автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.22, диссертация на тему:Принципы построения совмещенной локомотивной системы регистрации целостности рельсового пути и схода грузовых вагонов

Международный межакадемический союз На правах рукописи

Рябков Александр Николаевич

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СОВМЕЩЕННОЙ локомотивной СИСТЕМЫ РЕГИСТРАЦИИ ЦЕЛОСТНОСТИ РЕЛЬСОВОГО ПУТИ И СХОДА ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ

Специальность: 05.02.22 - Организация производства

Диссертация

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

Москва 2011 г.

і

Работа выполнена в ОАО «Российские железные дороги»

Научный руководитель: доктор технических наук,

начальник Горьковской железной дороги -филиала ОАО «РЖД» Лесун Анатолий Федорович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Спиридонов Эрнст Серафимович

доктор технических наук, профессор Коваленко Николай Иванович

Защита состоится « У» у¿г- , 2011 года на заседании диссертационного совета Д.06.024.МАИ 032 Высшей Межакадемической аттестационной комиссии.

С диссертацией в форме научного доклада можно ознакомиться в диссертационном совете Д.06.024.МАИ 032.

Автореферат разослан_0 $ "7у? 2011 г.

Учёный секретарь диссертационного совета доктор технических наук,

профессор

Г.Е. Лазарев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы

В долгосрочной стратегической программе создания интеллектуального отраслевого комплекса управления безопасностью перевозок ОАО «Российские железные дороги» (ОАО «РЖД»), одно из главенствующих мест занимает диагностика, как в условиях изготовления новых типов подвижного состава, так и при ремонте, эксплуатации локомотивов и вагонов (рис. 1).

Укрупнено, диагностика разбита на два основных направления: диагностика подвижного состава и диагностика пути. Что касается инфраструктуры, то здесь практически везде применяется контроль технического состояния ее объектов.

Статическая диагностика пути включает в себя: пооперационную (ультразвуковую), выходную (акустикогалаграфическую), прогнозную (управление эксплуатационной работой). Динамическая диагностика пути строится на системе акустоэмиссионного сканирования.

Статическая диагностика подвижного состава охватывает пооперационную (вибро, ультразвук, акустоэмиссия), управление технологическими процессами ремонта, выходной контроль. Динамический диагностика подвижного состава базируется на трех основных системах: идентификация пороговых значений, прогноз для управления эксплуатационной работой и идентификация схода локомотивов, пассажирских и грузовых вагонов.

Определение схода локомотива и пассажирского вагона не представляет технической сложности, так как имеется возможность электропитания различных датчиков, установленных на их ходовых частях. Эти системы разработаны и успешно проходят ходовые испытания. Следует отметить, что и другие разделы программы диагностики отраслевой направленности получили свое успешной развитие, ряд из них уже сегодня облечены в конкретные конструктивные решения. Совершенно по-другому обстоят дела с грузовым парком.

До настоящего времени попытки реализовать систему идентификации сходов вагонов в реальном времени требовали определенной их модернизации путем постановки различного класса датчиков, преобразователей, пассивных индикаторов. Учитывая громадный парк грузовых вагонов (более 1 ООО ООО единиц), даже в условиях дореформенного периода это считалось только теоретически возможным. В условиях же реформирования, когда приватный грузовой парк существенно превысил инвентарный, возможность модернизации грузовых вагонов стало и теоретически невозможной.

ЦУБ (Центр управления безопасностью)

Рис.1

Без решения проблемы идентификации схода грузовых составов и контроля целостности рельсов отраслевую стратегическую систему безопасности нельзя рассматривать как надежный гарант безаварийных перевозок.

Поэтому, учитывая сложность этой проблемы, ее решение следует вести поэтапно. Первым актуальным направлением в предлагаемой работе следует считать изыскание принципов построения такой системы, которая была бы свободной от необходимости какой либо модернизации массового грузового парка.

Цели и задачи исследования.

