Способ мониторинга технического состояния железнодорожного пути и устройство для его осуществления
METHOD FOR MONITORING OF TECHNOLOGICAL CONDITION OF RAILWAY TRACK AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Предлагаемое изобретение относится к железнодорожному транспорту и предназначено для непрерывной регистрации вертикальных и боковых сил взаимодействия в динамической системе «колесо-рельс», определения коэффициентов запаса устойчивости вагона от схода с рельсов и выявления дефектных участков пути с точной фиксацией их месторасположения на местности с использованием навигационных устройств.
Известно устройство регистрации вертикальных и боковых сил взаимодействия колеса и рельса (патент РФ №2441206 С1, МПК G01L 5/16, G01L 1/22, опубл. 27.01.2012 г.), включающее в себя цельнокатаную вагонную колесную пару, тензорезисторы, включенные диаметрально в полумостовые тензометрические схемы и размещенные по разные стороны от оси на концентричных диаметрах внутренней стороны диска колес с шагом 90° по дуге окружности, тензометрические усилители, программируемый логический контроллер, датчики регистрации поперечного и углового положения колесной пары относительно рельсов, блок синхронизации, блок передачи сигналов по радиоканалу, связанный с блоком приемки сигналов и бортовым компьютером по разные стороны от оси на концентричных диаметрах внутренней стороны диска колес с шагом 90° по дуге окружности, тензометрические усилители, программируемый логический контроллер, датчики регистрации поперечного и углового положения колесной пары относительно рельсов, блок синхронизации, блок передачи сигналов по радиоканалу, связанный с блоком приемки сигналов и бортовым компьютером.
В известном устройстве из-за расположения активных тензорезисторов с угловым интервалом π/2 на диске колеса и съеме информации в положении перпендикулярном рельсу, при диаметре колеса (950-1050) мм, путь, пройденный без регистрации силового воздействия составит 0,7-0,8 м за один оборот колеса.
Недостатками данного устройства являются: большой период расстановки активных тензорезисторов, который не позволяет данному устройству обеспечить достаточную выборку измерений вертикальных и поперечных сил при качении колесной пары по коротким неровностям пути, а дополнительный набор данных требует значительных временных затрат. Недостаточное количество информативных значений за оборот колеса и отсутствие учета продольной силы снижают точность определения коэффициента запаса устойчивости против схода колеса с рельса.
Также известно устройство для измерения вертикальных и боковых сил взаимодействия между колесом и рельсом (патент РФ №2591739 С1, МПК G01L 1/22, G01L 5/16, опубл. 20.07.2016 г.), включающее в себя железнодорожную колесную пару, тензорезисторы, предназначенные для измерения вертикальных и боковых сил, включенные диаметрально в полумостовые тензометрические схемы и расположенные на внутренней и наружной сторонах диска (4 тензорезистора на каждую диагональ), тензометрические усилители, программируемый контроллер, блок определения угла набегания колеса на рельс, флэш-накопитель, блок передачи сигнала по радиоканалу, принимающее устройство, бортовой компьютер. Тензорезисторы, расположенные на внутренней стороне диска колеса установлены на окружности размерностью 0,6-0,7 диаметра колеса, а тензорезисторы, расположенные на наружной стороне диска колеса, установлены на окружности размерностью 0,6-0,8 диаметра колеса. Тензорезисторы размещены на дуге окружности с угловым интервалом от 36° до 60°.
Известное решение разделяет тензометрические схемы на группы для отдельного анализа вертикальных и боковых сил, количество тензометрических схем колеблется от шести до десяти в зависимости от углового шага, что обеспечивает малый бесконтрольный интервал при качении колеса от 0,3 м до 0,5 м и дает возможность оценки влияния сравнительно коротких неровностей.
Недостатком указанного устройства является погрешность в определении силового воздействия между колесом и рельсом за счет отсутствия учета продольной составляющей вектора силы в «пятне» контакта и принятие истинных значений вертикальных и боковых сил как среднее от суммы точечных измерений за оборот колеса. Кроме того, расположение тензорезисторов снаружи колеса и наличие дополнительных средств анализа положения «пятна» контакта усложняют функциональную схему измерения и снижают надежность известного устройства при неблагоприятных условиях эксплуатации.
