Измеритель скорости локомотива
LOCOMOTIVE SPEED METER

Изобретение относится к области информационно-измерительной техники и предназначено для измерения параметров движения железнодорожных составов.
Известны локомотивные скоростемеры, предназначенные для измерения, регистрации и сигнализации параметров (скорость, время, расстояние и так далее) движения поезда (Венцевич Л.Е. Локомотивные скоростемеры и расшифровка скоростемерных диаграммных лент, М.: УМК МПС России, 2002. С. 272. ISBN 5-89035-052-8 [1], Астрахан В.И., Зорин В.И., Кисельгоф Г.К. Унифицированное комплексное локомотивное устройство безопасности (КЛУБ-У), М.: УМЦ по образованию на железнодорожном транспорте, 2007. С. 272. ISBN 978-5-89035-465-5 [2]).
Так, например, известный локомотивный скоростемер типа 3СЛ-2М предназначен для выполнения следующих функций: отображение скорости движения, суточного времени и пройденного пути; регистрации скорости движения, времени движения и стоянок, пройденного пути, направления движения, давления воздуха в тормозной системе, огней локомотивного светофора, наличия напряжения питания на катушке ЭПК, состояния системы автоматического управления торможением (при наличии); сигнализации (для системы АЛСН) о достижении контролируемых скоростей.
Для регистрации параметров движения используется бумажная лента шириной 79,5 мм, покрытая сернокислым барием. На ленту типографским способом наносятся линии и цифры, используемые при расшифровке. Лента разделена на два поля - поле скорости (между нижними и средними километровыми наколами) и поле времени (между средними и верхними километровыми наколами). В каждом из этих полей нанесены линии, обозначающие минимальное, максимальное и промежуточные значения. На поле скорости регистрируется значение скорости, тормозного давления и направление движения, на поле времени - получасовые интервалы времени, часовые наколы, огни локомотивного светофора (желтый, красно-желтый, красный), питание катушки ЭПК, состояние САУТ.
Из-за конструктивных особенностей скоростемера только писец скорости и писец времени находятся на одной линии, остальные писцы сдвинуты относительно их линии: ЭЖ, САУТ - на 27 мм влево, ЭК, ЭКЖ, ТД, НД - на 20 мм вправо, ЭЭ - на 42,5 мм вправо. Лентопротяжный механизм скоростемера приводится в движение от колесной пары локомотива через редуктор и валик привода прибора, выходящий из корпуса слева внизу. Три ряда игл на лентопротяжном валике предназначены для протягивания ленты, кроме того, наколы от них показывают пройденный путь. Расстояние между наколами 5,0 мм, что соответствует 1 км пройденного пути. Скорость протяжки ленты пропорциональна скорости движения локомотива. Лента наматывается на ведущую катушку, вращаемую от лентопротяжного валика через зубчатые колеса и фрикционное устройство, которое обеспечивает постоянное натяжение скоростемерной ленты. Пластина регистратора, выполненная из упругой латуни и хромированная, служит для фиксации положения ленты при давлении на нее пишущих узлов писцов. Кроме того, усилием, с которым эта пластина прижимается к игольчатому валику, обеспечивается постоянство длины протяжки ленты - на каждые 20 наколов - 100 мм. Это имеет важное значение при расшифровке показаний скоростемерной ленты, поскольку шаблоны расшифровки выполнены с соблюдением этого условия. Для ручной протяжки ленты при заправке в прибор игольчатый валик вращается вручную. Эту возможность обеспечивает храповой механизм, через который валик соединен с системой шестерен прибора.
Реверсивный механизм обеспечивает работу скоростемера вне зависимости от направления движения поезда. Он смонтирован на валике привода прибора и представляет собой две конических шестерни - одну выше, другую ниже конической шестерни собственно механизма и два встречно направленных храповых механизма, смонтированных каждый на своем фланце валика привода и сцепленных каждый со своей шестерней. Механизм измерения скорости приводится от одного вала с лентопротяжным механизмом, от него же подзаводится специальный часовой механизм (часовой ход) узла измерения скорости (к часам скоростемера отношения не имеет), звук работы которого хорошо слышен при движении. От часового хода с постоянной скоростью поворачивается вертикально установленный валик с продольными пазами, в пазах которого укреплены три стальных зубчатых сегмента, могущие свободно ходить в пазах. По цилиндрической поверхности сегментов прорезаны мелкие кольцевые канавки, в профиль похожие на треугольнички. Сбоку к сегментам прижимается зубчатый ролик с такими же канавками, похожими на ответную часть резьбы. Ролик приводится во вращение от колесной пары через систему шестерен в скоростемере, и вращаясь, поднимает сегмент, с которым он находится в зацеплении. Получается что-то похожее на пару "шестеренка - зубчатая рейка". В каждый момент времени один из сегментов поднимается вращающимся роликом, второй зафиксирован в положении, до которого был поднят, специальным фиксирующим роликом, также имеющим резьбу и перекатывающимся по образованной тремя сегментами зубчатой цилиндрической поверхности, а третий, расцепившись, падает вниз, в исходное положение. Фиксирующий ролик позволяет стрелке указателя скорости устойчиво, без провалов вниз показывать текущую скорость движения.