Целью данной работы являются исследование для создания совмещенной локомотивной системы идентификации схода вагонов в составе грузовых поездов и целостности рельсового пути.

В связи с этим:

1. Определено место диагностических технологий в отраслевой стратегической программе создания системы прямого управления безопасности движения.

2. Обоснована необходимость повышения уровня безопасности движения путем создания системы идентификации схода подвижного состава, в первую очередь для грузовых вагонов и целостности рельсового пути.

3. Проведен анализ систем диагностического класса, которые в прямую или косвенно идентифицируют сход грузовых вагонов.

4. Исследован бесконтактный метод электромагнитной локации для постоянного контроля наличия контакта колеса с рельсом при движении железнодорожного транспорта.

5. Предложен физический характер построения системы.

6. Применен расчет для определения длины прохождения электромагнитного импульса.

7. Разработана принципиальная схема построения локационной электромагнитной системы контроля схода грузовых вагонов и целостности рельсового пути.

Научная новизна диссертации.

Научную новизну диссертации составляют:

1. Разработка метода бесконтактного зондирования для определения целостности рельсов и наличие (отсутствие) контакта в системе колесо-рельс.

2. Использование телеграфных уравнений для расчета длины прохождения зондирующего импульса в рельсах.

3. Исследованы физические принципы работы системы.

4. Определены принципы построения фазовых излучателей.

5. Выстроен алгоритм работы для функционирования системы в двухплечевом режиме.

6. Разработана структурная схема системы электромагнитного зондирования.

7. Экспериментально доказано возможность мониторирования целостности рельса и наличие акустического контакта в системы «колесо-рельс» в режиме реального времени.

Практическая значимость работы.

В процессе выполнения диссертационного исследования определены реальные технические и научные направления, позволившие уже на стадии выполнения данной работы получить первые практические результаты:

- «Поддержать предложение по разработке и внедрению комплексной системы интеллектуального управления техническим состоянием пути и подвижного состава на основе новых методов неразрушающего контроля, построенных на базе применения локационных диагностических систем -исполнители Горьковская железная дорога-филиал ОАО «РЖД», ЦТех, РФЯЦ,

ЦИР, МИИТ, срок исполнения 2012-2014 гг.» - пункт 3.14 решения XII Научно-практической конференции. МИИТ. Москва. 2011г.;

- заключен договор на создание промышленной системы контроля идентификации схода вагонов на базе выполненного исследования. 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. Диагностические технологии в отраслевой стратегической программе создания системы прямого управления безопасностью движения.

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

В соответствии с Федеральным законом от 10 января 2003 г. Н 1 7-ФЗ «О железнодорожном транспорте в Российской федерации» под безопасностью движения и эксплуатации железнодорожного транспорта понимается такое «состояние защищенности процесса движения железнодорожного подвижного состава, при котором отсутствует недопустимы риск возникновения транспортных происшествий и их последствий, влекущих за собой причинение вреда жизни или здоровью граждан, вреда окружающей среде, имуществу физических и юридических лиц».

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

уровня аварийности (в %) относительно значений уровня аварийности в «базовый» 2007 год (принятого за 100%): в 2010 г. - 86%; в 2015г.-66%; в 2020г. -58%;

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

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

В период с 2005 по 2010 годы на сети железных дорог России произошло 18 крушений поездов, 14 аварий, 362 схода грузового и 20 случаев пассажирского подвижного состава. Сумма ущерба составила более 5 млрд. рублей.

Количество отцепов вагонов от сформированных поездов в пути следования по неисправности составляет более 100 тыс. случаев в год. Сумма затрат составляет более 6 млрд. руб.

Высокие финансовые затраты железнодорожный транспорт несет в том числе и из-за отсутствия в настоящее время высоко технологичных систем диагностики и мониторинга состояния инфраструктуры и подвижного состава.

В оснащении такими системами, направленными на повышение уровня безопасности движения на сегодняшний момент нуждается практически весь парк грузовых и пассажирских вагонов (с учетом приватного парка - более 1,5 млн. шт.), а так же весь парк тягового подвижного состава (более 20 тыс. ед.).

