УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ КОЛЕСНОЙ ПАРЫ ВАГОНА-ПУТЕИЗМЕРИТЕЛЯ ОТНОСИТЕЛЬНО ОСИ РЕЛЬСОВОЙ КОЛЕИ

Полезная модель относится к железнодорожному транспорту, к устройствам технической диагностики рельсового пути и может быть использована в компьютеризированных путеизмерительных вагонах-лабораториях.
Известно устройство для технической диагностики рельсового пути (патент РФ №2066646, М. КЛ.6: В 61 К 9/08; Е 01 В 35/00, 35/04, опубликованный в бюл. №26, 1996 г.), содержащее генератор высокой частоты, коммутатор, вихретоковый преобразователь, состоящий из двух пар идентичных катушек индуктивности, размещенных в параллельных накладных плоскостях ортогонально друг относительно друга, четыре амплитудных детектора, четыре компенсатора напряжений, три сумматора, шесть вычитателей, биополярный детектор, семь масштабных усилителей, двухканальный пиковый детектор, формирователь импульса обнуления и два блока памяти, при этом выходы второго, четвертого, пятого и седьмого усилителей и шестого вычитателя являются информационными выходами устройства. Данное устройство, предназначенное для бесконтактного контроля геометрического положения нити рельсового пути, зазоров стыковых соединениях и диагностики головки рельса, принято за прототип.
При всех достоинствах известного устройства следует отметить его ограниченные функциональные возможности по определению ширины колеи и измерению смещения оси колесной пары вагона-путеизмерителя относительно оси рельсовой колеи.
Поставленный технический результат достигается тем, что устройство для определения положения колесной пары вагона-путеизмерителя
относительно оси рельсовой колеи, содержащее автогенератор, вихретоковый преобразователь и блок обработки данных, включает в себя два первичных вихретоковых преобразователя, каждый из которых включает в себя автогенератор, обмотку возбуждения и по две измерительные обмотки, два идентичных измерительных канала, каждый из которых содержит соответственно последовательно соединенные блок согласования, смеситель и операционный усилитель, при этом один выход каждого из автогенераторов соответствующего первичного вихретокового преобразователя соединен с обмоткой возбуждения соответствующего первичного вихретокового преобразователя, а другой выход каждого из автогенераторов подключен к одному из входов смесителя соответствующего измерительного канала, выходы каждой из двух встречно включенных измерительных обмоток каждого соответствующего первичного вихретокового преобразователя связаны с входом соответствующего блока согласования, выход соответствующего блока согласования подключен к второму входу соответствующего смесителя, выход соответствующего смесителя связан с входом соответствующего операционного усилителя, выходы операционных усилителей соответствующих измерительных каналов подключены к блоку обработки данных. Каждая из обмоток возбуждения соответствующего первичного вихретокового преобразователя выполнена в виде одного или нескольких витков из токопроводящего материала, например, из алюминиевой шины, и расположена в плоскости, ортогональной плоскости, проходящей через вершины головок рельсов. Измерительные обмотки каждого из первичного вихретокового преобразователя расположены в плоскости, ортогональной к плоскости, в которой расположена обмотка возбуждения, в плоскости ее нижних витков и симметрично относительно оси симметрии обмотки возбуждения.
на фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого устройства;
на фиг.2 представлена топология выполнения измерительных обмоток 7, 8 первичного вихретокового преобразователя 1 и измерительных обмоток 9, 10 первичного вихретогового преобразователя 2;
на фиг.3 представлено одно из положений колесной пары вагона-путеизмерителя относительно рельс железнодорожного пути;
на фиг.4 представлено взаимное расположение обмотки возбуждения 5 или 6 одного из первичных вихретоковых преобразователей (1 или 2, фиг.1) относительно его измерительных обмоток (7, 8 или 9, 10 фиг.1) и относительно соответствующей рельсовой колеи;
на фиг.5 представлены экспериментально полученные зависимости выходных сигналов идентичных измерительных каналов от величины поперечного разбега n и от высоты подвеса h первичных вихретоковых преобразователей над рельсами колеи;
на фиг.6 представлена зависимость коэффициента преобразования к первичного вихретокового преобразователя ль высоты подвеса h последнего над рельсом соответствующей колеи;
на фиг.7 представлен вариант симметричного расположения первичных вихретоковых преобразователей 1, 2 относительно рельсовых нитей, над которыми они соответственно установлены при условии, что ширина колеи соответствует норме;
на фиг.8 представлен вариант смещения осей симметрии первичных вихретоковых преобразователей 1 и 2, обусловленный сдвигом в левую сторону колесной пары в варианте фиг.7 на величину поперечного разбега δ/2;
на фиг.9 представлен вариант смещения осей симметрии первичных вихретоковых преобразователей 1 и 2, обусловленный сдвигом в правую сторону колесной пары в варианте фиг.7 на величину поперечного разбега δ/2;
на фиг.10 представлен вариант симметричного расположения первичных вихретоковых преобразователей 1 и 2 относительно рельсовых нитей, над которыми они соответственно установлены при условии, что ширина колеи увеличена на 2γ;
на фиг.11 представлен вариант смещения осей симметрии для первичных вихертоковых преобразователей 1 и 2, обусловленный сдвигом в левую сторону колесной пары в варианте фиг.10 на величину поперечного разбега δ/2;
на фиг.12 представлен вариант смещения осей симметрии для первичных вихретоковых преобразователей 1 и 2, обусловленный сдвигом в правую сторону колесной пары в варианте фиг.10 на величину поперечного разбега δ/2;
на фиг.13 представлен вариант симметричного расположения первичных вихретоковых преобразователей 1 и 2 относительно рельсовых нитей, над которыми они соответственно установлены при условии, что ширина колеи уменьшена на величину 2σ;
на фиг.14 представлен вариант смещения осей симметрии для первичных вихретоковых преобразователей 1 и 2, обусловленный сдвигом в левую сторону колесной пары в варианте фиг.13 на величину поперечного разбега δ/2;
на фиг.15 представлен вариант смещения осей симметрии для первичных вихретоковых преобразователей 1 и 2, обусловленный сдвигом в правую сторону колесной пары в варианте фиг.13 на величину поперечного разбега δ/2.
Устройство для определения положения колесной пары вагона-путеизмерителя относительно оси рельсовой колеи содержит (фиг.1) два первичных вихретоковых преобразователя 1 и 2, каждый из которых включает в себя соответсвенно автогенератор 3 и 4, обмотку возбуждения 5 и 6 и по две измерительные обмотки 7, 8 и 9, 10. В устройство также введен
блок обработки данных 11 и два идентичных измерительных канала, каждый из которых содержит соответственно последовательно соединенные между собой блок согласования 12, 13, смеситель 14, 15 и операционный усилитель 16, 17. При этом один из выходов каждого автогенератора 3 и 4 подключен к соответствующей обмотке возбуждения 5 и 6 каждого из первичных вихретоковых преобразователей соответственно 1 и 2 (фиг.1). А каждый второй выход соответствующего автогенератора 3 и 4 подключен к одному входу соответствующего смесителя 14 и 15.
Выходы измерительных обмоток 7 и 8 первичного вихретокового преобразователя 1, включенных встречно (фиг.1), соединены с входом блока согласования 12, а выходы измерительных обмоток 9 и 10 первичного вихретокового преобразователя 2, так же включенных встречно, соединены с входом блока согласования 13.
В качестве блоков согласования 12 и 13 могут быть использованы, например, трансформаторы.
Выходы блоков согласования 12 и 13 соединены соответственно с другими входами смесителей 14 и 15, выходы которых подключены к входам соответствующих операционных усилителей 16 и 17. Выходы усилителей 16 и 17 соединены с входами блока обработки данных 11.
Каждая из обмоток возбуждения 5 и 6 соответствующего первичного вихретокового преобразователя 1 и 2 (фиг.1) выполнена из одного или нескольких витков токопроводящего материала. На фиг.4 показано размещение обмотки возбуждения 5 (или 6) относительно контролируемого рельса и относительно измерительных обмоток 7, 8 (или 9, 10).
На фиг.4 показано выполнение обмоток возбуждения 5 или 6 первичного вихретокового преобразователя 1 или 2 из двух витков алюминиевой шины. При этом витки обмотки возбуждения включены между собой последовательно и согласно.
С целью увеличения добротности частотозадающего контура автогенераторов 3 и 4 целесообразно их трансформаторы размещать непосредственно на шинах обмоток возбуждения 5 и 6 первичных вихретоковых преобразователей 1 и 2.