Чем больше скорость - тем выше сегмент успевает подняться за время нахождения в зацеплении с колесом (пока вал не повернулся и не ввел зацепление с колесом следующий сегмент). Над сегментами стоит зубчатая рейка с шарикоподшипниками, приводящая стрелку скоростемера и писец скорости. Сегмент, вышедший из зацепления с колесом, под собственным весом и давлением шарикоподшипника падает вниз и цикл измерения скорости повторяется с другим сегментом.
Направление движения регистрируется писцом, находящимся у линии нулевой скорости. При движении вперед он прочерчивает тонкую линию, при движении задним ходом этот писец через специальный рычаг в механизме прибора приводится реверсивным механизмом в движение и прочерчивает вертикальные линии у нулевой линии скорости. Поскольку это происходит часто, на скоростемерной ленте появляется одна толстая линия в районе между нулевой и линией 10 км/ч. Для отображения и регистрации времени используются специальные часы скоростемера, небольшой 24-часовой циферблат которых установлен на основном циферблате скорости, в течение получаса плавно поднимают минутный писец. По истечении 29-30-й и 59-60-й минуты писец времени падает прочерчивая вертикальную линию, и снова начинается запись следующего отрезка времени. По истечение 1 часа ±1 минута дополнительно отмечается проколом ленты. Игла, делающая часовые проколы, поднимается до верхней точки за 24 часа. Завод часов и перевод стрелок осуществляются ключом, который виден справа вверху у застекленного полукруглого окошка циферблата в районе цифр 100-110 км/ч. Ключ всегда вращается по часовой стрелке. Для перевода часов необходимо немного вытянуть ключ из корпуса. После установки времени он возвращается назад под действием возвратной пружины. Полный завод обеспечивает ход в течение 36 часов.
Для регистрации состояния системы САУТ скоростемеры оборудуются дополнительным пятым электромагнитом с писцом.
Также известны скоростемеры серии КПД-3, представляющие собой микропроцессорное контрольно-измерительное устройство для тягового подвижного состава, обеспечивающие более высокую точность измерений и достоверность при расшифровке поездной информации: погрешность 3СЛ2М до 12 км/ч; погрешность КПД-3 не более ±1 км/ч.
Регистрация скоростемерной информации в КПД-3 производится: на бумажную (пластиковую) ленту; в электронный съемный модуль памяти; в электронный блок регистрации информации защищенный, действующий как «черный ящик».
Расшифровка данных с модуля памяти после поездки проводится автоматически в специальной компьютерной программе ЭМ-Эксперт, которая подробно отображает данные о состоянии тормозной системы, сигналах светофора, скорости, времени и других параметрах поездки. Основной функцией скоростемера является измерение, индикация и регистрация скорости, пройденного пути, времени, тормозного давления и параметров АЛС.
Дополнительно КПД-3 измеряет величину ускорения (замедления) движения локомотива, что обеспечивает повышение безопасности движения и ресурсосбережение: машинист может оперативно применять режимы торможения и тяги при управлении поездом на пути с любой сложностью профиля, контролировать трогание с места без опасности разрыва состава, оперативно проверять эффективность тормозов.
Последняя модель КПД-3В позволяет регистрировать и впоследствии анализировать расход электроэнергии на локомотиве по трем каналам (например, на тягу, рекуперацию и на отопление вагонов). КПД-3В также контролирует плотность тормозной магистрали.
Скоростемеры серии КПД-3П предназначены для использования на локомотиве при маневровой работе, на малодеятельных участках, в пригородном движении, а также на промышленных предприятиях.
Запись скоростемерной информации производится в электронный съемный модуль памяти для послерейсовой автоматизированной расшифровки.
Каждый следующий вид скоростемера серии КПД-3П дополняется новыми функциями.