Эффективность внедрения этих систем, кроме снижения уровня аварийности и повышения уровня безопасности движения (повышение уровня безопасности движения по факторам, зависящим от технического состояния технических средств), позволяет так же получить:

• Уменьшение время занятия перегона за счет предупреждения отказов, возникающих в пути следования (увеличение пропускной способности отдельных участков пути);

• Повышение производительности обслуживающего и ремонтного персонала за счет наличия информации о техническом состоянии подвижного состава и пути в реальном времени (исключаются дополнительные диагностические операции перед началом обслуживающих и ремонтных работ);

• Увеличивается коэффициент готовности технических средств (требуется меньшее количество единиц подвижного состава для выполнения одинакового объема работы);

• Увеличение показателей безотказности и срока службы технических средств (за счет опережающего вмешательства - технического обслуживания и ремонта по фактическому состоянию);

• Информационное обеспечение, для принятия обоснованных технических решений в сфере управления технологическими процессами эксплуатации, технического обслуживания и ремонта.

Глава 2. Анализ систем диагностического класса для идентификации схода подвижного состава.

Для идентификации схода подвижного состава наиболее полно отвечает этим задачам система идентификации, основанная на регистрации «шпапьной» чистоты [1].

Разработанная система (рис. 2) содержит датчики 1, 2 вертикального и поперечного ускорения, установленные на необрессоренных частях локомотива. Датчик 3 скорости, представляющий собой локомотивный скоростемер, последовательно соединен с аналого-цифровым преобразователем 4, с блоком 5 расчета «шпальной» частоты и блоком б формирования «околошпальной» полосы частот, выход которого подключен к первым входам блоков 7, 8 расчета энергии сигналов ускорений, датчики 1, 2 вертикального и поперечного ускорения через соответствующие цепочки последовательно соединенных фильтра 9 низких частот, аналого-цифрового преобразователя 10, блока 11 оценки энергетических спектров подключены ко вторым входам соответствующих блоков 7, 8 расчета энергии сигналов ускорений. Выходы блоков 7, 8 соответственно подключены ко входам компараторов 12, 13 на других входах которых установлены источники 14, 15 опорного сигнала. Выходы компараторов 12, 13 подключены к логическому элементу 16, который через формирователь 17 импульсов подключен к блоку 18 включения тормоза.

• [1К1}Э&| И-Ш-0&

■

И-00&

иаа&

Рис. 2.

Система работает следующим образом. При движении грузового или пассажирского подвижного состава в локомотиве возникают ускорения, величины которых регистрируются с помощью датчиков 1 вертикальных и датчиков 2 поперечных ускорений и преобразуются в электрические сигналы. Во время штатного движения подвижного состава датчики 1, 2 ускорений, установленные на необрессоренных частях локомотива, регистрируют «фон» в виде электрических сигналов, которые фильтруются в фильтрах 9 низкой частоты и в аналого-цифровых преобразователях 10 преобразуются в дискретные сигналы с заданным шагом квантования, для которых в блоках 11 оценки энергетических спектров рассчитываются их энергетические спектры. Энергия «фона» формируется неровностями поверхностей катания рельсов, стыками и т.п. При сходе колесной пары вагона с рельсов в результате периодических ударов по шпалам с частотой генерируются вынужденные упругие колебания рельсового пути. В локомотиве возникают повышенные уровни поперечных и вертикальных ускорений, инициированные распространением вынужденных упругих колебаний рельсового пути от места колесной пары, сошедшей с рельсов до локомотива. В локомотивном датчике 3 скорости движения поезда вырабатывается аналоговый непрерывный сигнал, пропорциональный скорости движения поезда. Сигнал с помощью аналого-цифрового преобразователя 4 преобразуется в дискретную последовательность сигналов с указанным шагом квантования. Далее сигнал подается на блок 5 расчета «шпальной» частоты. Значение «шпальной».

