Устройство для контроля геометрии пути

Устройство для контроля геометрии пути относится к технике железнодорожного транспорта и предназначено для контроля параметров рельсового пути.
Из уровня техники, патент KZ№ 637 с приоритетом от 06.05.2010 г. известен путеизмерительный вагон, содержащий кузов вагона, установленный на котловой и некотловой тележках посредством пружин, колесные пары, размещенные в буксах и контактирующие с рельсами железнодорожного пути, базовый блок, закрепленный в нижней части кузова вагона, модуль видеокамер, лазерный блок, путевой отметчик, гироскоп, пульт управления и обработки полученных данных, компьютер, а также блок электропитания, отличающийся тем, что гироскоп установлен непосредственно на буксе колесной пары.
Недостатком этого устройства являются его ограниченные функциональные возможности - оно не обеспечивает измерение дополнительных параметров железнодорожного пути, в частности, уклонов и продольного профиля пути.
Наиболее близким по своей технической сущности является известное из патента РФ № 65501 с приоритетом от 04.04.2007 г. устройство для контроля параметров рельсового пути, в состав которого входит кузов вагона с оборудованием, котловая и некотловая ходовые тележки, содержащее датчики линейных перемещений букс второй колесной пары котловой и букс колесных пар некотловой ходовых тележек относительно плоскости днища кузова вагона, по два датчика линейных перемещений поперечных балок ходовых тележек относительно плоскости симметрии кузова вагона, установленные на некотловой ходовой тележке у каждого колеса датчик линейных перемещений относительно плоскости симметрии некотловой ходовой тележки и датчик обнаружения стрелочного перевода, которые контактируют соответственно с внутренними боковыми гранями головок рельсов и контррельсами стрелочных переводов, два связанных с осью вращения колесной пары датчика пути и скорости, установленные в кузове вагона кнопка сигнализации об объекте пути, два аппаратно-программных комплекса и блок согласования, к входам которого подключены выходы всех датчиков и кнопки сигнализации об объекте пути, а к его порту обмена информацией подключен порт обмена информацией первого аппаратно-программного комплекса, второй порт обмена информацией которого подключен к порту обмена информацией второго аппаратно-программного комплекса, отличающееся тем, что в него дополнительно введены установленные в кузове вагона третий аппаратно-программный комплекс, два акселерометра, датчик угловой скорости и датчик обнаружения рельсовых пересечений, при этом первый акселерометр выполнен с осью чувствительности, перпендикулярной плоскости симметрии кузова вагона, а другой акселерометр и датчик угловой скорости выполнены с осями чувствительности, перпендикулярными к плоскости днища кузова вагона, датчик обнаружения рельсовых пересечений установлен в центре некотловой ходовой тележки, причем выходы акселерометров, датчика угловой скорости и датчика обнаружения рельсовых пересечений подключены к входам блока согласования, а порт обмена информацией третьего аппаратно-программного комплекса соединен с портами обмена информацией первого и второго аппаратно-программных комплексов.
При всех достоинствах данного устройства оно обеспечивает измерение ограниченного перечня параметров рельсовой колеи (основных параметров), а именно – уровня, шаблона (ширины рельсовой колеи), горизонтальных и вертикальных стрел изгиба рельсов (рихтовок и просадок), в то время как в настоящее время диагностика железнодорожной инфраструктуры требует измерения более широкого набора дополнительных параметров, в частности, уклонов и продольного профиля пути.
Техническим результатом заявляемого устройства для контроля геометрии пути является расширение технических средств за счет измерения дополнительных параметров пути, в частности, уклонов и продольного профиля пути, длинных неровностей пути в плане и в профиле.