Скоростемеры КПД-3ПА используются для локомотивов промышленных предприятий, а также для дооснащения подвижного состава, выходящего на ж/д пути общего пользования. КПД-3ПА выполняет функции: измерение, индикацию и регистрацию скорости, ускорения, пройденного пути, времени, давления и другой скоростемерной информации; сигнализацию превышения контролируемых скоростей; выдачу сигналов для управления гребнесмазывателем и песочницей.
Комплекс КПД-3ПС также включает в себя функции определения местоположения локомотива и измерения расхода топлива.
Скоростемеры КПД-3ПВ используются для оснащения ж/д транспорта «с нуля» согласно требованиям нормативных документов и дополнительно выполняют: предварительную световую сигнализацию при периодической проверке бдительности с реализацией алгоритма с "верхней" рукояткой бдительности; контроль самопроизвольного ухода локомотива; контроль несанкционированного отключения электропневматического клапана (ЭПК) ключом ЭПК.
Скоростемер КПД-3ПС используется на тепловозах и специальном самоходном подвижном составе промышленных предприятий, выполняет функции КПД-3ПА и КПД-3ПВ, а также дополнительно осуществляет: измерение температуры и плотности топлива в баке локомотива; определение расхода топлива в литрах и килограммах за любой промежуток времени; определение местоположения локомотива по системам спутниковой навигации ГЛОНАСС и GPS; передачу данных о текущих географических координатах локомотива и другой поездной информации на сервер пользователя; получение команд управления с сервера пользователя.
Важную роль в своевременном срабатывании устройств безопасности играет точность измерения параметров движения (Марюхненко B.C. Информационный анализ навигационного обеспечения управляющих систем подвижных транспортных объектов:
монография; - Иркутск: изд-во ИрГУПС, 2009. - 112 с. [3]), в частности, скорости железнодорожной единицы(B.C. Марюхненко, Мухопад Ю.Ф., Демьянов В.В., Миронов Б.М.. Информационное обеспечение подвижных транспортных средств на основе интегрированных навигационных систем: Монография; под ред. д-ра техн. наук, профессора B.C. Марюхненко. - Новосибирск: Наука, 2014. - 256 с. [4]).
Между тем, одометрические измерители скорости, применяемые на современных локомотивах железных дорог РФ, имеют большую погрешность измерения (от 0,5 до 2,0 км/ч в зависимости от скорости движения в диапазоне от 0 до 80 км/ч), что препятствует и повышению точности соблюдения временного графика движения, и сокращению допусков на срабатывание устройств безопасности (Козюков А.И. Локомотивный скоростемер. Информационная система [Электронный ресурс] - Режим доступа: www.ielectro.ru [5]). Устройство КЛУБ-У. Руководство по эксплуатации. Часть первая. 36991-00-00 РЭ. - Ижевск: изд-во ИРЗ, 2014. - 264 с. [6]). Кроме недостаточно высокой точности измерений известные скоростемеры имеют дополнительные составляющие погрешности измерений при неполном сцеплении колеса с рельсом (юз, буксование колес), зависимость погрешности измерения от износа бандажей колес (Правила технической эксплуатации железных дорог Российской федерации: утв. Приказом Минтранса России от 21.12.2010 г. N286. - М.: ООО «Трансинфо ЛТД». 2011. - 256 с. [7]).
Сокращению допусков на срабатывание пешеходной и переездной сигнализации на перегонах препятствует расчет их параметров на основании максимально допустимой скорости поездов на участке приближения, без учета фактической скорости. В реальности, допустимая скорость для разных типов поездов отличается (Приказ об установлении наибольших допускаемых скоростей движения поездов и одиночных локомотивов по главным и приемоотправочным путям от 30.09.2014 г. N ЗабДИ-310/л. - Чита, 2014 [8]). Большой промежуток времени от срабатывания сигнализации до фактического подхода подвижного состава приводит к случаям нарушения правил дорожного движения водителями транспортных средств (пешеходами) и пересечению переезда (пешеходного перехода) на красный сигнал светофора.
Общей проблемой на ж/д транспорте является измерение малых скоростей движения с начала трогания с места и в самом конце движения, вплоть до остановки. Это объясняется тем, что для измерения скорости применяются механические датчики, которые обладают значительной погрешностью измерения, кроме того, при пробуксовке и юзе они не работоспособны.
Известны также автодинные радиолокаторы малого радиуса действия с частотной модуляцией, которые нашли широкое применение на ж/д транспорте в качестве измерителей параметров движения вагонов на сортировочных горках, локомотивов относительно полотна дороги, обнаружителей занятости стрелочных переводов и ж/д переездов, датчиков предупреждения столкновений и многое другое, (Носков В.Я. и др. «Современные гибридно-интегральные автодинные генераторы микроволнового и миллиметрового диапазона и их применение» ч. 9 «Радиолокационное применение автодинов. Успехи современной радиоэлектроники», 2016, №3, стр. 32-80 [9]).