При прохождении блока 6 формирования «околошпальной» полосы частот, устанавливается диапазон информативных частот для регистрации схода вагона. В блоках 7, 8 расчета энергии сигналов ускорений по полученным энергетическим спектрам, поступившим с блоков 11 оценки энергетических спектров, и значениям информативных частот, поступившим с блока 6 формирования «околошпальной» полосы частот, вычисляются значения энергий сигналов вертикальных и поперечных ускорений в заданной «околошпальной» полосе частот. При движении подвижного состава

происходят непрерывная оценка энергии спектра сигналов вертикальных и поперечных ускорений в указанной полосе частот и сравнение их с экспериментально установленными опорными уровнями в виде «фоновых значений» энергий спектра сигналов в компараторах 12, 13, сигналы с которых поступают на логический элемент 16. При одновременном превышении энергий сигналов вертикальных и горизонтальных ускорений в формирователе 17 импульсов вырабатывается управляющий сигнал для включения тормоза, который подается в блок 18 включения тормоза.

Данная система, устанавливаемая на локомотиве, не нашла своего применения так как информация, получаемая от удара колеса по шпалам снимается только с первых по отношению к локомотиву с первых 4-7 вагонов (4 для деревянных шпал и 7 для бетонных шпал).

Идентификация схода вагонов также может быть реализована на системах идентификации постового типа.

Постовая системах идентификации схода вагонов на основе изменения емкости при попадании колеса в измерительную зону [2].

Принцип работы системы приведен на рис.3.

Рис. 3. 14

Система диагностики контакта колеса с рельсом работает следующим образом. В нормальном положении в контролируемой зоне 4 приемник пластины 3, емкостного преобразователя 1 обладает тарированной электроемкостью относительно нижней стабилизирующей пластины 8, При нормальном положении колеса относительно боковой поверхности рельса емкость на стабилизирующей пластине 8 не подает сигнала емкостного дисбаланса в блок обработки информации. В случае начала набегания гребня на рельс величина емкости на пластине 8 меняется, о чем поступает сигнал в блок обработки информации.

Данные системы не нашла применения для контроля схода вагона, так как они располагаются друг относительно друга на больших расстояниях (десятки километров). Сходы вагонов зачастую происходят как раз на расстояниях между двумя соседними системами.

Постовой комплекс, диагностирующий работу подшипников на основе измерения акустической информации микрофонной решеткой [3], позволяет определять все основные дефекты подшипников при движении грузового состава (рис.4). Номер грузового вагона с забракованным подшипником фиксируется техническим зрением. Обработка диагностической информации позволяет определить величину гарантированного безостановочного пробега.

Рис.«;

Данный комплекс также может фиксировать сход вагона, но значительное расстояние между смежными этими комплексами не гарантирует идентификацию схода в промежутке движения подвижного состава между этими постами.

Постовой комплекс на основе бесконтактного измерения температуры акже может быть использован для идентификации схода вагона [3].

Данный комплекс определяет температуру нагрева буксовых узлов, с вух сторон подвижного состава (рис.5)

Выносной модуль левого

ЖІ

Выносной модуль правого

зе

_■' т *■

Рис.5

Применение данного комплекса не может быть рекомендовано для дентификации схода вагона по причине его постового характера.

Глава 3. Принципы построения совмещенной локомотивной системы диагностики состояния рельсов и подвижного состава.

Возможность регистрировать изменения состояния рельсового пути в процессе движения железнодорожного состава на значительном расстоянии от локомотива (в пределах, по крайней мере, одного километра), актуальна в плане решения ряда задач обеспечения безопасности перевозок:

1. 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 безопасности 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. Поэтому использование существующих методов контроля местности, основанных на радиочастотной или лазерной локации, а также телеоптических, требующих прямого наблюдения удаленных объектов, в данном случае представляется малоперспективным.

