Устройство контроля безопасности движения железнодорожных цистерн при перевозке наливного груза
DEVICE FOR MONITORING SAFE MOVEMENT OF RAILWAY TANKS DURING TRANSPORTATION OF BULK CARGO

Изобретение относится к контрольно-измерительной и сигнальной аппаратуре, предназначенной для измерения уровня и массы наливного груза в цистернах и иных подвижных емкостях перед и в процессе их движения с выработкой сигналов о недопустимом уровне налива и об опасном перераспределении груза (плескании наливного груза) в емкости вследствие наклонов емкости и возникающих при разгоне или торможении ускорений.
Известно устройство для измерения уровня топлива в емкости поплавкового типа (патент РФ №55973, МПК G01F 23/36, дата приоритета 10.04.2006), установленное на электробензонасосе. В данном устройстве перемещение поплавка, расположенного на поверхности топлива, происходит в зависимости от расходования топлива и преобразуется через различные системы передачи в перемещение щетки потенциометра, сопротивление которого является функцией уровня топлива в баке.
Недостатками описанного устройства являются:
- низкая надежность конструкции, особенно в условиях постоянных значительных наклонов емкости и соответствующих колебаний уровня топлива;
- невысокая точность измерений;
- отсутствие сигнализации об опасном перераспределение наливного груза в объеме емкости и, соответственно, нагрузки на колеса при наклоне и продольных и поперечных колебаниях емкости, например цистерны, что может вызвать сход цистерны с рельс.
Известно устройство для измерения уровня топлива в топливном баке (патент РФ №68124, МПК G01F 23/00, дата приоритета 19.06.2007), содержащее емкостной датчик, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), микропроцессор и преобразователь интерфейса., Выход датчика связан с входом АЦП, выход которого связан с входом микропроцессора. Выход микропроцессора присоединен к входу преобразователя интерфейса, выход которого связан с однопроводной магистралью передачи данных на блок сбора и передачи данных.
Данное устройство обладает повышенной, по сравнению с предыдущим, надежностью и приемлемой точностью, однако в нем также, как и в предыдущем устройстве, отсутствует сигнализация об опасном перераспределение наливного груза в объеме емкости и, соответственно, нагрузки на колеса при наклоне и продольных и поперечных колебаниях емкости, например цистерны, что может вызвать сход цистерны с рельс.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является выбранный за прототип ультразвуковой датчик уровня топлива (патент РФ №90195, МПК G01F 23/00, дата приоритета 08.09.2009). Указанный датчик содержит электроакустический преобразователь с ультразвуковым и температурным датчиками, контактирующий с наружной поверхностью днища резервуара, соединенный с входом управляющего модуля. Управляющий модуль включает процессор, блок формирования и усиления сигнала, преобразователи сигналов ультразвукового и температурного датчиков, блок энергонезависимой памяти, аналоговый и цифровой интерфейсы, автономный источник питания и таймер реального времени, причем ультразвуковой и температурный датчики соединены через соответствующие преобразователи с входами процессора, выходы которого подключены к входам блока формирования и усиления сигнала, блока энергонезависимой памяти и аналогового и цифрового интерфейсов.
К достоинствам прототипа можно отнести повышенную точность измерения уровня топлива за счет учета изменения скорости распространения ультразвуковой волны при изменении температуры. Однако устройство не лишено ряда недостатков, к которым относятся:
- отсутствие учета продольного и поперечного наклона резервуара;
- отсутствие возможности проведения измерений с разными видами наливного груза, т.к. в устройстве отсутствует техническая возможность ввода информации о виде груза (бензин, керосин, мазут, кислота и др.) после его налива;
- не вырабатывается информация о нагрузке на отдельные колеса цистерны при ее текущих продольном и поперечном наклонах и линейных продольном и поперечном ускорениях, приводящих к смещению наливного груза относительно цистерны. В связи с указанным недостатком не вырабатывается информация о снижении нагрузки на одно или несколько колес, которая может привести к сходу цистерны с рельс.
Кроме того, в прототипе не вырабатывается информация для машиниста об опасности перевозки наливного груза при недопустимом уровне налива цистерны - от 20% до 80% полного объема котла, что предусмотрено п. 18 «Правил перевозок железнодорожным транспортом грузов наливом в вагонах-цистернах и вагонах бункерного типа для перевозки нефтебитума», утвержденных Приказом Минтранса России от 29.07.2019 №245. Нарушение указанного требования приводит к недопустимому плесканию наливного груза, что может привести к опрокидыванию цистерны.
Целью изобретения является устранение указанных недостатков прототипа, в результате чего достигается цель изобретения - выработка сигнализации машинисту локомотива или иным членам поездной бригады о возникновении опасного, потенциально приводящего к сходу с рельс, снижения нагрузки на одно или несколько колес цистерн движущегося железнодорожного состава, а также предупреждение о нахождении уровня наливного груза в диапазоне от 20 до 80% от полного объема котла. Такое предупреждение обеспечивает как предотвращение возможности перевозки груза с недопустимым уровнем налива, так и своевременное снижение скорости и предотвращает крушение поезда.