Заявленный технический результат достигается за счёт того, что устройство для контроля параметров рельсового пути на основе пассажирского железнодорожного вагона, в состав которого входит кузов вагона с оборудованием, котловая и некотловая ходовые тележки, содержащие датчики линейных перемещений букс второй колесной пары котловой и букс колесных пар некотловой ходовых тележек относительно плоскости днища кузова вагона, по два датчика линейных перемещений поперечных балок ходовых тележек относительно плоскости симметрии кузова вагона, установленные на некотловой ходовой тележке у каждого колеса, датчик линейных перемещений относительно плоскости симметрии некотловой ходовой тележки и датчик обнаружения стрелочного перевода, которые контактируют соответственно с внутренними боковыми гранями головок рельсов и контррельсами стрелочных переводов, два связанных с осью вращения колесной пары датчика пути и скорости, установленные в кузове вагона два акселерометра, датчик угловой скорости, аппаратно-программные комплексы, блок согласования, к входам которого подключены выходы всех датчиков, а к его порту обмена информацией подключены аппаратно-программные комплексы, дополняется установленными в кузове вагона датчиком угловой скорости с осью чувствительности, перпендикулярной плоскости симметрии вагона, датчиком угловой скорости с осью чувствительности, параллельной продольной оси вагона, и акселерометром с осью чувствительности, параллельной продольной оси вагона и взаимно перпендикулярной оси чувствительности первого акселерометра, перпендикулярной продольной плоскости симметрии кузова вагона, и оси чувствительности второго акселерометра, перпендикулярной плоскости днища кузова вагона.
Существующее ранее устройство для контроля параметров рельсового пути, в состав которого входит один датчик угловой скорости (ДУС), который учитывал только повороты вагона вокруг вертикальной оси, что позволяло контролировать только положение пути в плане, то есть курсовой угол («рысканье») вагона, а наличие двухосной сборки акселерометров позволяет измерить только поперечный крен вагона. Для контроля продольного профиля пути, то есть уклонов/подъёмов, профильных неровностей пути, необходимо измерять поворот кузова вагона вокруг поперечной его оси («галопирование»), и при этом отличать уклон пути от подъёма/опускания кузова как такового – иными словами, к примеру, если вагон заправляется водой, один конец его кузова под действием силы тяжести опускается, другой поднимается, но это не означает, что на пути образуется уклон. Это достигается совместной обработкой показаний датчика угловой скорости (ДУС) 29 и акселерометра 33. Использование трёхакселерометровой сборки из акселерометров 31, 32, 33 со взаимно перпендикулярными осями чувствительности, помимо вышесказанного, позволяет вычислить полный вектор ускорений, действующих на вагон, что в свою очередь позволяет уточнить расчёт параметров пути. Той же цели служит установка ДУС 30, учитывающего поперечное раскачивание кузова вагона.
Суть технического решения поясняется чертежами, где на фигуре 1 изображена структурная схема устройства для контроля геометрии пути в виде сверху (кузов вагона условно не показан).
С целью упрощения графики и ее восприятия на фигуре 1 приняты следующие условности:
1. Аппаратура (например, соответствующие датчики – см. ниже) и оборудование (например, ходовые тележки - см. ниже), изображенные жирными линиями, соединены с кузовом вагона. Остальная аппаратура и оборудование соединены с соответствующими ходовыми тележками.
2. В соответствии с известной конструкцией кузов вагон обладает вертикальной плоскостью симметрии кузова вагона (на фигурах не показана). Плоскость днища кузова вагона перпендикулярна плоскости симметрии кузова вагона. Аналогичные плоскости присущи и ходовым тележкам.
3. Направления входного воздействия (перемещения, ускорения, угловой скорости) относительно плоскости днища кузова вагона или относительно плоскости симметрии кузова вагона (или ходовой тележки) практически перпендикулярны соответствующим плоскостям. То же относится и к направлению оси чувствительности датчика. Например, направление, обозначенное на фиг.1 стрелкой у датчика 10, перпендикулярно продольной плоскости симметрии кузова вагона, направление, обозначенное на фиг.1 стрелкой у датчика 30, параллельно продольной оси вагона, при отсутствии стрелки направление входного воздействия или оси чувствительности датчика перпендикулярно плоскости днища кузова вагона.
