Способ мониторинга воздействия нагрузок на вагон в процессе его эксплуатации
METHOD FOR MONITORING IMPACT OF LOADS ON CAR DURING ITS OPERATION

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, в частности, к контролю состояния железнодорожных вагонов в процессе их эксплуатации и может быть использовано для выявления нарушений технологических операций, приводящих к преждевременному выходу из строя всего вагона или отдельных его важнейших узлов.
В настоящее время на сети дорог ОАО «РЖД» в эксплуатации находятся порядка 1200 тыс. вагонов. В процессе эксплуатации из-за повреждений, вызванных нарушениями условий эксплуатации, вагоны могут попадать во внеплановые ремонты, приводящие не только к дополнительным расходам их владельцев и растрате материальных и человеческих ресурсов, но и к существенному удорожанию стоимости железнодорожных перевозок.
Одной из основных причин внеплановых ремонтов вагона является, например, выход параметров колесных пар за допускаемые пределы, в том числе из-за возникновения дефектов на поверхности катания колеса (ползун, выщербина, навар и неравномерный прокат). Указанные дефекты колеса в большинстве случаев возникают при проведении маневровых работ на станционных путях, при проведении операций погрузки - выгрузки, а также при неправильном ведении поезда, при котором образуются ползуны на поверхности катания с последующим образованием выщербин. В дальнейшем дефект на колесе развивается, что приводит к повышенной ударной нагрузке на все элементы вагона и, следовательно, к увеличению в последующем стоимости ремонта вагона.
Обычно выявление таких дефектов нацелено на защиту инфраструктуры, то есть на исключение сверхнормативного воздействия деталей вагона на элементы инфраструктуры (рельсы, мосты, стрелочные переводы и т.д.). В нашем случае речь идет о выявлении момента возникновения неисправности вагона, которая в дальнейшем вызывает воздействие на инфраструктуру. Ведь сами по себе дефекты обычно не появляются, они вызваны повреждениями вагона в процессе эксплуатации. Поэтому очень важно фиксировать воздействие на вагон на всех этапах его эксплуатации. Прежде всего, речь идет о следующих операциях.
Во-первых, это режим движения вагона. Очень часто повреждения колес вагона вызваны неправильным ведением поезда, например, из-за частого экстренного торможения.
Во-вторых, это маневровые работы на станциях, связанные в основном с роспуском вагонов на так называемых горках, а также речь может идти о ситуациях, когда при отправлении поезда на ПТО (пункт технического контроля) вагон не снимают с тормозов или забывают убирать башмаки из-под колес.
В-третьих, это операции погрузки-выгрузки, при которых на вагон могут воздействовать различными погрузочными механизмами, или осуществлять погрузку в вагон сверхнормативного груза, или производить плохое закрепление груза в вагоне, или осуществлять плохую центровку груза в вагоне и т.п.
Таким образом, мониторинг постоянно возникающих в процессе эксплуатации вагона нагрузок позволит определить ряд основных дефектов вагона и причин их возникновения, что обеспечит:
- выявление дефектов ходовой части вагона на ранней стадии;
- определение точного места и времени подъема вагона, что в свою очередь, позволит определить момент несанкционированной замены, например, колесных пар;
- определение мест, в которых наиболее часто возникают повреждения вагонов, например, в процессе операций погрузки-выгрузки, что в дальнейшем поможет устранить недостатки, связанные с этими операциями.
Известен способ (см. А.С. СССР №1066866, МКИ: В61K 9/12, 1984 г.), позволяющий проводить мониторинг наиболее ответственных узлов вагона - колесных пар и выявлять основные дефекты поверхности катания колеса - ползуны, наплывы, глубокие риски и выщербины. Способ основан на измерении вертикальных виброускорений рельса с помощью акселерометра и преобразовании их в электрические сигналы, которые сравнивают с опорными сигналами, соответствующими предельно допустимым размерам дефектов.
Основным недостатком известного способа является сложность выявления дефектов поверхности катания колеса на низких скоростях. В основном это связано с тем, что чувствительность метода пропорциональна квадрату скорости, а значит, при скоростях до 30 км/час, резко снижается вероятность обнаружения дефекта.