Недостатком этих измерителей является большая сложность выделения полезных сигналов на фоне многочисленных помех радиопомех при работе в зоне станций, а также необходимость определения и ввода поправок при неоднородной шероховатости подстилающей поверхности при измерении скорости локомотива при использовании доплеровского эффекта.
Также известен патент RU №2378654 от 10.01.2010 г. «Локомотивная система определения скорости движения и пройденного пути» [10], которая содержит три приемоизлучающих устройства, каждое из которых включает блок СВЧ-излучателя с передающей антенной и приемный блок отраженного СВЧ-излучения с приемной антенной и усилителем и программируемый микропроцессор с двумя блоками корреляционно-экстремальной обработки. Все приемоизлучающие устройства расположены последовательно по продольной симметрии рельса и отраженные сигналы от подстилающего балласта, воспринимаются и анализируются по специальному обеспечению.
Недостаток: очень сложное схемное решение за счет применения корреляционной обработки, а также нестабильная работа в экстремальных условиях эксплуатации, при неблагоприятных погодных условиях. Эта система вообще не применима в высокоскоростных ж/д магистралях, в которых не используются шпалы, а есть только прочное подстилающее основание на всем пути, т.е. нет балласта в обычном смысле этого слова, т.е. нет реперов для отчетов. В настоящее время намечается тенденция перехода электрического ж/д транспорта на постоянном токе на переменный ток промышленной частоты, это дает значительное повышение эксплуатационных характеристик одновременно с применением управления всеми двигательными (ведущими) колесами локомотива по схеме мотор/колесо от центрального процессора. Это предъявляет повышение требований к измерениям параметров движения как на сверхмалых (0.5-2 м/с), так и на больших скоростях (300-500 км/ч).
2
Для повышения точности измерения скорости движения локомотива на ж/д пути, особенно на малых скоростях, начиная с момента трогания с места с определением направления движения предложена и система определения скорости локомотива и направления движения (патент RU №2769956С1, 11.04.2022[11]), основанные на применении - использовании искусственных ориентиров - маркеров вдоль геометрии ж/д пути в виде накладок для крепления рельсов к шпалам, характеризующиеся тем, что по мере движения локомотива излучающей по двум последовательным каналам зондирующие радиолокационные сигналы, принимают отраженные от меток ответные сигналы и, зная расстояние-базу между зондирующими - приемными каналами, а так же засекают время между проходом ответных импульсов от текущей метки по каждому каналу по формуле: S=V*t, где S=L (расстояние между каналами), t - время прохода метки.
рд
рм
r
Определяют скорость локомотива по выражению: V=S/t=2/Δt, а по последовательности времени прохода каналами метки определяют направление движения, так если последовательность первый-второй канал, то движение вперед, если же второй-первый, то назад; при движении с места все отсчеты проводят по второй метке. При этом технический результат достигается за счет применения двух последовательных радиолокаторов малого радиуса действия, размещенных в подкузовном пространстве локомотива, а в качестве маркеров по геометрии ж/д пути выбраны накладки крепления рельсов к шпалам и оптимальной обработки отраженных от маркеров сигналов. Существенным недостатками данного технического решения является размещение радиолокаторов в подкузовном пространстве локомотива, что приводит к появлению флуктуационных составляющих, обусловленных переотражением зондирующих сигналов от конструктивных элементов локомотива, а также возникновение погрешностей, из-за влияния вихревых воздушных потоков, содержащих бытовой мусор. Известны также устройства для измерения скорости железнодорожных подвижных объектов, которые представляют собой радиолокационные доплеровские измерители скорости (М.А. Гурулева, B.C. Марюхненко. Применение доплеровского измерителя для определения скорости подвижных железнодорожных единиц. Иркутск. Иркутский государственный университет путей сообщения. 2016, №1(108), с. 129-142 [12]) и в которых радиальную скорость определяют, дифференцируя значения дальности (по показаниям радиодальномера), или, оценивая конечную разность дальностей на границах фиксированного интервала времени. При этом отмечается, что достичь гораздо большей точности измерений позволяет использование доплеровского эффекта. При этом, способы радиолокационного измерения отличаются видом излучаемых (непрерывные или импульсные) и характером принимаемых сигналов (прямые или отраженные). Высокие требования к точности измерений скорости железнодорожного транспорта обуславливают выбор между доплеровским измерителем скорости (ДИС) импульсного и непрерывного излучения в пользу последнего. При непрерывном излучении электромагнитных колебаний (ЭМК) взаимное движение передатчика П и приемника П с относительной скоростью V приводит к смещению частоты принимаемых сигналов:
o
o
д
r
o
o
где f=1/T - частота излучения; F - доплеровский сдвиг частоты; с - скорость света; k=1 при разнесенном приеме, и k=2 при локационном приеме; знаки «+» и «-» соответствуют сближению и удалению объектов. При этом радиальная скорость объекта определяется по формуле:  где V - радиальная скорость объекта; λ=c/f - длина волны колебаний.
