УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ РЕЛЬСОВОГО ПУТИ

Полезная модель относится к области железнодорожного транспорта и предназначена для контроля и оценки состояния железнодорожных путей.
Известно устройство для определения исправности рельсового пути которое установлено на путевой машине с опорными рельсовыми тележками и содержит шарнирно закрепленные на измерительных тележках по обе стороны от нагрузочного приспособления лазерные излучатели и фотоприемник, установленный на подвижной части нагрузочного приспособления. (Авт. св. СССР N 1796514, В61К 9/08, 1993).
Недостатком устройства является повышенный износ измерительного оборудования и малая скорость движения путевой машины (около 40 км/ч), так как метод контроля состояния рельсового пути, используемый в описываемом устройстве, относится к контактным методам измерения, при этом измеряются только просадки рельсовых нитей (прогиб).
Известно устройство для контроля состояния рельсового пути, содержащее два датчика вертикальных ускорений букс, установленных на корпусах букс одной из колесных пар в некотловой части вагона-путеизмерителя, два бесконтактных датчика оптического диапазона длин волн измерения вертикальных и горизонтальных перемещений головок рельсов относительно кузова, установленные на наружной поверхности днища вагона-путеизмерителя, два бесконтактных датчика оптического диапазона длин волн измерения ширины колеи, установленные на неподрессоренной раме колесной тележки в некотловой части вагона-путеизмерителя, два датчика вертикальных перемещений букс относительно кузова, установленные на кузове вагона-путеизмерителя над буксами колесной пары в его некотловой части, датчик пройденного пути, установленный на корпусе одной из букс измерительной колесной пары, и установленный на борту вагона-путеизмерителя контрольно-вычислительный комплекс, включающий персональную электронно-вычислительную машину (ПЭВМ). (Патент РФ N 2074829, В61К 9/08, Е01В 35/00, 1997).
Устройство по патенту РФ N 2074829 по общности решаемых задач и функционально-конструктивному выполнению наиболее близко к предлагаемому изобретению и выбрано в качестве прототипа.
Недостатком известного устройства контроля состояния рельсового пути является недостаточная точность и достоверность контроля, так как измеряют только отклонения геометрических параметров рельсового пути от заданных, при этом число и вид измеряемых отклонений определяется количеством датчиков и размещением их на вагоне-путеизмерителе, а также наличие методической ошибки за счет малой жесткости вагона-путеизмерителя при контроле параметров рельсового пути с расположением датчиков на длинной базе.
Кроме того, недостатком устройства является синхронный съем информации с датчиков, которые по принципу своего действия являются асинхронными, вследствие чего происходит периодический набег фазовой ошибки.
Техническим результатом, который достигается в заявленной полезной модели, является создание устройства контроля состояния рельсового, позволяющего при движении вагона-путеизмерителя со скоростью до 250 км/ч измерить с высокой точностью и достоверностью истинные геометрические параметры пути и вычислить не только принятую в настоящее время совокупность частных производных - отклонений геометрических параметров рельсового пути от заданных - просадки, рихтовки, уровни и т.д., но и более совершенные комплексные характеристики динамического взаимодействия рельсового пути и подвижного состава.
Технический результат достигается тем, что устройство для контроля состояния рельсового пути, содержит два датчика вертикальных ускорений букс, установленных на корпусах букс одной из колесных пар в некотловой части вагона-путеизмерителя, два бесконтактных датчика оптического диапазона длин волн измерения вертикальных и горизонтальных перемещений головок рельсов относительно кузова, установленных на наружной поверхности днища вагона-путеизмерителя, два бесконтактных датчика оптического диапазона длин волн измерения ширины колеи, установленных на неподрессоренной раме колесной тележки в некотловой части вагона-путеизмерителя, два датчика вертикальных перемещений букс относительно кузова, установленных на кузове вагона-путеизмерителя над буксами колесной пары в его некотловой части, датчик пройденного пути, установленного на корпусе одной из букс измерительной колесной пары. Также на борту вагона-путеизмерителя установлен контрольно-вычислительный комплекс, включающий персональную электронно-вычислительную машину (ПЭВМ), введены бесплатформенная инерциальная навигационная система, установленная в некотловой части вагона-путеизмерителя, спутниковая навигационная система и пульт регистрации путевых событий. В контрольно-вычислительный комплекс введены первый и второй контроллеры, контроллер вычисления параметров пути, блок текущего времени, блок данных результатов контроля, принтер и пульт оператора.