2. Сход вагонов с рельсов является серьёзной проблемой для обеспечения безопасности движения железнодорожного транспорта. Зарегистрировать тот

факт, что колёсные пары вагона теряют контакт с рельсами, или что вагон уже сошёл с рельсов и катится по шпалам, также оказывается очень тяжело вплоть до того момента, когда происходит его опрокидывание. Особенно это касается грузовых вагонов, необорудованных какими либо устройствами сигнализации. Длина современных грузовых поездов может составлять величину порядка километра. И понятно, что машинист на таких расстояниях не в состоянии по каким-либо косвенным признакам определить, что какой-то вагон едет не по рельсам.

Делались попытки разработать способы регистрации схода вагона подвижного состава с рельсов, основанные на регистрации ускорений необрессоренных частей подвижного состава [4] или устройства автоматического торможения подвижного состава при сходе вагона [5].

Дело в том, что колёса сошедшего с рельс вагона, проезжая по шпалам, создают механические колебания с так называемой «шпальной частотой», зависящей от скорости движения поезда и расстояния между шпалами. Эти колебания должны распространяться по полотну дороги и через рельсы и колёсные пары воздействовать на датчик ускорений, установленный на локомотиве. Однако, как показали экспериментальные работы, волны колебаний со шпальной частотой очень быстро затухают и по существу, может быть надёжно зарегистрирован сход с рельсов только соседнего с локомотивом вагона. Данная ситуация также стимулирует изучение возможностей разработки системы, способной фиксировать сход вагонов с рельсов на удалении соответствующем протяжённости поездов.

Известно использование СВЧ - техники для целей диагностики рельсов в процессе движения подвижного состава. В [6] СВЧ излучение служит для детектирования смещения поверхности рельса, под действием вибрации и выходящих на поверхность рельса акустических волн, путём выделения сдвига фаз падающей на рельс и отражённой электромагнитной волны. Источник СВЧ - излучения устанавливается при этом над поверхностью рельса. Недостатком данного способа является локальный характер его чувствительности.

Кроме возбуждения и регистрации акустических волн (вибрационных колебаний), на поверхности рельс (в скин - слое), как и на поверхности любого электропроводящего материала, возможно возбуждение вихревых токов. При пересечении вихревыми токами какого - либо поверхностного дефекта (трещины), плотность тока изменяется, что ведёт к изменению магнитного потока и может быть зарегистрировано. Это явление используется в хорошо известном магнитном (вихретоковом) дефектоскопе. Этот способ является наиболее близким по технической сущности к предлагаемому, и поэтому выбран в качестве прототипа.

Недостатком вихретокового дефектоскопа является то, что он может выявлять только те дефекты рельсового пути, которые находятся в непосредственной близости от вихретокового датчика.

В основу диссертационного исследования поставлена задача, за счёт увеличения дистанции диагностирования рельсового пути и подвижного состава, расширения функциональных возможностей способа и области его применения:

- обнаружения опасных макроскопических дефектов железной дороги на удалении, превышающем тормозной путь;

- регистрации потери контакта колёсных пар вагонов состава с рельсами.

Для этого формируют в рельсовом пути импульсы поверхностных электромагнитных волн, распространяющихся в рельсовом пути, как в открытом волноводе, вперёд и (или) назад по ходу движения поезда, регистрируют частичные или полные отражения этих импульсов от неоднородностей пути (волновода) и по параметрам отражённых сигналов определяют наличие и характер дефектов рельсового пути и (или) подвижного состава.

Использование радиолокационного принципа поиска целей (дефектов) и соответствующем разнесении во времени сравнительно мощного излучаемого в рельс электромагнитного импульса и сравнительно слабых импульсов

частичного отражения от неоднородностей (дефектов) рельсового пути позволяет четко фиксировать разрушения в рельсах и сход вагонов.

Ввиду того, что из уровня техники неизвестны работы по дистанционному диагностированию рельсового пути и подвижного состава, основанные на использовании поверхностных электромагнитных волн, то данную разработку можно отнести к разряду пионерских работ.