Известен способ определения местоположения на железнодорожном пути вагона-путеизмерителя (патент РФ 2370397, МПК B61L 25/00, опубл. 20.10.2009), в котором в процессе движения вагона-путеизмерителя измеряют пройденный им путь и регистрируют моменты прохождения и пройденное расстояние до путевых устройств - станций, переездов, стрелочных переводов, километровых столбиков, опор контактной сети и т.п. Полученные данные фиксируют и с их помощью определяют местоположение вагона-путеизмерителя. В процессе определения местоположения вагона-путеизмерителя регистрируют информацию о железнодорожных станциях, вычисляют расстояния между путевыми устройствами, преобразуют эти расстояния в двоичную кодовую последовательность местоположения, дополняют ее информацией о местонахождении железнодорожных станциях, вычисляют функцию взаимной корреляции двоичной кодовой последовательности местоположения и двоичной кодовой последовательности пути, находят ее абсолютный экстремум, при этом выявляют и корректируют возможные погрешности двоичной кодовой последовательности местоположения и определяют реальное положение вагона-путеизмерителя относительно путевых устройств.
Недостатком известного способа является сложность и трудоемкость вычисления местоположения вагона-путеизмерителя, а также невысокая точность получаемых результатов. Также необходимо отметить, что в настоящее время статус этого изобретения изменился на «прекратил действие». Связано это с моральным старением применяемых приборов и технических средств измерений и с появлением и распространением современных высокоточных навигационных устройств (GPS, ГЛОНАСС).
Известно также устройство сбора информации (тензометрическая колесная пара с криволинейным диском) и способ оценки результатов силового взаимодействия между колесом и рельсом (патент РФ 2682567, МПК G01L 1/22, опубликовано. 19.03.2019), принятое в качестве прототипа, содержащее железнодорожную колесную пару, активные тензорезисторы, размещенные только на внутренних сторонах дисках колеса и включенные в тензометрическую полумостовую схему с компенсационными тензорезисторами, оборудование сбора и беспроводной передачи данных WI-FI, маршрутизатор, модуль приемки данных и бортовой компьютер. Тензорезисторы, включенные в полумостовые схемы, регистрируют 64 динамических процесса за один оборот колеса и расположены диаметрально на двух концентрических окружностях внутренней стороны диска колеса.
Недостатками данного устройства являются: во-первых, точечная регистрация динамических процессов (приблизительно через 190 мм) что позволяет получать результаты расчета коэффициента запаса устойчивости от схода с рельсов только через такой достаточно длинный по длине и времени промежуток, и тем самым может способствовать пропуску возможного дефекта на рельсовом пути, и во-вторых, отсутствие фиксации точного местоположения возможных дефектов на поверхности катания рельсов.
Предлагаемое устройство и способ мониторинга технического состояния железнодорожного пути предназначены для непрерывной регистрации вертикальных и боковых сил взаимодействия в динамической системе «колесо-рельс», определения коэффициентов запаса устойчивости вагона от схода с рельсов и выявления дефектных участков пути с точной фиксацией их месторасположения на местности с использованием навигационных устройств.
Преимуществом такого устройства сбора информации и способа оценки результатов силовых взаимодействий между колесом и рельсом является высокая точность измерений сил, вертикальных и боковых, и возникающих между колесом и рельсом, по сравнению с существующими устройствами, а также повышение точности определения местоположения дефекта на рельсовом пути за счет применения непрерывного метода регистрации динамических процессов взаимодействия между колесом и рельсом и использования современных спутниковых навигационных устройств (GPS - устройств) для фиксации синхронизированных по времени силовых воздействий и мест нахождения возможных дефектов.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении точности определения местоположения дефекта на рельсовом пути за счет применения непрерывного метода регистрации динамических процессов взаимодействия между колесом и рельсом и навигационных устройств.
Указанный технический результат достигается тем, что на внутренней стороне диска колеса на четырех концентричных окружностях с угловым шагом 22,5° устанавливаются тензорезисторы таким образом, чтобы схемы подключения тензорезисторов позволяли суммировать оцифрованные сигналы от тензорезисторов, расположенных на одном из четырех диаметров каждого внутреннего диска колеса, и получить в сумме четыре выходных сигналов.
+
Величины вертикальных и боковых сил взаимодействия между колесом и рельсом для любого момента времени t определяют по общей формуле через суммирование произведений постоянных коэффициентов, входящих в состав псевдообратной матрицы [G], к матрице [G] влияния, составленной при проведении четырех отдельных градуировочных нагружений, на значения выходных сигналов S от установленных тензорезисторов
а
а
11
24
1
4
+
где Q(t) - вертикальная сила между колесом и рельсом, определяемая в заданный момент времени; P(t) - боковая сила межу колесом и рельсом, определяемая в заданный момент времени; … - постоянные коэффициенты, входящие в состав псевдообратной матрицы [G] к матрице [G] влияния, составленной при проведении градуировочных нагружений; S(t)…S(t) - выходные сигналы от установленных тензорезисторов в заданный момент времени.
Сущность заявляемого изобретения поясняются графическим материалом.
