АВТОМАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ РАБОЧИМИ ОРГАНАМИ ПЛУЖНОГО СНЕГООЧИСТИТЕЛЯ
SNOWPLOW WORKING ELEMENTS AUTOMATIC CONTROL SYSTEM

Настоящее изобретение относится к железнодорожному транспорту, а именно к системам, предназначенным для повышения безопасности движения железнодорожных плужных снегоочистителей за счет автоматического управления рабочими органами последних.
Известно (см. Правила технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации: утверждены Минтрансом России 21.12.2010 г. / М-во трансп. РФ. - Изд. офиц. - М.: Трансинфо, 2011. - 255 с.), что применение снегоочистителей на перегоне ограничивается технологическими препятствиями, к которым относятся: настилы железнодорожных переездов и пешеходных переходов, напольное оборудование КТСМ, УКСПС, датчики диагностических комплексов, контррельсы, сбрасывающие стрелки перед мостами, тоннелями, негабаритные светофоры, опоры контактной сети и прочее. Технологические препятствия ограждаются временными сигнальными знаками «Поднять нож, закрыть крылья», «Опустить нож, открыть крылья», по которым машинист приводит рабочие органы снегоочистителя в транспортное (поднят лобовой щит, закрыты боковые крылья) или рабочее (опущен лобовой щит, раскрыты боковые крылья) положение, соответственно.
Между тем, как показывает опыт расчистки железнодорожных путей снегоуборочной техникой, возможны случаи повреждений элементов железнодорожной инфраструктуры, относящихся к технологическим препятствиям. Причинами таких инцидентов могут быть:
- влияние человеческого фактора;
- несвоевременная установка временных сигнальных знаков;
- закрытие ограждающих временных знаков снежными заносами;
- случайное или преднамеренное удаление временных знаков;
- плохая видимость.
Каждое из технологических препятствий является ответственным элементом в системе обеспечения безопасности движения железнодорожного транспорта, их повреждение недопустимо.
Из существующего уровня техники известно изобретение - рабочий орган плужного снегоочистителя (авторское свидетельство к изобретению номер SU 1507897, дата публикации 15.09.1989 г.), который содержит подъемный щит, установленный с возможностью перемещения в вертикальном направлении посредством пневматического цилиндра, и неподвижный щит, на котором установлен противовес, выполненный в виде козырька. Для перевода рабочего органа из транспортного положения в рабочее в пневматический цилиндр подается воздух. При этом подъемный щит опускается, а козырек поднимается вверх, уравновешивая массу подъемных частей. При подходе к препятствию при помощи пневматического крана управления подается сжатый воздух в штоковую полость пневматического цилиндра, и подъемный щит ускоренно поднимается, чему способствует поворот козырька.
Основной недостаток данной системы - ручное управление пневматическим краном при подходе к технологическому препятствию, что не исключает прохождение места расположения препятствий с рабочим положением органов плужного отвала.
Известно изобретение - рабочий орган плужного снегоочистителя (авторское свидетельство к изобретению номер SU 1559032, дата публикации 23.04.1990 г.), отвал которого установлен с возможностью свободного перемещения в вертикальном направлении относительно рамы. К отвалу в нижней части шарнирно присоединены ножи, установленные с возможностью поворота посредством кинематически связанного с ним силового цилиндра с помощью кулачка. При очистке снега во время движения отвал преодолевает сопротивление очищаемого слоя снежного покрова. При наезде какого-либо ножа на препятствие резко увеличивается сопротивление его перемещению, преодолевается усилие цилиндра, нож поворачивается относительно оси, принимает горизонтальное положение и проходит препятствие без поломки. Когда нож упирается в препятствие, высота которого значительна и сопротивление перемещения еще больше возрастает, возникает вертикальная подъемная сила, действующая на отвал, последний перемещается вертикально вверх и нож обходит препятствие. После прохода препятствия отвал опускается вниз, цилиндр возвращает нож в первоначальное положение.
Основной недостаток данного изобретения: контактное взаимодействие ножей отвала с технологическим препятствием, что для конструкций некоторых из препятствий не является допустимым. Например, контакт с датчиком УКСПС может привести к срабатыванию последнего.
Задачей предлагаемого технического решения является разработка автоматизированной системы управления плужным отвалом снегоочистителя, которая исключает проход мест расположения технологических препятствий с рабочим положением рабочих органов.