Кроме того, при определении дефектов поверхности катания колеса за счет измерения вертикальных виброускорений рельса с помощью акселерометра, отсутствует строгая привязка к конкретному колесу, поэтому чаще всего указывается только дефектная сторона (правая или левая) и номер вагона. По указанным данным осмотрщиком вагона проводится дополнительная проверка и делается окончательное заключение о его годности или ремонте.
Известен способ мониторинга действующих нагрузок на вагон в процессе его эксплуатации (см. патент США №8423240, МКИ G06F 7/00, 2013 г.). В патенте описана возможность проведения мониторинга вагона за счет автономных автоматических постов, каждый из которых включает набор автономных датчиков, расположенных на рельсовых путях, которые регистрируют динамические нагрузки от проходящих мимо вагонов поездов. Датчики представляют собой вставки между рельсом и шпалой на основе оптического волокна. В момент прохождения над ним колеса, параметры волокна изменяются и, таким образом, регистрируется воздействие колеса на рельс. Питание датчиков осуществляется за счет генерирования энергии достаточной мощности автономными источниками от движения рельсового транспортного средства без доступа к каким-либо дополнительным источникам питания.
Известный способ позволяет за счет максимальной близости датчиков к колесу и достаточно высокой разрешающей способности метода проводить мониторинг проходящего железнодорожного транспорта с помощью распределенной системы постов контроля, выявляя следующие отклонения:
- выявлять перегруженность вагонов;
- выявлять высокое расположение центра тяжести, что связано с так называемым эффектом галопирования, то есть раскачивания вагона в процессе движения;
- выявлять смещение центра тяжести вагона относительно его продольной или поперечной оси за счет неправильного закрепления груза;
- выявлять дефекты колес (ползуны, наплывы, глубокие риски и выщербины), приводящие к повышенным динамическим нагрузкам (ударам) о рельс;
- выявлять дефекты, связанных с деформацией элементов конструктивной жесткости самого вагона или тележки грузового вагона, например, боковой рамы или надрессорной балки, приводящих к появлению значительных ударных нагрузок.
К недостаткам известного способа следует отнести то, что, во-первых, известный способ не позволяет провести ретроспективный анализ и установить причину, время и место возникновения дефекта проходящего вагона.
Во-вторых, известный способ не позволяет выявить имеющийся дефект, если воздействие, например, удар дефектного колеса, не произошло непосредственно над датчиком.
В-третьих, известный способ позволяет установить, какой дефект (или дефекты) существует лишь в данное время и какое воздействие он (или они) оказывает в данный момент. Если какой-то дефект не зафиксирован (удар произошел не над датчиком), то мониторинг состояния колеса может быть проведен некорректно и, следовательно, сделаны неправильные выводы о состоянии вагона.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является, взятый в качестве прототипа, способ контроля критического состояния подвижного состава на рельсовом пути, основанный на непрерывном отслеживании импульсов колебательных ускорений в зонах их наибольшего возбуждения (т.е. в наиболее критических узлах и деталях вагона), оценка этих ускорений и сравнение их с заранее заданными допустимы значениями, а в случае превышения этих значений - формирование сигнала тревоги (см. патент РФ №2399524, МКИ: В60Т 7/12, 2010 г.).
Известный способ позволяет в непрерывном режиме отслеживать возникающие в наиболее критических узлах и деталях вагона динамические нагрузки, т.е. производить их постоянный мониторинг и выявлять следующие отклонения, возникающие при движении состава:
- выявлять возникновение динамических нагрузок в наиболее критических узлах и деталях вагона и сравнивать их с максимально допустимыми;
- измеряемую динамическую нагрузку воспринимать как суммарную нагрузку на критический узел или деталь вагона, возникающую от нескольких факторов, в том числе, асимметричного расположения центра тяжести груза в вагоне и/или недопустимо высокого расположения центра тяжести груза в вагоне, и/или наличия дефектов колес, и/или дефектов рельсового пути, и/или различных дефектов конструкции вагона или его тележек.
