vol. 39, No 3, pp. 198 - 200.

2. И.И. Елисеева, M.M. Любашев. Общая теория статистики. Ж. «Финансы и статистика». М. 2002 г.

3. В.М. Гусаров. Теория статистики. Ж. «ЮНИТИ». М. 2001 г.

4. МУ 07.87-2010 «Методические указания по паспортизации настроечных образцов»

5. ВСН 94-77. Инструкция по устройству верхнего строения железнодорожного пути

6. Инструкция РФ ОТ 01.07.2000 N ЦП-774 Инструкция по текущему содержанию железнодорожного пути.

7. Правилами технической эксплуатации железных дорог.

8. Инструкция по сигнализации на железных дорогах.

9. Инструкция по движению поездов и маневровой работе на железных дорогах.

2013072735

2013072735