При этом первый и второй датчики вертикальных ускорений букс подключены соответственно к первому и второму входам первого контроллера, первый и второй бесконтактные датчики оптического диапазона волн измерения вертикальных и горизонтальных перемещений головок рельсов относительно кузова подключены соответственно к третьему и четвертому входам первого контроллера, первый и второй бесконтактные датчики оптического диапазона длин волн измерения ширины колеи подключены соответственно к пятому и шестому входам первого контроллера, первый и второй датчики вертикальных перемещений букс относительно кузова подключены соответственно к седьмому и восьмому входам первого контроллера, датчик пройденного пути подключен к первому входу ПЭВМ, вход и выход бесплатформенной инерциальной навигационной системы соединены соответственно с первым выходом и с первым входом второго контроллера, второй вход и второй выход которого соединены соответственно с выходом и входом пульта регистрации путевых событий, спутниковая навигационная система подключена к третьему входу второго контроллера, выход блока текущего времени соединен с вторым входом ПЭВМ и с четвертым входом второго контроллера, второй выход ПЭВМ соединен с девятым входом первого контроллера и с пятым входом второго контроллера, первые входы-выходы ПЭВМ, входы-выходы первого и второго контроллеров соединены с входами-выходами контроллера вычисления параметров пути, вторые и третьи входы-выходы ПЭВМ соединены соответственно с входами-выходами блока данных результатов контроля и с входами-выходами пульта оператора, второй выход ПЭВМ подключен к принтеру.
На чертежах, поясняющих работу устройства, изображено:
на фиг.1 - схема устройства для контроля состояния рельсового пути;
на фиг.2 - размещение в плане бесплатформенной инерциальной навигационной системы (БИНС) и датчиков;
на фиг.3 - размещение в поперечной плоскости БИНС и датчиков РК 1 и РК 2;
на фиг.4 - размещение в поперечной плоскости БИНС и датчиков БК 1, БК 2, ШК 1 и ШК 2;
на фиг.5 - иллюстрация вычисления величины просадки левого рельса вагона-путеизмерителя (ВПИ) на стоянке;
на фиг.6 - иллюстрация вычисления величины просадки левого рельса в движении ВПИ.
Устройство для контроля состояния рельсового пути (фиг.1) размещено на вагоне-путеизмерителе (ВПИ) и содержит два датчика 1 вертикальных ускорений букс (ВУБ), два бесконтактных датчика 2 оптического диапазона длин волн измерения вертикальных и горизонтальных перемещений головок рельсов относительно кузова (РК), два бесконтактных датчика 3 оптического диапазона длин волн измерения ширины колеи (ШК), два датчика 4 вертикальных перемещений букс относительно кузова (БК) и датчик 5 пройденного пути (ДПП), персональную электронно-вычислительную машину (ПЭВМ) 6, бесплатформенную инерциальную навигационную систему (БИНС) 7, спутниковую навигационную систему (СНС) 8, пульт регистрации путевых событий 9, первый и второй контроллеры 10 и 11, контроллер 12 вычисления параметров пути (КВПП), блок 13 текущего времени (БТВ), блок 14 данных результатов контроля (БДРК), принтер 15 и пульт 16 оператора.
ПЭВМ 6, контроллеры 10 и 11, КВПП 12, БТВ 13, БДРК 14, принтер 15 и пульт 16 оператора входят в состав контрольно-вычислительного комплекса.
В устройстве для контроля состояния рельсового пути (фиг.1) два датчика 1 ВУБ установлены на корпусах букс одной из колесных пар в некотловой части ВПИ, два датчика 2 РК установлены на наружной поверхности днища ВПИ, два датчика 3 ШК установлены на неподрессоренной раме колесной тележки в некотловой части ВПИ, два датчика 4 БК и датчик 5 ДПП установлены на кузове вагона-путеизмерителя над буксами колесной пары в его некотловой части.