Указанная выше цель изобретения достигается за счет того, что имеются дополнительные электроакустические преобразователи, выходы которых через соответствующие преобразователи сигнала связаны с соответствующими входами процессора, датчики продольного и поперечного углов наклона цистерны, контроллер расчета объема наливного груза, входы которого связаны с выходом процессора и блоком ввода информации о типе цистерны, а выход - с контроллером расчета массы наливного груза, входы с датчиком температуры наливного груза и блоком ввода вида наливного груза, при этом выход контроллера расчета массы наливного груза через последовательно соединенные блок базы данных и первый компаратор соединены с аварийным сигнализатором, входы блока базы данных соединены с выходом контроллера расчета массы наливного груза, датчиками продольного и поперечного углов наклона цистерны, а также блоком ввода информации о типе цистерны, при этом компаратор соединен с блоком ввода минимально допустимой нагрузки на колесо тележки цистерны, причем выход контроллера расчета объема наливного груза через второй компаратор, связанный также с выходом блока ввода информации о типе цистерны, соединен с аварийным сигнализатором, при этом электроакустические преобразователи расположены на днище цистерны по ее длине преимущественно по разные стороны от ее диаметральной плоскости.
В данном описании под диаметральной плоскостью цистерны понимается вертикальная продольная плоскость, представляющая собой плоскость симметрии цистерны и проходящая через всю длину цистерны и делящая ее на две симметричные части.
Сущность заявляемого изобретения поясняется его блок-схемой, приведенной на чертеже.
При реализации цели изобретения заявляемое устройство содержит установленный на днище цистерны электроакустический преобразователь 1 с датчиком температуры 2, процессор 3, при этом выход указанного электроакустического преобразователя 1 через преобразователь сигнала 4 соединен соответственно с первым входом процессора 3, а датчик температуры 2 соединен со вторым входом процессора 3. Кроме того, имеются дополнительные электроакустические преобразователи 5, выходы которых через соответствующие преобразователи сигнала 6 связаны с соответствующими входами процессора 3, датчики продольного и поперечного углов наклона цистерны 7 и 8, контроллер расчета объема наливного груза 9, входы которого связаны с выходом процессора 3 и блоком ввода информации о типе цистерны 10, а выход - с контроллером расчета массы наливного груза 11, входы которого соединены с датчиком температуры наливного груза 2 и связанным с процессором 3 блоком ввода вида наливного груза 12, при этом выход контроллера расчета массы наливного груза 11 через последовательно соединенные блок базы данных 13 и первый компаратор 14 соединены с аварийным сигнализатором 15, входы блока базы данных 13 соединены с датчиками продольного и поперечного углов наклона цистерны 7 и 8, а также блоком ввода информации о типе цистерны 10, при этом первый компаратор 14 соединен с блоком 16 ввода минимально допустимой нагрузки на колесо тележки цистерны, причем выход контроллера расчета объема наливного груза 9 через второй компаратор 17, связанный также с выходом блока ввода информации о типе цистерны 10, соединен с аварийным сигнализатором 15, при этом электроакустические преобразователи расположены на днище цистерны по ее длине преимущественно по разные стороны от ее диаметральной плоскости.
При реализации устройства могут быть использованы следующие технические решения. В качестве электроакустических преобразователей 1, 5 могут быть использованы бесконтактные ультразвуковые датчики уровня жидкости УЗИ-2,5М. Датчик температуры можно использовать на основе терморезистора, например типа WTR 330. Процессор 3, контроллеры 9 и 11, блок базы данных 13, компараторы 14 и 17 могут быть выполнены на базе отечественных или импортных микроЭВМ. В качестве преобразователей сигнала 4, 6 может быть использована многовходовая плата ввода-вывода для ЭВМ типа PSI Express. В качестве датчиков наклона 7 и 8 могут быть использованы выпускаемые промышленностью одноосевые инклинометры INX 360D-F99-I2E2-5M. Блоки ввода исходных данных 10, 12 и 16 могут быть реализованы в виде кнопочных переключателей. Кроме того, ввод данных может осуществляться с клавиатур через декодирующее устройство. Аварийный сигнализатор 15 может быть реализован на основе информационного табло с мигающей текстовой информацией.
Приведенный выше анализ путей реализации устройства свидетельствует о возможности его практической реализации, в том числе и в промышленных условиях.
