Система диагностики и удаленного мониторинга усилия натяжения проводов и тросов контактной сети железной дороги
SYSTEM OF DIAGNOSTICS AND REMOTE CONTROL OF WIRE TENSION FORCE AND CABLES OF RAILWAY OVERHEAD SYSTEM

Изобретение относится к дистанционным измерительным системам и предназначено для использования в системах диспетчерского контроля и мониторинга контактной сети железнодорожного транспорта.
Контактная подвеска - один из элементов системы токосъема. Основной параметр контактной подвески - эластичность, под которой понимается значение подъема контактного провода в какой-либо точке пролета под действием приложенной к нему в этой же точке направленной вверх единичной вертикальной силы, например равной 1 Н. Для хорошего токосъема необходимо определенное натяжение провода, которое не будет изменяться в зависимости от температуры окружающей среды и других климатических факторов. Отклонение фактических натяжений и стрел провеса проводов (кроме контактных) от установленного монтажными таблицами в любом пролете и при любой температуре окружающего воздуха не должно превышать ±10%. (Согласно: Сборник правил и инструкций по эксплуатации электрифицированных железных дорог. Правила устройства и технической эксплуатации контактной сети электрифицированных железных дорог ЦЭ-197).
Широко распространенный на сегодняшний день подход по обслуживанию и ремонту контактной сети железнодорожных путей заключается в выявлении состояния элементов контактной сети путем периодических осмотров и непосредственных измерений. Измерения, выполняемые вручную, и периодические осмотры контактной сети являются экономически неэффективными и дают недостаточно точные результаты.
Известно устройство для замера и регистрации износа контактного провода, содержащее установленные на токоприемнике подвижного средства кронштейны с линейным осветителем контактного привода, расположенным вдоль полоза токоприемника и соединенным с выходом источника питания, и сборкой светоприемников, а также блок обработки и индикации информации, при этом в качестве светоприемников использованы установленные в один ряд параллельно полозу токоприемника и линейному осветителю телевизионные камеры с объективами, светофильтрами и линейными многоэлементными фотоприемными устройствами со схемами управления, а объектом наблюдения каждой телекамеры при движении вагона-лаборатории является светящаяся полоса на контактном проводе, при этом ширина площадки износа определяется числом ячеек камеры, имеющих повышенную относительно соседних элементов яркость (патент РФ №2120866, В60М 1/12, В60М 1/13, публикация 1998 г.).
Известно устройство для контроля состояния контактного провода, содержащее закрепленное на токоприемнике основание с установленной на нем оптической системой, состоящей из датчика, включающего в себя источник и приемник светового излучения, расположенные по разные стороны от контактного провода, при этом основание закреплено посредством рычажной системы с исключением непосредственного контакта с контактным проводом, а установленная на нем оптическая система включает в себя ряд датчиков, размещенных вдоль оси контактного провода, причем каждый датчик представляет собой систему из двух излучателей, расположенных по разные стороны от контактного провода и выполненных с возможностью формирования световых лучей малой расходимости, и двух приемников светового излучения (патент РФ №2134203, МПК В60М 1/12, публикация 1999 г.).
Известна система контроля параметров контактной сети железной дороги, которая размещена на оборудованном механизмом пантографа самоходной подвижной единице железнодорожного транспорта и содержит датчик высоты подвеса контактного провода, датчик положения контактного провода в плане, датчик температуры окружающего воздуха, источник питания, блок сбора и передачи сигналов, пульт управления, устройство для определения положения контактного провода в плане с размещенными в нем n датчиками положения контактного провода (патент РФ №68977, МПК В60М 1/12, публикация 2007 г.).
Оценка состояния контактной сети с помощью вагона-лаборатории дает возможность в процессе проезда вагона по линии обеспечить измерение высоты подвески контактного провода, его износа, нажатие полоза токоприемника на контактный провод, напряжение в контактной сети.
Недостатком известных систем контроля состояния контактной сети с помощью вагонов-лабораторий является то, что эти измерения носят периодический характер, при этом не обеспечивается возможность наблюдения за напряженно-деформированным состоянием элементов контактной сети.
Для обнаружения на ранней стадии изменений состояния контактной сети необходим постоянный непрерывный контроль ее элементов. Современная система текущего содержания контактной сети требует использования измерительных систем, которые делают возможным автоматический контроль состояния элементов контактной сети без больших затрат времени и с минимальным привлечением персонала.
Для определения усилия растяжения троса и для измерения силы натяжения в канатах используются различные устройства.