Контрольно-вычислительный комплекс установлен на борту ВПИ, который включает ПЭВМ 6, контроллеры 10, 11, КВПП 12, БТВ 13, БДРК 14, принтер 15 и пульт 16 оператора.
Первый и второй датчики 1 ВУБ подключены соответственно к первому и второму входам первого контроллера 10, первый и второй датчики 2 РК подключены соответственно к третьему и четвертому входам контроллера 10, первый и второй датчики 3 ШК подключены соответственно к пятому и шестому входам контроллера 10, первый и второй датчики 4 БК подключены соответственно к седьмому и восьмому входам контроллера 10, датчик 5 ДПП подключен к первому входу ПЭВМ 6, вход и выход БИНС 7 соединены соответственно с первым выходом и с первым входом контроллера 11, второй вход и второй выход которого соединены соответственно с выходом и входом пульта регистрации путевых событий.
СНС 8 подключена к третьему входу контроллера 11, выход БТВ 13 соединен с вторым входом ПЭВМ 6 и с четвертым входом контроллера 11, второй выход ПЭВМ 6 соединен с девятым входом контроллера 10 и с пятым входом контроллера 11.
Первые входы-выходы ПЭВМ 6, входы-выходы контроллеров 10 и 11 соединены с входами-выходами КВПП 12, вторые и третьи входы-выходы ПЭВМ 6 соединены соответственно с входами-выходами БДРК 14 и с входами-выходами пульта 16 оператора. Второй выход ПЭВМ 6 подключен к принтеру 15.
Устройство для контроля состояния рельсового пути работает следующим способом:
определяют географические координаты места старта ВПИ по данным СНС 8;
запоминают их совместно с априорным значением высоты места старта над уровнем моря;
производят предстартовую калибровку датчиков измерения параметров радиусов-векторов от фокусов датчиков до точек, лежащих на верхних и внутренних боковых поверхностях головок левого 17 и правого 18 рельсов;
запоминают данные калибровки;
в процессе движения вагона-путеизмерителя циклически измеряют в реальном масштабе времени текущие значения пройденного пути, текущие значения силовых факторов динамического взаимодействия подвижного состава и рельсового пути, текущие значения высоты неровностей на поверхности катания рельсов 17 и 18, текущие значения параметров радиусов-векторов, текущие значения углов ориентации вагона-путеизмерителя в географической системе координат и ускорений в направлении осей связанной системы координат ВПИ;
регистрируют в процессе движения ВПИ факты прохождения путевых отметок, например, мостов, километровых отметок, стрелок и т.п.;
привязывают факты прохождения путевых отметок к текущему значению пройденного пути;
запоминают привязанные значения;
циклически измеряют в реальном времени текущие значения географических координат;
запоминают полученные текущие значения;
экстраполируют на момент выдачи текущие значения;
запоминают экстраполированные данные;
каждое экстраполированное текущее значение индивидуально привязывают к текущему значению пройденного пути;
при необходимости изменяют интервал квантования пройденного пути по критерию "точность-достоверность";
каждое экстраполированное текущее значение ускорения индивидуально привязывают дополнительно к текущему значению времени;
запоминают привязанные текущие значения;
обрабатывают привязанные текущие значения в квазиреальном масштабе времени методами интерполяции и экстраполяции, преобразуя их в последовательность блоков данных, приведенных к вертикальной плоскости, которой принадлежат начало связанной системы координат рельсового пути и ось измерительной колесной пары, и привязанных к последовательности директивных отрезков пути, пройденных этой осью;
преобразовывают последовательность блоков данных в последовательность блоков координат положения ВПИ в инерциальном пространстве, совместив начало связанной системы координат с фокусом БИНС 7;
преобразовывают последовательность блоков данных в последовательность блоков координат в связанной системе координат рельсового пути, определяя положение верхних и внутренних боковых поверхностей головок рельсов 17 и 18 в пространстве;
вычисляют комплекс геометрических параметров рельсового пути, используя полученные координаты положения в пространстве ВПИ и координаты верхних и внутренних боковых поверхностей головок рельсов 17 и 18;
производят анализ состояния рельсового пути и его оценку;
запоминают полученные результаты;
в нереальном времени откорректировать результаты измерений по данным, полученным от СНС 8 и меткам, полученным от пульта отметок путевых событий 9.