При этом рассмотрены следующие области применения ДИС в зависимости от его расположения: ДИС установлен на локомотиве поезда, значения непрерывно измеряемой фактической скорости необходимы для срабатывания устройств безопасности (КЛУБ-У, САУТ), соблюдения скоростного режима машинистом; ДИС стационарно установлен в колее или вблизи железнодорожного пути, значения измеряемой скорости необходимы для работы системы автоматического регулирования скорости роспуска составов на сортировочных горках - для исключения нагонов и достижения требуемой дальности пробега отцепов. При этом ЭМК излучаются в направлении движущегося отцепа, отраженный от поверхности вагона сигнал в ДИС преобразуется в выходной сигнал в виде напряжения, пропорционального фактической скорости отцепа, и подается в устройство управления замедлителем и в сигнальное устройство. При совпадении заданной и фактической скоростей, замедлитель растормаживается.
r
r
При облучении электромагнитными колебаниями неподвижной цели (балласта железнодорожного пути) радиальную скорость локомотива V можно записать как V=V cosα, где V - скорость движения поезда, α - главный угол излучения антенны по отношению к направлению движения. При V=const доплеровский сдвиг несущей частоты сигнала, отраженного от точки цели имеет максимальное значение при горизонтальном излучении (cosα→1). В то же время, мощность отраженного сигнала у принимающей антенны (без учета потерь при распространении, приеме и обработке сигнала) задается уравнением (Гришин Ю.П., Ипатов В.П., Казаринов Ю.М., Коломенский Ю.А., Ульяницкий Ю.Д. Радиотехнические системы: Учеб. для вузов по спец. «Радиотехника» / Под ред. Ю. М. Казаринова. - М.: Высш. шк., 1990. - 496 с.):
r
t
t
r
где: Р - мощность сигнала, принимаемая антенной; P - мощность передатчика; G -коэффициент усиления передающей антенны; A -эффективная площадь приемной антенны; σ- эффективная площадь рассеяния цели в данном ракурсе; R - расстояние от ДИС до цели при совмещенном приеме.
Поскольку мощность уменьшается пропорционально 4-ой степени расстояния до цели, то для получения сигнала достаточного уровня расстояние R должно быть в допустимых пределах, для чего нужно увеличить угол излучения α по отношению к горизонтали. При α=35…70° доплеровское смещение составляет 35…80% (G.Hilger. Glasers Annalen, 1998, N9/10, S. 533-541).
Из выражения (3) видно, что при увеличении угла излучения относительно его основного значения появляется множество частот, расширяющих полосу доплеровского излучения. Если отражающие свойства поверхности в пределах облучаемой площади одинаковы, то форма огибающей спектра зависит от угла β. Ширина спектра отраженного сигнала:
дв2
дв1
где F,F + доплеровские сдвиги частоты соответственно от первой и второй точек цели. Уменьшение угла излучения β антенны приведет к возможности исчезновения сигнала вследствие его зеркального отражения, например, от поверхности катания рельса в момент проследования поездом стрелки.
Качество сигнала, попадающего на приемную антенну, зависит от неровности основания, отражающего сигнал. Исходя из критерия Релея (Гавриленко В.Г., Яшнов В.А. Передача информации по беспроводным сетям в условиях пересеченной местности. Учебно-методический материал по программе повышения квалификации «Новые подходы к проблемам генерации, обработки, передачи, хранения, защиты информации и их применения». Нижний Новгород, 2007, 112 с.), чтобы часть переданного сигнала, отразившись от поверхности, вернулась к приемнику должно выполняться неравенство  (6), где h - максимальный размер неоднородности основания; α - угол падения излучаемых волн; λ - длина излучаемых волн.