Например, известно устройство для определения усилия растяжения троса. Устройство снабжено двумя упругими элементами с тензорезисторами, закрепленными на тросе. При приложении усилия растяжения к тросу последний удлиняется и косвенно воздействует на упругие элементы с тензорезисторами, выходной сигнал которых пропорционален усилию растяжения (патент РФ №1497467, публикация 1989 г.).
Известно также устройство для измерения силы натяжения в канатах. Устройство размещается между прядями каната и состоит из корпуса в виде стакана, в который вставлен воспринимающий механизм. При натяжении каната цилиндр, перемещаясь относительно корпуса, создает воздействие на чувствительный элемент, выполненный в виде пьезоэлемента. Выходной сигнал пьезоэлемента пропорционален силе натяжения каната (патент РФ №1481606, публикация 1989 г.).
Известна система контроля и диагностики параметров контактной сети железной дороги, которая размещена непосредственно на элементах контактной сети, датчики данной системы установлены на несущем тросе и контактном проводе непосредственно за роликами блоков грузокомпенсирующих устройств и/или над гирляндами грузов грузокомпенсирующих устройств, размещенных на анкерных опорах контактной сети (патент РФ №2444449, МПК В60М 1/12, публикация 2010 г.).
Известная система непрерывного во времени автоматизированного контроля состояния элементов контактной сети, которая основана на использовании вибродиагностики, а в качестве датчиков, которые лежат в основе сенсорной части, используются акселерометры.
Однако известное техническое решение не позволяет оценить усилие натяжения проводов и тросов контактной сети в режиме реального времени.
Известна система мониторинга объектов железнодорожной инфраструктуры, содержащая, по меньшей мере, одну станцию сбора и первичной обработки данных и связанные с ней и между собой посредством радиосвязи измерительные модули, размещенные в критических местах контролируемых объектов железнодорожной инфраструктуры, центральный блок сбора данных, связанный со станцией сбора и первичной обработки данных, при этом каждый измерительный модуль включает автономный источник питания, сенсорные датчики, приемопередатчик и микроконтроллер, каждая станция сбора и первичной обработки данных включает автономный источник питания, контроллер и приемопередатчик, соединенный посредством радиоканала с приемопередатчиками измерительных модулей, а центральный блок сбора данных включает вычислительный блок, базу данных, блок управления и приемопередатчик, соединенный посредством радиоканала с приемопередатчиками станций сбора и первичной обработки данных, при этом измерительные модули в одном из вариантов исполнения выполнены с возможностью осуществления измерения натяжения контактной сети, причем каждый такой модуль выполнен с возможностью его установки в подвижном ролике компенсаторной подвески контактного или несущего провода, закрепленного на контролируемой опоре, и дополнительно включает датчик измерения углов поворота подвижного ролика и датчик температуры окружающей среды (патент РФ №2584756, МПК B61K 9/08, публикация 2016 г. - ближайший аналог).
Известное техническое решение не обеспечивает необходимую точность диагностики и имеет повышенную трудоемкость при использовании.
Задачей настоящего изобретения является создание системы диагностики и удаленного мониторинга контактной сети железной дороги, обеспечивающей возможность производить в непрерывном автоматическом режиме на ранней стадии обнаружение возникающих изменений усилия натяжения проводов и тросов, анализ полученных результатов измерений и выдачу оперативному персоналу извещений об аварийных и предаварийных ситуациях.
Технический результат изобретения заключается в получении объективной оценки о состоянии натяжения проводов и тросов контактной сети в режиме реального времени и возможности принятия своевременных превентивных ремонтных мероприятий по замене дефектных участков контактной сети и регулировке контактной сети.
Сущность изобретения состоит в следующем.
Система диагностики и удаленного мониторинга (СДУМ) контактной сети железной дороги включает закрепленные на анкерных опорах контактные провода, троса и грузокомпенсирующие устройства и содержит расположенные вдоль контактной сети по всей ее длине измерительные устройства, соединенные со стационарно размещенными вдоль контактной сети блоками сбора и передачи информации, которые соединены посредством проводной и/или беспроводной связи с размещаемым на узловой станции промежуточным концентратором информации СДУМ, соединенным посредством проводной и/или беспроводной связи с единым концентратором информации о состоянии элементов контактной сети железной дороги, при этом измерительные устройства выполнены в виде датчиков измерения усилия натяжения тросов и проводов контактной сети, расположенных на участках несущего троса и контактного провода непосредственно за роликами блоков грузокомпенсирующих устройств и/или над гирляндами грузов грузокомпенсирующих устройств и/или на тросах средней анкеровки, причем каждое измерительное устройство соединено посредством проводной связи с близлежащим блоком сбора и передачи информации, каждый из которых содержит автономный источник питания, микропроцессорное устройство для первичной аналого-цифровой обработки информации с датчика измерения усилия натяжения тросов и проводов контактной сети, и устройство радиосвязи между блоком и промежуточным концентратором информации СДУМ.