4. Точка на линии элементов конструкций (см. фиг.1) обозначает наличие в ней угловых перемещений, обеспечивающих требуемое функционирование аппаратуры и оборудования.
6. Системы энергопитания (электрическая) и пневматическая условно не показаны.
Вагон с размещённым на нём оборудованием включает в себя (фиг.1) кузов вагона (на фигуре условно не показан), котловую 1 и некотловую 2 ходовые тележки, имеющие по две колесных пары: первую 3, вторую 4 котловой ходовой тележки и 5, 6 некотловой ходовой тележки, которые контактируют с рельсами 7. Ходовые тележки 1 и 2 вагона подрессорены относительно колесных пар (штатная подвеска вагона). Датчики линейных перемещений (ДЛП) 8, 9 установлены на днище кузова вагона и соединены с буксами второй колесной пары 4 котловой ходовой тележки 1, а ДЛП 10, 11 установлены на днище кузова вагона и соединены с поперечными балками котловой ходовой тележки 1. Оси чувствительности последних ДЛП перпендикулярны плоскости симметрии кузова вагона. Датчики линейных перемещений 12, 13, 14, 15, 16, 17 установлены на днище кузова вагона. Датчики линейных перемещений 12, 13, 14, 15 соединены с буксами колесных пар 5, 6 некотловой ходовой тележки 2, а ДЛП 16, 17 соединены с поперечными балками ходовой некотловой тележки 2. Оси чувствительности ДЛП 16, 17 перпендикулярны плоскости симметрии кузова вагона. Датчики пути и скорости (ДПС) 18, 19 установлены на буксах колесной пары 6 и сопряжены с осью ее вращения. Каждый ДЛП 20, 21, 22, 23 некотловой ходовой тележки 2 установлен у ее колеса на внешней стороне некотловой ходовой тележки и посредством подпружиненного ролика (на фиг.1 не показан) контактирует с внутренней боковой гранью головки рельса с заглублением 13...16 мм относительно поверхности катания рельса. Каждый датчик обнаружения стрелочного перевода 24, 25, 26, 27 некотловой ходовой тележки 2 установлен у ее колеса на внешней стороне некотловой ходовой тележки и выполнен с возможностью контактирования с контррельсами стрелочных переводов посредством подпружиненного ролика (на фиг.1 не показан). Датчики линейных перемещений 20, 21, 22, 23 и датчики обнаружения стрелочного перевода 24, 25, 26, 27 выполнены с возможностью подвода к рельсу на период штатной работы, для чего соединены со специальной пневмосистемой (на фиг. 1 не показана). В кузове вагона установлены датчики угловой скорости (ДУС) 28 с осью чувствительности, перпендикулярной плоскости днища кузова вагона, ДУС 29 с осью чувствительности, перпендикулярной продольной плоскости симметрии вагона, ДУС 30 с осью чувствительности, параллельной продольной оси вагона, акселерометр 31 с осью чувствительности, перпендикулярной продольной плоскости симметрии кузова вагона, акселерометр 32 с осью чувствительности, перпендикулярной плоскости днища кузова вагона, и акселерометр 33 с осью чувствительности, параллельной продольной оси вагона.