Для диапазона сантиметровых волн, при длине волны λ=1,25 см, и α=45°, h должен быть не менее 2 мм, что выполняется для однородного щебеночного балласта. Условие (6) ввиду особенностей конструкций вагонов, их гладкой поверхности, сложно выполнимо. Поэтому для получения сигнала, отраженного от вагона, измеритель должен облучать его по всей длине. Протяженность и неравномерность облучаемой поверхности вагона приводит к флуктуатации отраженного сигнала, для уменьшения влияние которой необходимо выполнить большой объем работ по юстировке измерителя и выбору места для его установки.
иу
мин
д
иy
При установке измерителя в колее железнодорожного пути в уравнении (3) cosα→1, доплеровский сдвиг частоты максимален. Однако в этом случае существенно усложняются условия эксплуатации ДИС. Для обеспечения длины участка измерения L в пределах 25…30 м необходимо иметь угол β=6…10°, при этом главный угол излучения антенны по отношению к направлению движения α=5…8°, а расстояние между местом установки измерителя и осью железнодорожного пути L=2,2…2,4 м (Шелухин В.И. Автоматизация и механизация сортировочных горок; Учебник для техникумов и колледжей ж.-д. транспорта. - М.: Маршрут, 2005. - 240 с.). В этом случае расстояние относа измерителя от ближней границы измерительного участка лежит в пределах 10 м<L<16 м. Необходимо соблюдать условие, где L - максимальная дальность работы скоростемера, L - длина измерительного участка.
Важнейшей статистической характеристикой отраженного сигнала является спектр доплеровского сигнала. По оценке тяжести доплеровского спектра в темпе поступления сигнала дается оценка средней частоты радиосигнала.
к
2
Ширина спектра доплеровских частот зависит не только от изменения угла излучения антенны относительно его основного значения, но и от интервала корреляции τ, характеризующего скорость изменения случайного процесса во времени(Финкельштейн М.И. Основы радиолокации: Учебное пособие для вузов. - М: Радио и связь, 1983. - 536 с.) и от ускорения движения подвижного объекта. Расширение спектра доплеровского сигнала влияет на величину потенциальной среднеквадратической погрешности измерения радиальной скорости объекта. Вариантом решения проблемы стабильности сигнала, связанной с изменением отражательной способности различных оснований, является способ оценки сигнала по точкам пересечения. Так, точность измерения скорости радарными доплеровскими устройствами DRS05 (DEUTA, Германия) составляет 0,5%, при наличии ускорения 1 м/с погрешность измерения скорости составляет 0,65 км/ч (G.Hilger. Glasers Annalen, 1998, N9/10, S. 533-541).
Известны также устройства, предназначенные для преобразования вращения колесной пары локомотивов в последовательности электрических импульсов по двум каналам, на основании которых маневровая автоматическая сигнализация формирует информацию о скорости, направлении движения и пройденного пути локомотива.
Так, например, известен датчик частоты вращения (а.с. на изобретение №1689859, от 1989 г. Бюллетень «Открытия. Изобретения.» №41, 1991 г. [13]) состоящий из постоянного магнита, жестко закрепленного на вращающемся объекте, и чувствительного элемента, выполненного из композиционной керамики с электродами на торцах. Сигнал датчика принимается регистрирующим устройством. Однако известный датчик имеет сложную конструкцию, и точность его зависит от числа постоянных магнитов, закрепленных на вращающемся объекте.
Известен также импульсный датчик частоты вращения (патент RU на полезную модель №28254 U1 от 16.08.01 г., Бюллетень «Изобретения. Полезные модели» №7, 2003 г. [14]), содержащий модулятор, чувствительный элемент и два постоянных магнита, чувствительный элемент расположен между дисками модулятора с выполненными по их периметру отверстиями, при этом магнитная ось постоянных магнитов, расположенных с внешней стороны модулятора, центры отверстий и центр чувствительного элемента находятся на одном расстоянии от центра вращения модулятора.
Недостатком известного устройства является низкая точность измерения из-за недостаточной скорости вращения, обусловленной соосным расположением элементов модулятора, малый срок службы вследствие трения вращающихся деталей модулятора и большая масса.
Для повышении точности определения скорости и пройденного пути локомотива, увеличения срока службы и уменьшения массы известных устройств [13, 14] предложено аналогичное устройство (патент на полезную модель RU №63937 U1, 10.06.2007 [15]), представляющее собой датчик импульсов локомотивный содержащий установленный на валу модулятор, чувствительный элемент холла, установленный между перфорированными дисками модулятора и постоянные магниты, расположенные с внешней стороны модулятора, при этом магнитная ось постоянных магнитов, центры отверстий дисков и центр чувствительного элемента холла находятся на одном расстоянии от центра вращения модулятора. Датчик содержит полумуфту привода, установленную на входном валу, мультипликатор, выполненный по планетарной схеме, и расположенный в герметичном отсеке корпуса, заполненном жидкой смазкой. Корпус датчика выполнен из алюминиевого сплава.