Данная задача решается за счет того, что заявленная система автоматического управления рабочими органами плужного снегоочистителя включает два приемопередатчика, антенны которых установлены на крыше снегоочистителя в его головной и хвостовой части и излучают непрерывно радиосигнал, облучая основание в горизонтальной плоскости шириной, равной ширине захвата снегоочистителя при раскрытых крыльях на заданном расстоянии до снегоочистителя; два блока доплеровского обужения луча ДОЛ, осуществляющие радиолокационную дальномерно-доплеровскую обработку принятых приемопередатчиками отраженных сигналов; блок обработки информации и управления на базе ЭВМ, осуществляющий вычисление положения рабочих органов и координат «дальность-пространственный угол» технологического препятствия и формирующий требуемые комбинации уровней сигналов на обмотках соответствующего шагового биполярного электродвигателя; пневматические краны золотникового типа лобового щита и боковых крыльев; пневматические цилиндры лобового щита и боковых крыльев, управляющие работой соответствующего рабочего органа; датчики положения рабочих органов. Система может быть дополнена звуковой сигнализацией перевода рабочих органов в каждое из положений, а также сигнализацией неисправности составляющих системы. Антенны приемопередатчиков, предпочтительно, имеют веерную диаграмму направленности.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является предупреждение контактного взаимодействия рабочих органов снегоочистителя с технологическим препятствием, благодаря своевременному автоматическому переводу органов плужного отвала снегоочистителя из рабочего положение в транспортное, и наоборот, без участия машиниста. Это позволит исключить возможность повреждения рабочих органов снегоочистителя и конструкций технологических препятствий по причине их контакта, сократить расстояние до технологического препятствия, на котором должен осуществляться переход снегоочистителя из рабочего в транспортное положение за счет сокращения времени перехода, уменьшить трудо- и время-затраты обслуживающего персонала на установку/демонтаж временных сигнальных знаков «Поднять нож, закрыть крылья», «Опустить нож, открыть крылья», а также на ручную расчистку снега сокращенного участка пути перед препятствием.
Таким образом, внедрение автоматической системы управления рабочими органами снегоочистителя в процесс снегоуборки железнодорожных путей увеличит безопасность производства снегоуборочных работ и движения железнодорожного транспорта, в целом, а также даст положительный экономический эффект.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых изображено: на фиг. 1 - структурная схема автоматического управления технологическими органами снегоочистителя, на фиг. 2 - пояснение определения положения технологического препятствия относительно вектора скорости снегоочистителя, на фиг. 3 - пневматический кран золотникового типа, перевод технологического органа в: а) рабочее положение; б) транспортное положение.
ij
<mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><mn>1,</mn><mi>m</mi></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><mn>1,</mn><mi>n</mi></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
На фиг. 1 обозначены: ДОЛ - доплеровское обужение луча; φ - угол положения i, j-го элемента разрешения в горизонтальной плоскости, в котором обнаружено препятствие;
, m - число стробов дальности в зоне обзора,
, n - число доплеровских фильтров; ЛЩ - лобовой щит; БК - боковые крылья; 1, 2 - соответственно, выход 1 и выход 2 блока обработки информации и управления.
0
1
2
3
На фиг. 2 обозначены: φ, φ, φ, φ - углы положения оси пути, крайних точек рельсов и облучаемой поверхности, соответственно, в горизонтальной плоскости; А - приемопередающая антенна; V - вектор скорости снегоочистителя.
На фиг. 3 обозначены: ПЦ - пневматический цилиндр.
Система автоматического управления рабочими органами плужного снегоочистителя включает два приемопередатчика, антенны которых установлены на крыше снегоочистителя в его головной и хвостовой частях и излучают непрерывно радиосигнал, облучая основание в горизонтальной плоскости шириной, равной ширине захвата снегоочистителя при раскрытых крыльях на заданном расстоянии до снегоочистителя; два блока доплеровского обужения луча ДОЛ, осуществляющие радиолокационную дальномерно-доплеровскую обработку принятых приемопередатчиками отраженных сигналов; блок обработки информации и управления на базе ЭВМ, осуществляющий вычисление положения рабочих органов и координат «дальность-пространственный угол» технологического препятствия и формирующий требуемые комбинации уровней сигналов на обмотках соответствующего шагового биполярного электродвигателя; пневматические краны золотникового типа лобового щита ЛЩ и боковых крыльев БК; пневматические цилиндры лобового щита ЛЩ и боковых крыльев БК, управляющие работой соответствующего рабочего органа; датчики положения рабочих органов.
Система работает следующим образом. Поверхность верхнего строения железнодорожного пути в ходе движения снегоочистителя облучается двумя антеннами (предпочтительно, с веерной диаграммой направленности) приемопередатчика 1 и приемопередатчика 2 (фиг. 1), установленными на крыше снегоочистителя, соответственно, в его головной и хвостовой частях по центру (проекция основного направления излучения антенны на основание совпадает с осью железнодорожного пути). Антенны излучают непрерывный радиосигнал, облучая основание в горизонтальной плоскости шириной, равной ширине захвата снегоочистителя при раскрытых крыльях. При этом головная и хвостовая антенны жестко установлены под определенным углом к облучаемому основанию таким образом, чтобы облучать поверхность на заданном расстоянии от снегоочистителя, достаточном для полного перевода рабочего органа в транспортное положение перед препятствием.
Принимаемые каждой антенной отраженные от основания сигналы поступают на блоки доплеровского обужения луча ДОЛ1 и ДОЛ2, в которых производится радиолокационная дальномерно-доплеровская обработка сигналов.