К недостаткам известного способа следует отнести то, что он, во-первых, не регистрирует возникающие статические нагрузки, которые, в основном, появляются после сверхнормативной загрузки вагона и не выявляются до начала его движения.
Во-вторых, известный способ не позволяет провести ретроспективный анализ и установить действительную причину возникновения дефекта вагона, а также время и место его возникновения.
Техническим результатом заявляемого технического решения является сохранение основных достоинств прототипа - регистрации динамических нагрузок, при одновременном устранении его недостатков, а именно, добавление возможности регистрации возникающих статических нагрузок, связанных в основном со сверхнормативной загрузкой вагона (перевесом) и возможностью проведения ретроспективного анализа эксплуатации вагона, позволяющего установить причину, время и место возникновения дефекта вагона.
Указанный технический результат в способе мониторинга воздействия нагрузок на вагон в процессе его эксплуатации, при котором непрерывно отслеживают возникающие динамические нагрузки, приводящие к колебательным ускорениям в зонах их наибольшего возбуждения, проводят оценку этих ускорений и сравнивают их с заранее заданными допустимыми значениями, а в случае превышения этих значений формируют сигнал тревоги, достигается тем, что дополнительно к динамическим нагрузкам непрерывно отслеживают также возникающие статические нагрузки, приводящие к статическим напряжениям в зонах их наибольшего возбуждения, и тоже проводят оценку этих нагрузок, при этом все полученные данные от динамических и статических нагрузок регистрируют в реальном времени с указанием значений возникающих нагрузок, времени их воздействия и осуществляют привязку этих нагрузок к текущим GPS координатам вагона, причем от всех указанных нагрузок сохраняют данные в автономной нестираемой памяти, а в случае превышения какого-либо сигнала над пороговым значением сигнала для конкретного узла или механизма железнодорожного вагона, по каналам связи передает данные об указанном событии на ближайший пункт технического контроля подвижного состава.
Заявляемый способ мониторинга воздействия нагрузок на вагон в процессе его эксплуатации позволяет решить сразу несколько задач.
Во-первых, заявляемый способ позволяет зарегистрировать статические нагрузки непосредственно в процессе загрузки вагона.
Во-вторых, сразу после загрузки вагона заявляемый способ позволяет обнаружить не только перегруженность вагона в целом, но и выявить неравномерность его загрузки, о чем будет свидетельствовать неравномерное распределение статических нагрузок на его тележках.
В-третьих, если в процессе движения вагона выявятся периодические ударные нагрузки, то это может говорить о наличии на колесах дефектов поверхности катания.
В-четвертых, если с началом движения вагона выявятся нагрузки, обусловленные дефектами рельсового пути, то появится одиночные удары.
В-пятых, если при операциях погрузки-выгрузки вагон повреждается об элементы погрузочных механизмов, то при отсутствии движения вагона будут зафиксированы динамические нагрузки в виде ударов, а в момент погрузки-выгрузки будет зафиксирован одиночный удар.
В-шестых, при движении с высокой скоростью и последующем резком торможении будет зафиксирована динамическая нагрузка в виде сильного удара. Аналогичный удар будет зафиксирован при вписывании вагона в кривую на слишком высокой скорости.
В-седьмых, в случае выявления в процессе движения вагона периодических ускорений, это может указывать на нарушение работы ходовой части вагона, например, пружинного комплекта или фрикционных клиньев.
В-восьмых, если в пути следования будет зафиксировано ускорение одного знака, то это может говорить о подъемке вагона. При этом, если в информационных ресурсах ОАО «РЖД» не указано проведение ремонта в данный временной период, то это может свидетельствовать о несанкционированной замене элементов вагона.
Таким образом, заявляемый способ позволяет выявлять все дефекты вагона, связанные с его эксплуатацией, в том числе, связанные как с нарушением процесса погрузки-выгрузки вагона, так и с перемещением вагона по железнодорожному пути, при этом фиксируются (записываются в автономную нестираемую память) любые возникающие статические или динамические нагрузки, а также время и место их возникновения, регистрируются длительность и амплитуда воздействия, что позволяет в дальнейшем проводить ретроспективный анализ эксплуатации вагона и выявлять причинно-следственные связи между дефектами вагона, местом их возникновения и фактами неправильной эксплуатации, что не имеет аналогов среди известных способов мониторинга воздействия нагрузок на вагон в процессе его эксплуатации, а значит, отвечает критерию «изобретательский уровень».