Технический результат данной полезной модели достигается тем, что в датчик импульсов локомотивный, содержащий установленный на валу модулятор, чувствительный элемент холла, установленный между дисками модулятора и постоянные магниты, расположенные с внешней стороны модулятора, при этом магнитная ось постоянных магнитов, центры отверстий дисков и центр чувствительного холла находятся на одном расстоянии от центра вращения модулятора в котором датчик содержит полумуфту привода, установленную на входном валу, мультипликатор, выполненный по планетарной схеме, и расположенный в герметичном отсеке корпуса, заполненном жидкой смазкой, для уменьшения массы изделия корпус датчика выполнен из алюминиевого сплава.
Применение датчика холла позволяет увеличить надежность системы. Однако при эксплуатации железнодорожных составов при нарушении поперечной устойчивости происходит занос подвижного состава. При этом начинают скользить колеса одного из мостов - переднего или заднего и выработка значений скорости прекращается, и соответственно не транслируются значения скорости в унифицированное комплексное локомотивное устройство безопасности.
Кроме недостаточно высокой точности измерений данные измерители имеют дополнительные составляющие погрешности измерений при неполном сцеплении колеса с рельсом (юз, буксование колес) и зависимость погрешности измерения от износа бандажей колес (Правила технической эксплуатации железных дорог Российской федерации: утв. Приказом Минтранса России от 21.12.2010 г. N286. - М.: ООО «Трансинфо ЛТД», 2011. - 256 с. [16]).
Таким образом, доплеровские измерители скорости позволяют, по сравнению с одометрическими скоростемерами, осуществлять бесконтактное измерение скорости движения поезда и имеют иной спектр ошибок измерений. Последнее позволяет выполнить комплексирование результатов измерений доплеровских, одометрических, аэродинамических и инерциальных измерителей, и, тем самым, повысить точность, непрерывность и устойчивость сигнала скорости в системе управления локомотивом. Однако при использовании доплеровских измерителей скорости, работающих от подстилающей поверхности имеется ряд сложностей, обусловленных размещением приемоизлучающих устройств, как в подкузовном пространстве локомотива, так и на корпусе локомотива.
Кроме того, при неоднородной структуре подстилающей поверхности необходимо учитывать состояние шероховатости для ввода соответствующих поправочных коэффициентов. Также негативное влияние на точность измерения скорости оказывает наличие бытового мусора вдоль железнодорожного пути.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение надежности измерения скорости подвижного железнодорожного состава.
Поставленная задача достигается за счет того, что в измерителе скорости локомотива, содержащим датчик измерения скорости, соединенный с унифицированным комплексным локомотивным устройством безопасности, состоящий из излучателя сигнала, установленного на валу колесной пары и приемного устройства, установленного на буксе колесной пары, в отличие от прототипа [15], датчик измерения скорости и направления движения выполнен в виде RFID-метки, установленной на внешней поверхности вала колесной пары с возможностью передачи данных по каналам, работающим на низких, высоких и ультравысоких частотах, и стационарного считывателя идентификационного кода, установленного на буксе колесной пары, при этом датчики измерения скорости локомотива и направления движения установлены на каждой колесной паре локомотива.
Использование RFID-метки, установленной на внешней поверхности вала колесной пары и выполненной с возможностью передачи данных по каналам, работающим на низких, высоких и ультравысоких частотах, с целью получения посредством стационарного считывателя идентификационного кода количества оборотов вращения вала колесной пары за установленное время, позволяет определить скорость локомотива и пройденное им расстояние, которые вычисляются по формулам:
где N - суммарное число оборотов, сделанных валом за промежуток времени Δt, Р=30,86 α - величин поступи вала за один оборот, которая служит масштабным коэффициентом суммарного счетчика оборотов, α - величина аванса, определяемая по результатам скоростных испытаний локомотива, как отношение скорости V локомотива к частоте п вращения вала: α=V/n.
Предпочтителен вариант, в котором считывают идентификационный код, записанный в RFID-метке, выполненной с возможностью передачи данных по каналам, работающим на частотах 125 кГц, 13,56 МГц и 860-960 МГц.
На поверхности RFID-метки также может быть дополнительно нанесен двухмерный Data Matrix или QR-код.