Суть способа контроля состояния рельсового пути, используемого в предлагаемом устройстве, заключается в определении положения в инерциальном пространстве последовательности точек директивных, протяженных в направлении движения ВПИ кривых, принадлежащих контролируемым поверхностям головок рельсов 17 и 18, вычислении комплекса геометрических параметров рельсового пути, измерении силовых факторов динамического взаимодействия подвижного состава и рельсового пути, измерении высоты неровностей на поверхности катания головок рельсов 17 и 18, анализ и оценка состояния рельсового пути, протоколировании результатов контроля и коррекции результатов измерений в нереальном времени.
Для понимания способа, используемого в предлагаемом устройстве, рассмотрим взаимодействие бесплатформенной инерциальной навигационной системы (БИНС) 7, двух датчиков измерения расстояний от некоторых фиксированных точек кузова до верхних и внутренних боковых поверхностей каждого из рельсов (РК 1, РК 2) 2.1 и 2.2, двух акселерометров для измерения текущих значений вертикальных ускорений каждого из корпусов букс колесной пары (ВУБ 1, ВУБ 2) 1.1 и 1.2 и контрольно-вычислительного комплекса с комплектом программного математического обеспечения.
Указанные БИНС 7 и датчики размещаются вблизи колесных пар тележки некотловой части ВПИ, как показано на фиг.2 и 3, и имеют точностные характеристики и производительность, достаточные для осуществления поставленной задачи.
Из всех возможных систем координат выбрана комбинация из трех систем координат: географической (широта, долгота и высота над уровнем моря), связанной системы координат ВПИ, начало которой помещено в точку фокуса БИНС 7, и связанной системы координат рельсового пути, начало координат которой лежит на середине отрезка касательной к поверхностям катания левого 17 и правого 18 рельсов горизонтального идеального пути и находится в вертикальной плоскости, проходящей через ось измерительной колесной пары, а оси параллельны осям географической системы координат места. Такая комбинация систем координат является оптимальной.
Перед началом движения ВПИ определяют и запоминают географические координаты и высоту над уровнем моря места старта, уточняют и запоминают исходные калибровочные значения параметров постоянных C1, C2 (фиг.3) и переменных R1…R4 радиусов-векторов, связывающих фокусы приборов с контролируемыми поверхностями рельсов.
Взаимодействие БИНС 7 и датчиков рассмотрим на примере контроля геометрии поверхности катания левого 17 рельса (фиг.5 и 6).
Геометрическая сумма векторов V1+V2+V3+V4=0. Если при калибровке ВПИ стоит на горизонтальном участке пути, то вектор V4 горизонтален и его проекция на вертикаль равна 0.
В процессе движения ВПИ начало ″О″ связанной системы координат рельсового пути перемещается по траектории 19 пути в точку ″О′″ (фиг.6). Если, например, в данном месте существует просадка левого 17 рельса, то она численно равна d - проекции вектора V4 на вертикаль места.
Способ предполагает асинхронный съем информации с БИНС 7 и датчиков с экстраполяцией текущих значений на момент выдачи и индивидуальной привязкой экстраполированных данных к текущим значениям пройденного пути и времени. Оптимизация пакетов данных и введение изменяемого в процессе вычислений интервала квантования пройденного пути обеспечивает высокую точность измерений и возможность установки датчиков, фазовые и временные характеристики которых неидентичны. Последующая привязка асинхронных данных к директивным отрезкам пройденного пути позволяет производить вычисление параметров рельсового пути и анализ его состояния в квазиреальном времени как по стандартным, так и по специальным методикам. Коррекция результатов измерений по данным СНС 8 и отметкам пульта отметок путевых событий 9 производится в нереальном времени.