На фиг. 1 изображена структурная схема блока сбора и передачи информации с датчиком усилия системы диагностики и удаленного мониторинга; на фиг. 2 показаны места установки блоков сбора и передачи информации и датчика усилия.
Система диагностики и удаленного мониторинга (СДУМ) контактной сети железной дороги содержит блоки сбора и передачи информации 1, закрепленные на участках несущего троса 2 и контактного провода 3 непосредственно за роликами блоков 4 грузокомпенсирующих устройств и/или над гирляндами грузов 5 грузокомпенсирующих устройств, которые размещены на анкерных опорах 6 контактной сети, расположенных на расстоянии 1200-1600 метров друг от друга по всей длине контактной сети. Блоки сбора и передачи информации также могут быть закреплены на тросах средней анкеровки (не показано).
Для контроля за состоянием усилия натяжение проводов и несущего троса контактной сети на одном анкерном участке (между двумя соседними анкерными опорами) достаточно размещение 4 (четырех) датчиков усилия натяжения.
Каждый блок сбора и передачи информации 1 соединяется с одним датчиком усилия 7. Возможно на микросхеме в комплекте с блоком сбора передачи информации использовать датчик вибродиагностики (трех-координатный акселерометр), датчик магнитного поля (регистрация перемещения) и датчик температуры (не показаны). В этом случае подключение датчика усилия может быть осуществлено через блок сбора согласно схеме, описанной в патенте РФ №2444449.
Блок сбора и передачи информации 1, соединенный с датчиком усилия 7, содержит автономный источник питания 8, микропроцессорное устройство (МПУ) 9, устройство радиосвязи 10 между блоком и размещаемым на узловой станции железной дороги промежуточным концентратором информации СДУМ. Для связи датчика с блоком сбора информации служит внешний кабель 11.
Промежуточный концентратор информации соединен посредством проводной и/или беспроводной связи с единым концентратором информации о состоянии элементов контактной сети железной дороги.
Предложенная система непрерывного во времени автоматизированного контроля состояния натяжения проводов и тросов контактной сети основана на использовании датчиков усилия и блоков сбора и передачи информации.
При возникновении причин, непосредственно оказывающих влияние на провода и троса контактной сети, они вызывают изменения в датчиках усилия, непосредственно связанных с этими элементами.
Датчик усилия представляют собой тензобалку, в которую через специальные проемы вставляется трос и посредством его натяжения осуществляется деформация тензобалки. Класс точности - G5, корпус тензодатчика выполнен из стали с никелевым покрытием, класс защиты -IP67 (пыле и влагозащищенность).
Блок сбора и передачи информации осуществляет анализ параметров изменения усилия натяжения с частотой до 1 раз в секунду.
Посредством микропроцессорного устройства, входящего в блок сбора и передачи информации, осуществляется управление, первичная обработка информации с датчиков усилия.
Элемент сопряжения СПД блока обеспечивает стыковку, регистрацию, безопасность в сети СПД устройств системы СДУМ контактной сети. Это связано с необходимостью выполнения требований по безопасному подключению к общетехнологической сети передачи данных железной дороги.
Полученные результаты по каналу радиосвязи передаются на промежуточные концентраторы СДУМ, расположенные через 15-20 км на узловых станциях по всей длине контактной сети. Промежуточные концентраторы СДУМ обеспечивают сбор и анализ информации, полученной от блоков сбора и передачи информации с последующей передачей данных в единый концентратор информации о состоянии элементов контактной сети железной дороги.
Оценка усилия натяжения проводов и тросов контактной сети производится в автоматическом режиме по результатам анализа данных, который выполняется программным обеспечением на сервере СДУМ, расположенном в информационно-вычислительном центре дороги.
Предложенное техническое решение позволяет контролировать: усилия натяжения несущего троса и контактного провода, в том числе по связи с фактическим износом, обрыв несущего троса, обрыв контактного провода; изменение величины натяжения несущего троса и контактного провода при нарушении нормальной работы компенсирующих устройств блочно-грузового типа или падения посторонних предметов на трос и/или контактный провод; контроль целостности элементов грузокомпенсации, а также позволяет фиксировать поворот консолей за счет установки датчиков на трос средней анкеровки.
Использование предложенной системы диагностики и удаленного мониторинга позволяет улучшить условия токосъема за счет своевременного обнаружения предаварийных и аварийных ситуаций и возможности принятия превентивных ремонтных и регулировочных мероприятий, снизить расходы на эксплуатацию контактной сети железной дороги.