Работает устройство контроля геометрии пути следующим образом. Вагон при штатном функционировании системы может двигаться котловой ходовой тележкой 1 (фиг.1) вперед или в обратную сторону. При штатном функционировании датчики линейных перемещений 20, 21, 22, 23 и датчики обнаружения стрелочных переводов 24, 25, 26, 27 подводятся к рельсу с помощью специальной пневмосистемы, что позволяет исключить износ элементов этих датчиков при транспортировках. Сигналы от датчиков 8...33 в процессе работы поступают в блок согласования 34, который обеспечивает их сбор и предварительную обработку, согласование по параметрам и оцифровку измерительной информации, поступающей от датчиков. Из блока согласования 34 нормализованные сигналы (в цифровом виде) поступают в аппаратно-программный комплекс 35. Обработанная им информация по контролируемым параметрам рельсового пути выводится на дисплей, на печать и запоминается (например, на автономных носителях). Аппаратно-программный комплекс 36 обеспечивает синхронное с измеряемыми параметрами отображение параметров рельсового пути по результатам более раннего их контроля (из базы данных). Аппаратно-программный комплекс 37 осуществляет анализ и последующую обработку результатов измерения параметров рельсового пути. Датчики пути и скорости (ДПС) 18, 19, установленные на буксах колесной пары 6 (фиг.1) и сопряженные с осью ее вращения, входят в состав одометра, в который входят и колеса колесной пары. Датчики пути и скорости 18, 19 формируют импульсные сигналы, частота которых прямо пропорциональна скорости движения вагона, а число импульсов прямо пропорционально пройденному вагоном расстоянию. По информации, полученной с помощью ДПС 18, 19, определяется текущее место расположения вагона на рельсовом пути. Ширина рельсовой колеи (шаблон) измеряется с помощью датчиков линейных перемещений 20, 21 путем измерения расстояния между роликами этих датчиков. Стрелы изгиба каждой рельсовой нити в горизонтальной плоскости (рихтовка) измеряются относительно хорды длиной 21,5 м в точке, находящейся на расстоянии 4,1 м от конца хорды. Стрела изгиба в горизонтальной плоскости (рихтовка) правого рельса измеряется с помощью датчиков линейных перемещений 11, 16, 17, 20, 22. Стрела изгиба в горизонтальной плоскости (рихтовка) левого рельса измеряется с помощью датчиков линейных перемещений 11, 16, 17, 21, 23. Стрела изгиба каждого рельса в вертикальной плоскости (просадка) измеряется относительно хорды длиной 17 м в точке, находящейся на расстоянии 2,4 м от конца хорды с помощью ДЛП 8, 9, 12, 13, 14, 15. Взаимное положение обоих рельсов по высоте (уровень) измеряется с помощью ДЛП 10, 11, 12, 13, 16, 17, 20, 21, 22, акселерометров 31, 32, 33 и датчиков угловых скоростей 28, 30. Продольный уклон каждого рельса в вертикальной плоскости измеряется с помощью ДЛП 8, 9, 12, 13, ДУС 29 и акселерометров 31, 32, 33. Сигналы датчиков обнаружения стрелочных переводов 24, 25, 26, 27 автоматически "привязываются" к информации по контролируемым параметрам рельсового пути в аппаратно-программном комплексе 35. Стрелочные переводы автоматически обнаруживаются с помощью датчиков обнаружения стрелочных переводов 24, 25, 26, 27. При контроле и оценке параметров рельсового пути в реальном времени измеряются и документируются с автоматизированной и автоматической привязкой к текущему месту расположения вагона на рельсовом пути следующие его параметры: взаимное положение обоих рельсов по высоте (уровень), ширина колеи рельсового пути (шаблон), стрелы изгиба каждого рельса в вертикальной (просадка) и в горизонтальной (рихтовка) плоскостях (в том числе, и их соответствующие отличия по рельсам), уклоны и продольный профиль пути (вычисляемый параметр), длинные неровности пути в плане и профиле (вычисляемый параметр), пройденный путь и скорость при измерениях, обнаружение стрелочных переводов. При этом формируются визуальные (на дисплеях аппаратно-программных комплексов) и печатные выходные формы контроля параметров рельсового пути (графические распечатки на принтерах аппаратно-программных комплексов) результатов измерений, расшифрованные и оцененные в части отступлений от норм содержания рельсового пути и допустимых скоростей движения, управляющие воздействия оператора, техническое состояние аппаратных средств и выдается звуковая сигнализация (с помощью аудио устройств аппаратно-программных комплексов) по опасным отступлениям значений этих параметров. Вся информация "привязывается" к текущему месту вагона на рельсовом пути, в том числе, "привязывается" информация более раннего контроля пути (из базы данных с помощью аппаратно-программного комплекса 36). Отмеченные выше параметры измеряются или вычисляются путем преобразования информации, полученной при измерениях в процессе работы системы.