На фигуре 1 показано расположение элементов устройства на железнодорожной колесной паре.
На фигуре 2 показано сечение А-А фигуры 1.
На фигуре 3 показана блок-схема подключения приемопередающих устройств.
Устройство содержит на внутренней стороне 9 диска 3 колеса 4 (фиг. 1, 2) колесной пары 1 на четырех концентричных окружностях 5-8 (фиг. 2) с угловым шагом 22,5° тензорезисторы 2. При этом тензорезисторы 2 соединяются таким образом, чтобы схемы 10-13 и 14-17 (фиг. 3) подключения тензорезисторов позволяли суммировать оцифрованные сигналы от тензорезисторов, расположенных на одном из четырех диаметров каждого внутреннего диска 9 колеса 4, и получить в сумме четыре выходных сигнала, которые через многофункциональное измерительное оборудование сбора и передачи информации, которое условно разделено на два независимых блока 18 и 19, каждый из которых отвечает за регистрацию данных с отдельного колеса, передает по радиоканалу через маршрутизатор 20 и модуль приемки сигналов 21 оцифрованные сигналы с тензометрических схем 10-13, 14-17 в бортовой компьютер 22 по беспроводной сети Wi-Fi.
Способ мониторинга технического состояния железнодорожного пути заключается в компьютерной обработке входных сигналов для определения вертикальных и боковых сил взаимодействия между колесом и рельсом.
Алгоритм градуировочных нагружений и обработки следующий.
Для составления матрицы [G] влияния осуществляется четыре отдельных градуировочных нагружения со следующими комбинациями действующих нагрузок:
T1
1) вертикальной силой Q, расположенной в середине поверхности катания колеса;
T2
T2
2) одновременно вертикальной силой Q, расположенной в середине поверхности катания колеса, и боковой силой P;
3) вертикальной силой , смещенной на расстоянии l наружу колеи от круга катания;
4) вертикальной силой , смещенной на расстоянии l внутрь колеи от круга катания.
11
44
11
34
В результате градуировочных нагружений по выходным сигналам S…S с тензометрических схем определяются коэффициенты g…g матрицы [G] влияния
11
14
21
24
31
34
41
44
где S…S - выходные сигналы тензорезисторов 2 при нагружений вертикальной силой, расположенной в середине поверхности катания колеса 4; S…S - выходные сигналы тензорезисторов 2 при одновременном нагружений вертикальной силой, расположенной в середине поверхности катания колеса 4, и боковой силой; S…S - выходные сигналы тензорезисторов 2 при нагружений вертикальной силой, смещенной на расстоянии l наружу колеи от круга катания; S-S - выходные сигналы тензорезисторов при нагружении вертикальной силой, смещенной на расстоянии l внутрь колеи от круга катания.
Далее вычисляется псевдообратная матрица по отношению к известной матрице [G] влияния
+
T
-1
T
[G]=([G]×[G])×[G].
а
а
11
24
+
Таким образом, постоянные коэффициенты …, входящие в состав псевдообратной матрицы [G], используются при определении величин вертикальных и боковых сил взаимодействия между колесом и рельсом. Измерение значений вертикальной силы Q(t) и боковой сил P(t) между колесом и рельсом по поступающим сигналам S тензорезисторов осуществляется по следующим математическим формулам
или в матричном виде
а
а
11
24
1
4
+
где Q(t) - вертикальная сила между колесом и рельсом, определяемая в заданный момент времени; P(t) - боковая сила межу колесом и рельсом, определяемая в заданный момент времени; … - постоянные коэффициенты, входящие в состав псевдообратной матрицы [G] к матрице [G] влияния, составленной при проведении градуировочных нагружений; S(t)…S(t) - выходные сигналы от установленных тензорезисторов в заданный момент времени.
Дальнейшая компьютерная обработка зарегистрированной информации - динамических процессов (вертикальных и боковых сил) производится по формуле (9.10) ГОСТ 33788-2016 «Вагоны грузовые и пассажирские. Методы испытаний на прочность и динамические качества» и заключается в вычислении мгновенных значений коэффициентов запаса устойчивости от схода вагонов с рельсов.
Синхронизированная в каждый момент времени информация, содержащая поток вычисленных мгновенных значений коэффициентов запаса устойчивости вагона от схода с рельсов, сопровождается анализом на превышение численных значений этих коэффициентов и силовых воздействий нормативно - допустимым значениям и потенциально предполагает наличие дефектных участков на железнодорожном пути. Для таких выделенных участков пути ведется и фиксация геокоординат (широты и долготы) с помощью навигационных спутниковых средств для выявления дефектных участков пути.
Таким образом достигается технический результат.