Устройство для контроля состояния рельсового пути работает следующим образом.
С пульта 16 оператора вводят в БИНС 7 через контроллер 11 географические координаты и высоту над уровнем моря места старта. Географические координаты места старта либо вычисляются СНС 8, либо берутся, как и высота над уровнем моря, из априорных данных. Получив, запомнив и обработав данные привязки к местности, БИНС 7 переходит в режим измерения.
Перед началом движения ВПИ производят предстартовую калибровку комплекса на участке рельсового пути, геометрические параметры которого известны. Калибровочные параметры запоминают.
В процессе движения датчики 1 ВУБ формируют в реальном времени сигналы, текущие значения которых пропорциональны проекции действующих ускорений в системе ″поверхность катания - колесо″ на вертикаль, лежащую в плоскости вращения колеса. Сигналы с выхода датчиков 1 ВУБ имеют полосу до 20 кГц, они поступают на соответствующий вход контроллера 10, где преобразуются в цифровую форму и привязываются на момент поступления к текущим значениям пройденного пути.
Пройденный путь измеряют в реальном времени с помощью датчика 5 ДПП, установленного на корпусе одной из букс измерительной колесной пары, с которой кинематически связан его входной вал. Датчик 5 ДПП формирует последовательность импульсов, частота следования которых пропорциональна скорости движения ВПИ, а также потенциальный сигнал направления движения. Сигналы с датчика 5 ДПП поступают на ПЭВМ 6, где масштабируются уменьшением частоты следования импульсов с целью оптимизации измерительно-вычислительного процесса по критерию ″точность - достоверность″. Далее масштабированные импульсы датчика 5 ДПП поступают на соответствующие входы контроллеров 10 и 11, которые синхронно подсчитывают число поступивших импульсов и формируют код пройденного пути с учетом направления движения.
Датчики измерения расстояний 2.1 и 2.2 РК, 3.1 и 3.2 ШК и 4.1 и 4.2 БК до соответствующих поверхностей головок рельсов циклически, асинхронно по отношению друг к другу, БИНС 7 и ДПП 5, формируют в реальном времени информационные посылки с текущими значениями параметров соответствующих радиусов-векторов R1…R8 (фиг.3, 4), которые экстраполированы на момент выдачи. Частота следования посылок может достигать 1,25 кГц. Информационные посылки от датчиков измерений расстояний 2.1 и 2.2 РК, 3.1 и 3.2 ШК и 4.1 и 4.2 БК поступают на соответствующие входы контроллера 10, где каждая из посылок индивидуально привязывается к текущему значению пройденного пути и запоминается.
БИНС 7 содержит три датчика угла, выполненных в виде лазерных гироскопов, и три датчика линейных ускорений. Оси чувствительности датчиков расположены вдоль соответствующих осей связанной системы координат, начало которой является фокусом БИНС 7. Микроконтроллер, входящий в состав БИНС 7, преобразует аналоговые сигналы датчиков в цифровую форму, а так же вычисляет производные параметры.
Информация из БИНС 7 выдается в реальном времени в контроллер 11 циклически с частотой до 250 Гц в виде текущих значений вычисленных (экстраполированных) на момент выдачи навигационных параметров движения ВПИ в связанной системе координат (х, у, z): углы азимута, крена и тангажа, продольное, поперечное и нормальное ускорения вдоль соответствующих осей, широту, долготу и высоту места, скорость движения. Контроллер 11 принимает данные от БИНС 7, причем каждое принятое текущее значение привязывается на момент поступления к текущему значению пройденного пути, а текущие значения ускорений привязываются дополнительно к текущему значению времени. Текущие значения времени формируются БТВ 13, они поступают на контроллер 11 и ПЭВМ 6. Привязанные значения запоминаются.
Текущие значения географических координат (широта и долгота места) поступают от СНС 8 на контроллер 11, где привязываются на момент поступления к текущим значениям пройденного пути и времени.