Суть заявляемого способа поясняется рисунками на фиг. 1 и 2.
На фиг. 1 представлен упрощенный рисунок полувагона и схема размещения на нем различных датчиков, фиксирующих статические и динамические нагрузки, возникающие при эксплуатации вагона, где: 1 - кузов полувагона; 2 - сквозная хребтовая балка рамы; 3 - ходовая тележка; 4 - опорное устройство; 5а и 5б - тензодатчики; 6 - магнитодинамический датчик; 7 - акселерометр.
1
1
1
1
На фиг. 2 представлена блок-схема, показывающая соединение блока датчиков 8 (представленных на фиг. 1: 5а, 5б, 6 и 7) с устройством обработки, хранения и передачи информации 9. Каждый из датчиков блока 8 представляет собой цифровой датчик, который посредством своей информационной шины (5а, 5б, 6 и 7) соединен с входным мультиплексором 25 устройства обработки, хранения и передачи информации 9. Устройство 9 представляет собой микропроцессорный блок, состоящий из: микропроцессора 10 с входным регистром (BP) 11 и шиной 12; устройства ввода-вывода (УВВ) 13 с шиной 14; таймера времени (ТВ) 15 с шиной 16; постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 17 с шиной 18; оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) 19 с шиной 20; флэш памяти (ФП) 21 с шиной 22; передающего устройства (ПУ) 23 с линией передачи данных 24; мультиплексора 25 с шиной 26; GPS приемника 27 с линией передачи данных 28; кнопки «ПУСК» 29.
Осуществление заявляемого способа рассмотрим с использованием рисунков, представленных на фиг. 1 и фиг. 2. На полувагоне в защищенном от повреждения боксе размещено устройство 9, которое после его включения запирается оператором на замок и опечатывается пломбой. Перед началом работы в блок 21 устройства 9 предварительно устанавливают карту памяти (она выполняет роль энергонезависимой памяти), на которой будет храниться вся информация, связанная с возникающими в процессе эксплуатации полувагона силовыми воздействиями, некоторые из которых могут привести к выходу из строя отдельных его узлов или деталей. Далее кнопкой 29 «ПУСК» включают устройство 9, которое запитано от автономного источника электропитания (на фиг. 2 он условно не показан). В рабочем состоянии устройство 9 постоянно фиксирует текущие GPS координаты, поступающие с GPS приемника 27, а с помощью блока датчиков 8, установленных на полувагоне, регистрирует все возникающие статические и динамические нагрузки, а также всевозможные ударные нагрузки, действующие на полувагон. Далее на отдельных примерах выполнения технологических операций, рассмотрим заявляемый способ мониторинга воздействия нагрузок на полувагон в процессе его эксплуатации.
Пример 1. Мониторинг нагрузок, возникающих при роспуске вагонов с горки.
1
Сортировочная горка - это сооружение, расположенное на территории железнодорожной станции и предназначенное для формирования или расформирования составов грузовых поездов. При роспуске вагонов с горки используются устройства для торможения вагонов, при неисправности которых возможно сильное соударение движущегося вагона о стоящий формируемый состав. Указанное соударение полувагона будет зафиксировано его магнитодинамическим датчиком 6, который по шине 7 передаст сигнал в мультиплексор 25 устройства 9. Если величина удара соударения превышает допустимую величину (значение сигнала допустимой величины хранится в ПЗУ 17 и сравнивается с сигналом от полученного удара), то формируется предупреждающее сообщение с указанием времени, места (по данным с GPS приемника 27) и силы полученного удара, которое записывается на флэш память 21, в качестве информационного сообщения. Одновременно с этим указанное сообщение посылается блоком 23 в качестве уведомления по каналу мобильной связи на ближайший пункт технического контроля (ПТК) подвижного состава для более тщательного осмотра деталей полувагона, которые могли получить повреждение при произошедшем соударении.
Пример 2. Мониторинг нагрузок, возникающих при погрузке-выгрузке полувагона.