С электротехнической точки зрения современные рельсовые пути представляют собой однопроводную линию передачи (ОЛП) электромагнитной энергии, открытый волновод или длинную линию. Известны различные типы ОЛП: провод без покрытия (линия Зоммерфельда), провод, покрытый слоем диэлектрика (линия Губо), провод с гофрированной поверхностью и другие.

Способы дистанционного обнаружения повреждений в кабельных линиях и линиях электропередач хорошо известны. Они основаны на возбуждении в линии электромагнитной волны и анализе отраженных от ее неоднородностей сигналов.

Отличительной особенностью рельсовых путей является то, что они имеют стыки. Однако рельсовые стыки как правило электрически соединены с помощью специальных накладок и путём пайки, приварки или запрессовки дополнительных соединителей: медных, сталемедных или стальных. Согласно ГОСТ 9.602-89, увеличение сопротивления рельсовых нитей за счет стыков должно быть не более 20%. Токопроводящий стык, с учетом требований ГОСТ 9.602-89, должен иметь электрическое сопротивление не больше сопротивления целого рельса длиной 6м- при длине рельсовых звеньев 25 м и более. Длина плетей бесстыкового (бархатного) пути может составлять 550 - 800 м.

Для определения местонахождения поезда на линии ее делят стыками на изолированные участки. Каждый такой участок пути оснащается рельсовой цепью. Длина изолированных участков колеблется в зависимости от его требуемой пропускной способности. Соответственно на подходе к станции и на самой станции, где скорости движения и расстояние между поездами меньше, рельсовые цепи короче, чем на перегоне. Как показали проведенные

эксперименты, изолирующие стыки дают сильное, но не полное отражение зондирующего импульса.

Теоретическое исследование проблемы проводилось путем анализа системы телеграфных уравнений с параметрами, соответствующими железнодорожному пути. [7]

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

При проведении электромагнитного зондирования основная часть энергии электромагнитного поля поверхностной симметричной Е-волны сосредоточена в цилиндрической области вокруг проводника ОЛП радиусом порядка длины волны. Таким образом, зондирующий импульс должен быть чувствителен не только к объектам, гальванически связанным с рельсом, но и к объектам, от рельса электрически изолированным, но находящихся в непосредственной близости от железнодорожного пути (например, стоящий на путях автомобиль).

В структуре поверхностной Е-волны имеется радиальная составляющая электрического поля Ег и незначительная по величине продольная составляющая Е2. Силовые линии магнитного поля в виде замкнутых круговых линий расположены перпендикулярно и симметрично относительно проводника ОЛП. Для ОЛП необходимо применение специальных устройств возбуждения поверхностной волны. Устройство возбуждения поверхностной волны располагается в области сосредоточения энергии электромагнитного поля.

Теоретическое исследование проблемы проводилось путем анализа системы телеграфных уравнений с параметрами, соответствующими желез-

нодорожному пути. Известно выражение для длины I затухания сигнала в линиях зависящее от ряда параметров:

¿=й>(10О0+Я0С0) т]=со2 Ь0 С0-Л0<30 ,

где 10,С0,Д0,С0 - в данном случае удельная индуктивность, емкость, сопротивление, проводимость изоляции рельса относительно грунта на единицу длины бездефектного пути; со - частота сигнала.

Сделаем оценку величины параметров. Полагаем, что Ц=1мкГн/м, Со=10пФ/м. Активное сопротивление 110 вследствие скин - эффекта зависит от частоты.

Для оценок будем полагать:

Яа=г]4со г\Ъсо )

где г - характерный поперечный размер рельса (-10 см), магнитная проницаемость и удельная проводимость стали.

Наиболее сложным является определение величины удельной проводимости. Полагаем, что О0 можно представить в виде:

С„ = 2лка„ 1п — I, 0 « 12 яг)

где к - коэффициент, характеризующий качество контакта рельса с грунтом, <т8 - удельная проводимость грунта, Я - длина волны импульса тока.