Работает устройство следующим образом. Автогенератор 3 первичного вихретокового преобразователя 1 питает обмотку возбуждения 5 током высокой частоты (порядка 250 кГц). Эта обмотка размещена продольно (см. фиг 4) над рельсом одной из нитей железнодорожного пути. Аналогично можно сказать относительно автогенератора 4 и обмотки возбуждения 6 первичного вихретокового преобразователя 2. Его обмотка возбуждения аналогичным образом располагается над другой рельсовой нитью и по наугольнику относительно обмотки возбуждения 5 (см. фиг.1, 4). В окрестности обмоток возбуждения 5, 6 образуется электромагнитное поле, картина которого зависит от взаимного расположения обмоток возбуждения 5, 6 относительно рельс соответствующей колеи и других токопроводящих элементов объектов железнодорожного пути. В измерительных обмотках 7, 8 под воздействием электромагнитного поля обмотки возбуждения 5 наводятся э.д.с. То же самое можно сказать и о наводимых э.д.с. в измерительных обмотках 9, 10 под воздействием электромагнитного поля обмотки возбуждения 6. Поскольку измерительные обмотки 7, 8 располагаются симметрично относительно обмотки возбуждения 5 и включены между собой встречно, то при выполнении условий симметрии расположения обмотки возбуждения 5 относительно рельса соответствующей колеи, над которой установлен первичный вихретоковый преобразователь, наводимые э.д.с. в обмотках 7, 8 будут взаимно компенсированы и выходной сигнал операционного усилителя 16 (см. фиг.1) будет близок к нулевому значению. Аналогичное утверждение справедливо и для измерительных обмоток 9, 10 обмотки возбуждения 6 первичного вихретокового преобразователя 2 и выходного сигнала операционного усилителя 17. Сказанное действительно в
условиях отсутствия причин, вызывающих нарушение симметрии взаимного расположения первичных преобразователей 1, 2 относительно рельсовой колеи, над которой расположен соответствующий первичный вихретоковый преобразователь. Нарушение симметрии может быть обусловлено следующими причинами:
1) изменением положения осевой линии колесной пары относительно оси рельсовой колеи за счет поперечного разбега;
2) изменением ширины рельсовой колеи;
3) боковым износом рельс;
4) наличием таких объектов железнодорожного пути, как стрелочные переводы, пересечения, крестовины, контррельсы и т.п.;
5) наличием километровых отметок в виде упорок.
На фиг.5 представлены зависимости показаний выходных сигналов идентичных измерительных каналов первичных вихретоковых преобразователей от величины поперечного разбега и от высоты h их подвеса над соответствующими рельсами. Как видно, эти зависимости носят практически линейный характер.
На фиг.6 представлена зависимость коэффициента преобразования к первичного вихретокового преобразователя от высоты подвеса h. Отсюда видно. Что при высоте подвеса порядка h=50÷60 мм коэффициент преобразования можно принять постоянным и равным 0,5.
На фиг.7 представлен вариант симметричного расположения первичных преобразователей 1 и 2 относительно рельсовых нитей, над которыми они соответственно установлены. При этом предполагается, что ширина колеи соответствует норме и отсутствует боковой износ рельс.
На фиг.8 представлен вариант смещения осей симметрии для первичных вихретоковых преобразователей 1, 2, обусловленный сдвигом в левую сторону колесной пары в варианте фиг.7 на величину поперечного разбега δ/2. Поскольку колеса жестко посажены на ось и с учетом симметрии,
1
2
показанной на фиг.7, смещения осей симметрии для преобразователей 1 и 2 на фиг.8 одинаковы по величине и знаку. Это смещение отмечено штриховкой. Учитывая линейность измерительных каналов (фиг.5, 6) вихретоковых преобразователей 1, 2, можно считать, что выходные напряжения u и uиз измерительных каналов для преобразователей 1, 2 пропорциональны величине смещения соответствующих осей симметрии.
Таблица 1.