Указанная операция является наиболее «травматичной» с точки зрения получения полувагоном какого-либо дефекта. Объясняется это тем, что здесь довольно часто может наблюдаться погрузка, превышающая допустимый норматив по загрузке полувагона. Стандартная норма погрузки полувагона составляет 60 тонн, причем эта нагрузка должна быть распределена так, чтобы полувагон был загружен равномерно, т.е. нагрузка на каждую из тележек полувагона должна быть примерно одинаковой. Для измерения общей нагрузки на полувагон и распределения ее по тележка используются тензодатчики 5а и 5б, находящиеся в районе узлов пятник-подпятник. Общая нагрузка полувагона определяется как сумма показаний с обоих датчиков 5а и 5б, а отличия в показаниях между датчиками 5а и 5б указывают на неравномерность загрузки полувагона по тележкам. Указанные текущие параметры сравниваются в устройстве 9 с допустимыми нормативами по загрузке, которые хранятся в ПЗУ 17, а в случае превышения этих нормативов - формируется предупреждающее сообщение с указанием времени, места и величин превышения нормативов по загрузке, которое записывается на флэш память 21, а также в качестве информационного сообщения посылается блоком 23 по каналу мобильной связи на ближайший ПТК.
Другим серьезным событием во время погрузки-выгрузки полувагона могут быть его повреждения об элементы погрузочных механизмов. Если эти повреждения носят характер ударов, то они будут зафиксированы магнитодинамическим датчиком 6. После того, как величина полученных ударов будет сравнена с нормативно допустимыми ударами, и в случае, если они превышают эту величину, то указанные удары будут признаны представляющими опасность для конструкции полувагона. На основании этого будет сформировано предупреждающее сообщение с указанием времени, места и силы полученного удара или ударов, которое записывается на флэш память 21, а также в качестве информационного сообщения посылается блоком 23 по каналу мобильной связи на ближайший ПТК.
Пример 3. Мониторинг резких динамических или ударных нагрузок, возникающих при движении полувагона.
В процессе движения полувагона могут возникать резкие динамические или ударные нагрузки, связанные, например, с резкими экстренными торможениями или связанные с его вписыванием в рельсовую кривую на слишком высокой скорости. Указанные нагрузки могут быть зарегистрированы при помощи магнитодинамического датчика 6 и акселерометра 7. При этом с датчиков 6 и 7 на мультиплексор 25 устройства 9 поступают сигналы, которые сравниваются с допустимыми значениями динамических и ударных нагрузок, хранящимися в ПЗУ 17 и при их превышении формируется предупреждающее сообщение с указанием времени, места и силы полученных нагрузок или удара, которое записывается на флэш память 21, в качестве информационного сообщения посылается блоком 23 по каналу мобильной связи на ближайший ПТК.
Пример 4. Мониторинг периодического динамического воздействия, возникающего при движении полувагона.
В процессе движения полувагона может возникать периодическое динамическое воздействие, связанное с образованием на колесах полувагона дефектов поверхности катания, которое может быть зарегистрировано с помощью акселерометра 7. Сигнал с акселерометра 7 поступает на мультиплексор 25 устройства 9, сравнивается с хранящимся в ПЗУ 17 нормативным допустимым сигналом и при превышении его, формируется предупреждающее сообщение с указанием времени, места и силы периодического динамического воздействия, которое одновременно записывается на флэш память 21, а в качестве информационного сообщения посылается блоком 23 по каналу мобильной связи на ближайший ПТК.
Пример 5. Мониторинг воздействия на полувагон, связанного с его ремонтом с подъемкой.
Если в процессе движения вагон попадал в ремонт, в котором была осуществлена его подъемка (в результате этого на полувагоне могут быть заменены колесные пары), то акселерометр 7 зафиксируют это, как длительное вертикальное ускорение. Поскольку указанное ускорение заведомо превышает нормативно допустимую величину сигнала, хранящегося в ПЗУ 17 устройства 9, то оно будет зафиксировано на флэш память 21, а в качестве информационного сообщения блоком 23 отправлено по каналу мобильной связи на ближайший ПТК.