Оператор, обслуживающий пульт отметок путевых событий 9, в процессе движения ВПИ вводит сигналы о прохождении какого-то события (километровой отметки, стрелки, моста и т.п.), например, нажимая на соответствующую кнопку, расположенную на пульте. Таким образом, при прохождении очередного путевого события, формируется сигнал идентификации, который передается в контроллер 11, где привязывается на момент поступления к текущему значению пройденного пути.
В процессе приема данных контроллеры 10 и 11 формируют информационные пакеты данных, привязанных к текущим значениям пройденного пути и времени, которые в квазиреальном времени и произвольном порядке поступают по сети в два адреса: в ПЭВМ 6, для запоминания в БДРК 14 в качестве исходной информации, и в КВПП 12 - для последующей обработки. В пределах одного пакета данные оптимизированы (исключены повторяющиеся и маловероятные значения) и размещены в порядке поступления. ПЭВМ 6 предотвращает переполнение буферов КВПП 12, по требованию последнего уменьшая частоту следования импульсов от ДПП 5, транслируемых контроллерам 10 и 11, исключая таким образом потерю данных ценой временного понижения точности привязки к текущему значению пройденного пути. По мере освобождения буферов заданная точность привязки восстанавливается. Таким образом реализуется механизм изменения интервала квантования пройденного пути по критерию ″точность-достоверность″.
КВПП 12 в квазиреальном времени принимает и обрабатывает методами интерполяции и экстраполяции пакеты исходных данных, приводя их к последовательности блоков данных, привязанных к последовательности директивных отрезков пути (например, 0,25 м), пройденных осью измерительной колесной пары с учетом размещения относительно нее датчиков измерения расстояний 2.1 и 2.2 РК, 3.1 и 3.2 ШК и 4.1 и 4.2 БК, БИНС 7 и ВУБ 1 на кузове ВПИ.
Затем КВПП 12 в квазиреальном времени преобразует исходную директивную последовательность блоков данных в последовательность блоков координат положения ВПИ в инерциальном пространстве как последовательность блоков координат положения фокуса БИНС 7 - начала связанной системы координат (х, у, z) ВПИ.
Далее КВПП 12 в квазиреальном времени преобразует исходную директивную последовательность блоков данных и последовательность блоков координат положения ВПИ в инерциальном пространстве в последовательность блоков координат положения в инерциальном пространстве начала связанной системы координат (s, h, l) рельсового пути и координат верхних и внутренних боковых поверхностей головок рельсов 17 и 18 в связанной системе координат рельсового пути.
По вычисленным директивным координатам положения ВПИ и рельсового пути в пространстве КВПП 12 вычисляет в квазиреальном времени комплекс геометрических параметров рельсового пути, производит анализ и оценку его состояния, а результаты передает по сети в ПЭВМ 6 для запоминания в БДРК 14 и распечатки в темпе движения ВПИ на принтере 15.
Масштабирование результатов контроля по отметкам, введенным оператором с пульта отметок путевых событий 9 и уточнение географических координат пути по данным СНС 8 производят на ПЭВМ 6 в нереальном времени в темпе движения ВПИ.
Устройство обеспечивает измерение геометрических параметров рельсового пути с высокой достоверностью благодаря наличию двух дублирующих друг друга групп датчиков: (РК1+РК2 2.1 и 2.2) и (БК1+БК2+ШК1+ШК2 4.1, 4.2, 3.1, 3.2), причем выходная информация от каждой из групп обрабатывается автономно.
Предложенное устройство для контроля состояния рельсового пути и позволяет измерить истинные (в пределах инструментальных погрешностей датчиков) геометрические параметры рельсового пути, имея которые можно, используя соответствующий математический аппарат, вычислить не только принятую в настоящее время совокупность частных производных - отклонений геометрических параметров рельсового пути от заданных - просадки, рихтовки, уровни и т.д., но и более совершенные комплексные характеристики динамического взаимодействия рельсового пути и. подвижного состава.
Измерение геометрических параметров рельсового пути при движении ВПИ со скоростью до 250 км/ч позволяет производить в темпе движения анализ и оценку состояния рельсового пути, а также обосновывать планирование мероприятий по его ремонту. Вышеперечисленное обуславливает практическую применимость полезной модели.