Стационарный считыватель идентификационного кода выполнен в виде сканера с возможностью сканирования двухмерного Data Matrix или QR-кода.
Предлагаемый датчик измерения скорости и направления движения локомотива состоит из RFID-метки, нанесенной на внешнюю поверхность вала колесной пары, стационарного считывателя идентификационного кода выполненного в виде сканера, счетчика оборотов вала колесной пары, который подсчитывает их количество в течение 1 с и вычислителя.
Работа предлагаемого устройства заключается в следующем.
Посредством сканера считывается RFID-метки, нанесенные на каждый вал колесных пар локомотива. RFID-метки, нанесенные на каждый вал колесных пар локомотива отличаются друг от друга идентификационным кодом, что позволяет реализовать многоканальный измеритель скорости в зависимости от количества колесных пар локомотива.
Выход сканера соединен с входом счетчика оборотов вала колесной пары, который подсчитывает их количество в течение 1 с. Выход счетчика оборотов вала колесной пары соединен с входом вычислителя, в котором вычисляются значения скорости и пройденного расстояния по результатам подсчета оборотов вала колесной пары счетчиком оборотов вала колесной пары в соответствии с формулами (5) и (6). Вычисления могут выполняться как для каждой колесной пары, так и путем усреднения вычисленных значений по всем каналам измерения.
Измеренные параметры движения локомотива транслируются в унифицированное комплексное локомотивное устройство безопасности.
Использование предлагаемого устройства, не имеющего механических элементов, по сравнению с прототипом и аналогами, позволяет повысить надежность измерения скорости и пройденного расстояния локомотива.
Источники информации.
1.Венцевич Л.Е. Локомотивные скоростемеры и расшифровка скоростемерных диаграммных лент, М.: УМК МПС России, 2002. С. 272. ISBN 5-89035-052-8.
2. Астрахан В.И., Зорин В.И., Кисельгоф Г.К. Унифицированное комплексное локомотивное устройство безопасности (КЛУБ-У), М.: УМЦ по образованию на железнодорожном транспорте, 2007. С. 272. ISBN 978-5-89035-465-5.
3. Марюхненко B.C. Информационный анализ навигационного обеспечения управляющих систем подвижных транспортных объектов: монография; - Иркутск: изд-во ИрГУПС,2009. - 112 с.
4. B.C. Марюхненко, Мухопад Ю.Ф., Демьянов В.В., Миронов Б.М.. Информационное обеспечение подвижных транспортных средств на основе интегрированных навигационных систем: Монография; под ред. д-ра техн. наук, профессора B.C. Марюхненко. - Новосибирск: Наука, 2014. - 256 с.
5. Козюков А.И. Локомотивный скоростемер. Информационная система [Электронный ресурс] - Режим доступа: www.ielectro.ru.
6. Устройство КЛУБ-У. Руководство по эксплуатации. Часть первая. 36991-00- 00 РЭ. -Ижевск: изд-во ИРЗ, 2014. - 264 с.
7. Правила технической эксплуатации железных дорог Российской федерации: утв. Приказом Минтранса России от 21.12.2010 г. N286. - М.: ООО «Трансинфо ЛТД», 2011. - 256 с.
8. Приказ об установлении наибольших допускаемых скоростей движения поездов и одиночных локомотивов по главным и приемоотправочным путям от 30.09.2014 г. N ЗабДИ-310/л. - Чита, 2014.
9. Носков В.Я. и др. «Современные гибридно-интегральные автодинные генераторы микроволнового и миллиметрового диапазона и их применение» ч. 9 «Радиолокационное применение автодинов. Успехи современной радиоэлектроники», 2016, №3, стр. 32-80.
10. Патент RU №2378654 от 10.01.2010.
11. Патент RU №2769956 С1, 11.04.2022.
12. М.А. Гурулева, B.C. Марюхненко. Применение доплеровского измерителя для определения скорости подвижных железнодорожных единиц. Иркутск. Иркутский государственный университет путей сообщения. 2016, №1(108), с. 129-142.
13. А.с. на изобретение №1689859, от 1989 г. Бюллетень «Открытия. Изобретения.» №41, 1991 г.
14. Патент RU на полезную модель №28254Ш от 16.08.01 г., Бюллетень «Изобретения. Полезные модели» №7, 2003 г.
15. Патент на полезную модель RU №63937U1, 10.06.2007 (прототип).
16. Правила технической эксплуатации железных дорог Российской федерации: утв. Приказом Минтранса России от 21.12.2010 г. N286. - М.: ООО «Трансинфо ЛТД», 2011. - 256 с.