При реализации цели изобретения устройство работает следующим образом. Электроакустические преобразователи 1, 5 с заданной периодичностью генерируют акустические ультразвуковые импульсы, которые через днище цистерны проникают в наливной груз, заполняющий цистерну. Указанные ультразвуковые импульсы распространяются в наливном грузе, достигают его верхней поверхности и частично отражаются от нее. Отраженные акустические импульсы регистрируются соответствующими электроакустическими преобразователями 1. 5, в которых фиксируется время прохождения ультразвуковой волны. Электрические сигналы, соответствующие указанным временам, своим для каждого электроакустического преобразователя 1, 5 в преобразователях сигнала 4, 6 преобразуются в цифровой вид и поступают на вход процессора 3. При этом уровень наливного груза по оси каждого электроакустического преобразователя 1, 5 может быть определен, как расстояние от места установки электроакустического преобразователя на днище цистерны до поверхности наливного груза. Расчет указанных расстояний проводится с учетом вида наливного груза (скорость распространения ультразвуковой волны в различных жидких средах различна) и температуры наливного груза (скорость распространения ультразвуковой волны в жидких средах зависит от температуры жидкой среды). Учет указанных параметров в процессоре 3 осуществляется за счет ввода в процессор 3 данных о температуре наливного груза с датчика температуры 2 и данных о виде наливного груза с блока 12. По значениям указанных расстояний может быть определено положение зеркала поверхности наливного груза в цистерне. Во время транспортировки цистерны в реальных условиях неизбежно возникновение ее поперечных наклонов (крена), либо продольных наклонов (тангажа), связанных, например, с неровностями рельсового пути (разновысотность установки рельс в колее), уклонами рельсового пути, подъемами и спусками. Наличие данных о положении зеркала поверхности наливного груза в цистерне с учетом знания геометрии цистерны (вводится с блока ввода типа цистерны 10) обеспечивает возможность расчета в первом контроллере 9 объема наливного груза.
По результатам расчета объема наливного груза в первом контроллере 9 с учетом вводимого с блока 12 вида наливного груза (исходная плотность и коэффициент температурного расширения), текущего значения температуры наливного груза (снимается с датчика 2) обеспечивает возможность расчета во втором контроллере 11 массы наливного груза.
Одной из причин аварийности на железнодорожном транспорте при перевозке наливного груза в цистернах является опасное смещение груза в цистерне, что приводит к перераспределению нагрузки на колеса цистерны, снижению нагрузки на одно из колес, его возможному отрыву от рельса и, как следствие, сходу цистерны с рельс. Недопустимое смещение груза в цистерне может произойти, в частности, при большой скорости движения на поворотах, раскачивании цистерны на неровностях пути, резком торможении. Предотвратить указанные факторы можно, если своевременно информировать машиниста о необходимости снижения скорости. В заявляемом техническом решении информирование машиниста о необходимости снижения скорости происходит следующим образом. В блоке базы данных 13 хранится заранее полученная расчетным путем информация о нагрузках на колеса данного вида цистерны при различных сочетаниях массы груза, положении зеркала поверхности наливного груза в цистерне, углах наклона цистерны по крену и тангажу. При работе устройства информация о массе груза, положению зеркала поверхности наливного груза в цистерне, углах наклона цистерны по крену и тангажу поступает в блок базы данных 13 со второго контроллера расчета массы груза 11, датчика угла наклона цистерны по крену 7 и датчика угла наклона цистерны по тангажу 8. При поступлении указанной совокупности данных в блок базы данных 13 в нем определяется нагрузка на каждое из колес цистерны для данного ее типа (вводится с блока ввода информации о типе цистерны 10), при этом минимальное из выявленных значений вводится в первый компаратор 14. В первом компараторе 14 производится сравнение указанной величины с минимально допустимой нагрузкой на колесо тележки цистерны, вводимое с блока 16 ввода минимально допустимой нагрузкой на колесо тележки данного вида цистерны. В случае, если величина нагрузки не превышает введенной с блока 15, на выходе компаратора 13 формируется управляющий сигнал, приводящий к срабатыванию аварийного сигнализатора 14, установленного на рабочем месте машиниста. При срабатывании указанного сигнализатора машинист плавно снижает скорость движения состава, положение наливного груза в цистерне возвращается к нормальному состоянию и нагрузка на колесо цистерны возвращается в допустимые пределы.
Кроме поступления на вход второго контроллера 11 информация об объеме наливного груза с выхода первого контроллера 9 поступает на второй компаратор 17. В компаратор 17 также поступает информация об объеме груза, соответствующем заполнению цистерны от 20 до 80% ее полного объема для данного типа цистерны (с блока ввода информации о типе цистерны 10). При нахождении наливного груза в указанном диапазоне второй компаратор 17 вырабатывает сигнал о невозможности начала (или опасности продолжения) движения, который поступает на аварийный сигнализатор 15.
Применение рассмотренного устройства позволяет существенно снизить опасность схода поездов, в составе которых находятся цистерны с наливным грузом.
Кроме того, заявляемое устройство дополнительно позволяет:
- контролировать процесс налива цистерн, предотвращая перелив или недолив топлива;
- оповещать машиниста поезда и грузовладельца о несанкционированном сливе (уменьшении веса) топлива;
- фиксировать время и место слива топлива, упрощая ведение учета железнодорожных перевозок.