Движение вагона
По оси
Сдвиг влево
Сдвиг вправо
Состояние колеи
u<sub>1</sub>≈0
u<sub>1</sub>=кδ/2
u<sub>1</sub>=-кδ/2
1
Норма
u<sub>2</sub>≈0
u<sub>2</sub>=кδ/2
u<sub>2</sub>=-кδ/2
u<sub>1</sub>+u<sub>2</sub>=кδ
u<sub>1</sub>+u<sub>2</sub>=-кδ
u<sub>1</sub>-u<sub>2</sub>=0
u<sub>1</sub>-u<sub>2</sub>=0
u<sub>1</sub>=кγ
u<sub>1</sub>=к(δ/2+γ)
u<sub>1</sub>=к(γ-δ/2)
2
Уширение
u<sub>2</sub>=-кγ
u<sub>2</sub>=к(δ/2-γ)
u<sub>2</sub>=к(γ+δ/2)
u<sub>1</sub>+u<sub>2</sub>=0
u<sub>1</sub>+u<sub>2</sub>=кδ
u<sub>1</sub>+u<sub>2</sub>=-кδ
u<sub>1</sub>-u<sub>2</sub>=2кγ
u<sub>1</sub>-u<sub>2</sub>=2кγ
u<sub>1</sub>-u<sub>2</sub>=2кγ
u<sub>1</sub>=кσ
u<sub>1</sub>=-к(δ/2+σ)
u<sub>1</sub>=-к(δ/2+γ)
3
Сужение
u<sub>2</sub>=кσ
u<sub>2</sub>=к(δ/2+σ)
u<sub>2</sub>=к(γ-δ/2)
u<sub>1</sub>+u<sub>2</sub>=0
u<sub>1</sub>+u<sub>2</sub>=кδ
u<sub>1</sub>+u<sub>2</sub>=кσ
u<sub>1</sub>-u<sub>2</sub>=-2кσ
u<sub>1</sub>-u<sub>2</sub>=-2кσ
u<sub>1</sub>-u<sub>2</sub>=-2кσ
1
2
На фиг.9 представлен вариант смещения осей симметрии для первичных вихретоковых преобразователей 1, 2, обусловленный сдвигом колесной пары в варианте фиг.7 в правую сторону на величину бокового разбега δ/2. При этом выходные напряжения u и u измерительных каналов преобразователей 1, 2 изменяют свой знак, оставаясь теми же по величине, что и для фиг.8.
На фиг.10 представлен вариант симметричного расположения первичных вихретоковых преобразователей 1 и 2 относительно рельсовых нитей, над которыми они соответственно установлены. При этом предполагается, что ширина колеи увеличена на 2γ.
На фиг.11 представлен вариант смещения осей симметрии для первичных вихретоковых преобразователей 1, 2, обусловленный сдвигом колесной пары в варианте фиг.13 влево на величину поперечного разбега δ/2. Соответствующие величины смещения осей симметрии для вихретоковых преобразователей 1, 2 показаны на фиг.11 штриховкой.
1
2
На фиг.12 представлен вариант смещения осей симметрии для первичных вихретоковых преобразователей 1, 2, обусловленный сдвигом колесной пары в варианте 10 в правую сторону на величину бокового разбега δ/2. Величина смещения осей симметрии для преобразователей 1, 2 показаны на фиг.12 штриховкой, а выражения для напряжений u и u, соответствующие данному варианту смещения, представлены в строке 2 таблицы 1.
На фиг.13 представлен вариант симметричного расположения первичных вихретоковых преобразователей 1, 2 относительно рельсовых нитей, над которыми они соответственно расположены. При этом предполагается, что ширина колеи уменьшена на величину 2σ.
1
2
На фиг.14 представлен вариант смещения осей симметрии для первичных вихретоковых преобразователей 1, 2, обусловленный сдвигом в левую сторону колесной пары в варианте фиг.13 на величину бокового разбега δ/2. Величины смещения осей симметрии для преобразователей 1, 2, вызванные этим сдвигом, отмечены на фиг.14 штриховкой, а выражения для величин выходных напряжений u и u указаны в строке 3 таблицы 1.
1
2
На фиг.15 представлен вариант смещения осей симметрии для первичных вихретоковых преобразователей 1, 2, обусловленный сдвигом в правую сторону колесной пары в варианте фиг.13 на величину бокового разбега δ/2. Величины смещения осей симметрии для преобразователей 1, 2, вызванные этим сдвигом, отмечены на фиг.15 соответствующей штриховкой, а выражения для определения величин выходных напряжений u и u указаны в строке 3 таблицы 1.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
В таблице 1 представлены также выражения для суммы (u+u) и разности (u-u) напряжений u и u, соответствующих всем рассмотренным вариантам фиг.7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 и 15. Анализ данных таблицы 1 позволяет заключить, что совокупность значений u, u, (u+u), (u-u) однозначно характеризует состояние рельсовой колеи и положение колесной пары относительно оси рельсовой колеи.
Боковой износ влияет таким же образом, как и соответствующее изменение ширины колеи и может быть оценен в процессе сравнения результатов проездов вагона-путеизмерителя.
Влияние токопроводящих элементов конструкции таких объектов железнодорожного пути, как стрелочных переводов, переездов, крестовин, контррельсов, носят быстропеременный характер и поэтому заметно отличается от влияния на нарушение симметрии, обусловленные состоянием колеи и положением колесной пары относительно оси рельсовой колеи.