Неоднородности линии ведут к частичным отражениям. В рельсе скорость распространения электромагнитного импульса близка к скорости света - 300 м/мкс. Зондирование на километровую дистанцию в этом случае занимает время в пределах 10 мкс. С учётом времени переключения на работу локатора «вперёд» и «назад», будем полагать, что период следования зондирующих импульсов составляет 100 мкс.

Пусть поезд идёт со скоростью 120 км/час (примерно 30 м/с). При периоде генерации зондирующих импульсов в 100 мкс имеется возможность многократного повторения «экспериментов» по исследованию состояния железнодорожного пути как «вперёд», так и «назад». Так, за 1 секунду будет проведено число экспериментов N = 10 000. Статистическая обработка может позволить, используя математические методы обработки сигналов, подавить шум и выделить сигнал от дефекта. Известно, например, что при проведении N экспериментов, погрешности измерения величин уменьшаются обратно пропорционально корню квадратному из N.

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

Таким образом, анализ амплитудно - частотной характеристики отраженного сигнала, может позволить делать заключения о характере дефекта рельсового пути.

Технически генерация зондирующего импульса и регистрация отражённого импульса может быть обеспечена как индукционными, так и емкостными устройствами.

Положительные результаты были получены в контрольных экспериментах по исследованию трансляции электромагнитного импульса в рельсовых направляющих. Получено, в частности, что на частоте 200 МГц длина затухания сигнала 1 = 1000 м. При исследовании отражения сигнала от разрывов рельс, отраженный импульс четко фиксировался.

Отличительной особенностью рельсовых путей является то, что они имеют стыки. Однако рельсовые стыки как правило электрически соединены с помощью специальных накладок и путём пайки, приварки или запрессовки дополнительных соединителей: медных, сталемедных или стальных. Согласно

ГОСТ 9.602-89, увеличение сопротивления рельсовых нитей за счет стыков должно быть не более 20%. Длина плетей бесстыкового (бархатного) пути может составлять 550 - 800 м.

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

Глава 4. Физические принципы работы системы электромагнитного зондирования и ее структурный состав.

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.

ЦЕНТР УПРАВЛЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТЬЮ ДВИЖЕНИЯ

*

Рис.6

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.7)

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

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.8)

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.8

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.9).

Двухэлементный фазированный излучатель

Рис.9

Достигнута надежная фиксация в двух случаях: отраженного сигнала при разломе рельса и отсутствие отраженного сигнала при сходе вагона. (Рис.10,11)

Сход вагона Излом рельса

Рис.10 Рис.11

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.

Структурный состав системы.

• Система должна состоять из двух каналов радиолокатора (по одному на каждый рельс), устройства точного позиционирования (ГЛОНАСС или GPS), блока памяти с картиной «бездефектного пути», и компьютера, обеспечивающего сравнение в реальном режиме времени радиолокационных картин бездефектного пути с контролируемым в данный момент;

• Радиолокатор должен состоять из регулируемого генератора электрических импульсов специальной формы; коммутатора, обеспечивающего поочерёдную трансляцию импульса на каждую приёмо-передающую антенну; синхронизатора, обеспечивающего открытие входа усилителя приёмника на определённый временной интервал, соответствующий времени прихода отражённого сигнала.

• Блок памяти должен обеспечивать введение и хранение параметров отраженных импульсов, соответствующих нормальному состоянию пути.

• Блок питания должен обеспечивать работу системы от стандартных бортовых источников питания.

• Бортовой компьютер системы на основе соответствующего программного обеспечения и с учетом данных по бездефектному пути должен обеспечивать обработку полученной информации с выдачей заключения о степени безопасности маршрута.

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. Дополнительные возможности системы.

Известен так называемый магнитоупругий эффект или эффект Виллари, состоящий в том, что под действием механических напряжений изменяются магнитные свойства тел, в частности, магнитная проницаемость ферромагнитных сталей, в том числе и рельсовых.