0
0
0
0
<mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><mn>1,</mn><mi>m</mi></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
1. Блок ДОЛ включает в себя М стробов дальности (ключей), которые последовательно открываются и пропускают отраженный сигнал: из сигнала в каждый из промежутков времени [t, t+i·Δt] выбираются i-е составляющие сигнала, соответствующие промежуткам дальности [D, D+i·ΔD], где ΔD - разрешение по дальности,
, m - число стробов дальности в зоне обзора.
0
0
ф
j
<mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><mn>1,</mn><mi>n</mi></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
2. С каждого i-го строба дальности сигнал подается на алгоритм обужения диаграммы направленности антенны: дается оценка доплеровской частоты сигнала путем многоканальной узкополосной фильтрации: из сигнала выбираются j-е составляющие, соответствующие полосе частот [f, f+j·Δf], где Δf=ΔF - ширина полосы пропускания n-го фильтра,
, n - число фильтров. Каждому j-му элементу разрешения по частоте ставится в соответствие последовательность j-х элементов разрешения по доплеровскому углу α исходя из соотношения:
0
j
где V - скорость снегоочистителя; λ - длина волны излучаемого сигнала; α - угол отклонения луча от вектора скорости движения снегоочистителя.
3. На множестве элементов разрешения по дальности (i-е строки) и частоте (j-е столбцы) в зоне данного направления луча формируется матрица А размерностью m×n в виде совокупности нулей и единиц. Если амплитуда сигнала i, j-го элемента A(i, j) превышает порог обнаружения (соответствует отражению от препятствия), то в матрице на месте i, j-го элемента формируется «1», в противном случае - «0». Геометрически i,j-й элемент образуется пересечением конической поверхности диаграммы направленности антенны сферическими поверхностями уровня дальности и коническими поверхностями уровня доплеровского угла.
ij
0
1
2
3
ij
2
3
0
1
ij
0
1
2
3
ij
0
1
2
3
Блок обработки информации и управления на базе ЭВМ осуществляет вычисление координат «дальность-пространственный угол» технологического препятствия по информации от блоков ДОЛ и положения рабочих органов - по сигналам датчиков положения лобового щита ЛЩ и боковых крыльев БК, после чего формирует требуемые комбинации уровней сигналов на выходах. Последние поступают на обмотки шагового биполярного электродвигателя лобового щита ЛЩ и боковых крыльев БК. При обнаружении препятствия блоком обработки информации и управления на соответствующем выходе (на выходе 1 - при обнаружении препятствия внутри колеи пути, т.е. при φ∈(φ; ±φ) и ∉(±φ; ±φ); на выходе 2 - при обнаружении препятствия за пределами колеи пути, т.е. при φ∈(±φ; ±φ) и ∉(φ; ±φ); на обоих выходах - при обнаружении смешанного препятствия, т.е. при φ∈(φ; ±φ) и ∈(±φ; ±φ), где φ - угол положения i,j-го элемента разрешения в горизонтальной плоскости, в котором обнаружено препятствие, φ, φ, φ, φ - соответственно, углы положения оси пути, крайних точек рельсов и облучаемой поверхности в горизонтальной плоскости (фиг. 2)) формируется комбинация уровней сигналов, при которой вал нужного двигателя поворачивается на один шаг против часовой стрелки. Пневматический кран лобового щита ЛЩ и/или боковых крыльев БК переходит в положение б) (фиг. 3), управляя работой пневматического цилиндра ПЦ лобового щита ЛЩ и/или боковых крыльев БК. Соответствующий рабочий орган снегоочистителя - лобовой щит ЛЩ и/или боковые крылья БК переходят в транспортное положение. При проследовании препятствия из зоны облучения антенной 1 комбинация уровней сигналов на обмотках электродвигателей не изменяется, рабочий орган остается в прежнем положении до момента проследования данного препятствия из зоны облучения антенной 2. Тогда на нужном выходе блока обработки информации и управления формируется комбинация уровней сигналов, при которой вал соответствующего шагового электродвигателя поворачивается на один шаг по часовой стрелке, пневматический кран переходит в положение а) (фиг. 3), рабочий орган снегоочистителя - в рабочее положение.
В случае, если снегоочиститель проследовал препятствие зоной облучения антенны 1, но еще не проследовал зоной облучения антенны 2, и антенной 1 произошло обнаружение еще одного препятствия, блок обработки информации и управления не изменит сигналы на выходах, пока не произойдет обнаружения второго препятствия в зоне облучения антенны 2 и его проследования из зоны облучения антенны 2.
Система может быть дополнена звуковой сигнализацией перевода рабочих органов из транспортного положения в рабочее и обратно, а также сигнализацией неисправности тех или иных структурных органов системы по сигналам блока обработки информации и управления (на фигурах не показано).
Заявленная система, реализующая радиолокационный дальномерно-доплеровский способ обнаружения технологического препятствия для автоматического управления рабочими органами плужного снегоочистителя при движении последнего по железнодорожному пути, обеспечивает высокую достоверность обнаружения технологических препятствий, своевременность перевода рабочих органов в нужное положение на заданном расстоянии до препятствия без участия машиниста снегоочистителя.