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. Зондирование на километровую дистанцию в этом случае (с учётом скорости распространения электромагнитного импульса - 300 м/мкс) занимает время в пределах 10 мкс. С учётом времени переключения на работу локатора «вперёд» и «назад», будем полагать, что период следования зондирующих импульсов составляет 100 мкс. Колесо вагона имеет диаметр 1 метр и, соответственно, длину окружности - примерно 3 м.

Пусть 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.

Таким образом, имеется теоретическая возможность дистанционного мониторинга некоторых дефектов подвижного состава.

Если окажется возможным 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.

Заключение по результатам выполненной работы.

1. Определено место диагностических технологий в отраслевой стратегической программе создания системы прямого управления безопасности движения.

2. Обоснована необходимость повышения уровня безопасности движения путем создания системы идентификации схода подвижного состава, в первую очередь для грузовых вагонов и целостности рельсового пути .

3. Проведен анализ систем диагностического класса, которые в прямую или косвенно идентифицируют сход грузовых вагонов.

4. Исследован бесконтактный метод электромагнитной локации для постоянного контроля наличия контакта колеса с рельсом при движении железнодорожного транспорта.

5. Предложен физический характер построения системы.

6. Применен расчет для определения длины прохождения электромагнитного импульса.

7. Разработана принципиальная схема построения локационной электромагнитной системы контроля схода грузовых вагонов.

8. Разработан метод бесконтактного зондирования рельсов.

9. Применены телеграфные уравнения для расчета длины прохождения зондирующего импульса в рельсах.

10. Исследованы физические принципы работы системы.

11. Обоснован как основной - инструмент локационной диагностики -локальная присоединенная емкость.

12. Разработана структурная схема системы электромагнитного зондирования.

13. Экспериментально доказана возможность мониторирования целостности рельса и наличие контакта в системы «колесо-рельс» в режиме реального времени за счет идентификации наведенной локальной емкости.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Роль диагностических технологий при создании системы прямого управления безопасностью движения. ДЦНТИ г. Нижний Новгород.

2009 г.

2. Бортовые и постовые системы идентификации схода железнодорожных составов. ДЦНТИ г. Нижний Новгород. 2009 г.

3. Электромагнитная локация как новое направление в построении систем динамического мониторинга. ДЦНТИ г. Нижний Новгород.

2010 г.

4. Принципы построения совмещенной локомотивной системы для контроля целостности пути и идентификации схода вагона в составе грузовых поездов. ДЦНТИБ г. Нижний Новгород. 2011 г.

Список использованной литературы

1. Шпади Д.В. Вибродиагностика как базовый инструмент при создании системы идентификации схода вагона с рельсов. ДЦНТИ г. Нижний Новгород. 2008 г.

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

3. Елфимов В.А. Основные технические направления в области, диагностических технологий. ДЦНТИ г. Нижний Новгород. 2008 г.

4. Меркулов В.И.; Мисевич В.Н.; Славинский З.М.; Трошкина Е.И.; Шарадзе О.Х. Патент РФ № 2137633 от 08.09.1998. ДЦНТИ г. Нижний Новгород. 2010 г.

5. Смирнов В.В.; Меркулов В.И.; Мисевич В.Н.; Славинский З.М.; Шарадзе О.Х.; Кулемин В.Н.; Ерилин Е.С.; Спиридонов Э.С. Патент РФ № 2137632 от 08.09.1998.

6. Кудинов Д.С., Шайдуров Г.Я. Способ неразрушающего контроля железнодорожных рельсов в процессе движения подвижного состава и устройство для его осуществления. Патент РФ № 2380259 от 17.11.2008.

7. Э.С. Горкунов, С.Ю. Митропольская, А.Л. Осинцева, Д.И. Вичужанин. «Исследование деформации и оценка напряжений в материалах с упрочнённым поверхностным слоем магнитными методами» Физическая мезомеханика. 12 2 (2009) 95 - 104.

2010294333

2010294333