Способ автоматического контроля состояния рельсовых плетей бесстыкового пути и система для его реализации
METHOD FOR AUTOMATIC MONITORING OF STATE OF RAIL BARS OF CONTINUOUS WELDED RAIL TRACK AND SYSTEM THEREFOR

Настоящая группа изобретений относится к контрольно-измерительной технике и может быть использована для контроля железнодорожного пути, в частности для измерения величины относительных перемещений участков рельсовых плетей бесстыкового пути при воздействии на них поездной нагрузки и температуры.
На железных дорогах (в основном) применяются бесстыковые (сварные) рельсы с длиной от нескольких сотен метров до километров. Основной проблемой при использовании таких путей является их температурное напряжение. Летом с повышением температуры рельсов и зимой при понижении температур по сравнению с температурой закрепления рельсов возникают напряжения рельсов, которые могут приводить к «угону рельсовых плетей», т.е. к такому изменению их геометрии, которое может повлечь катастрофические последствия для железнодорожного транспорта. Для решения этой проблемы необходим постоянный и информативный способ контроля напряженного состояния бесстыкового рельсового пути.
Известны способы диагностики состояния рельсовых плетей бесстыкового железнодорожного пути и системы для их реализации (см., например, патенты: RU 150721, МПК В61K 9/08, опубл. 20.02.2015 г.; RU 2521095, МПК В61K 9/08, опубл. 27.06.2014 г.; RU 2474505, МПК В61K 9/08, опубл. 10.02.2013 г.; RU 143958, МПК В61K 9/08, опубл. 10.08.2014 г.; BR 102013019072, МПК В61К 9/08, опубл. 10.11.2015 г.), в которых диагностика параметров состояния рельсовых плетей осуществляется с помощью движущихся по ним специальных транспортных средств, содержащих устройства дефектоскопии, измерения неровностей, видеонаблюдения рельсов и т.п., а также устройства обработки получаемой информации и средства ее передачи в общие базы данных.
Основными недостатками известных способов и обеспечивающих их осуществление систем, в общем случае, являются их сложность, а также невозможность контроля состояния рельсовых путей с необходимой периодичностью, обусловленная тем, что их использование требует нарушения графика движения по действующим железным дорогам.
Известны система мониторинга напряжений для железных дорог (см. патент RU 2441788, МПК В61K 9/08, опубл. 10.02.2012 г.), включающая модуль чувствительных элементов, содержащий по меньшей мере один датчик, выполненный с возможностью установления прямо на рельсовом звене; плоскую прокладку, имеющую по меньшей мере один чувствительный элемент, установленный на ней; по меньшей мере один модуль сбора данных, находящийся на связи по меньшей мере с одним датчиком, и модуль обработки данных, принимающий и обрабатывающий информацию, собираемую по меньшей мере одним модулем сбора данных, чтобы определять напряжение рельса.
Основными недостатками известной системы являются низкая технологичность ее использования, обусловленная высокими требованиями к порядку закрепления модуля чувствительных элементов на рельсовом полотне, а также невозможность работы элементов системы (включая в первую очередь модуль чувствительных элементов) без подключения к ним электропитания.
Известны способ контроля пространственного положения железнодорожного пути и система, его реализующая (см. патент RU 2556740, МПК В61K 9/08, Е01B 35/00, G01B 11/26, опубл. 20.07.2015 г.), принятые в качестве прототипа.
Известная система состоит из установленных на транспортном средстве блока обработки и управления и фотоприемного блока, содержащего две приемно-анализирующие системы, состоящие из объектива и позиционно-чувствительного приемника оптического излучения, датчик угла наклона, выход которого соединен со входом блока обработки и управления, и осветительный модуль, соединенный с блоком обработки и управления, а также установленной на конструкциях, вынесенных за пределы рельсового пути, реперной марки, содержащей массив контрольных элементов.
Способ контроля пространственного положения железнодорожного пути, осуществляемый с помощью известной системы, включает получение изображений пространства, прилегающего к пути, детектирование реперной марки на полученных изображениях, определение координат каждого контрольного элемента из массива на реперной марке, определение величин смещений каждого контрольного элемента относительно базовой точки приборной системы координат в вертикальном, продольном и поперечном направлениях, измерение угла поворота вокруг поперечной оси, корректировку полученных величин смещений с учетом измеренного угла, а также определение угла поворота реперной марки вокруг вертикальной и продольной осей и дополнительную корректировку полученных величин смещений с учетом полученных значений углов поворота.
Основными недостатками известного способа контроля и, соответственно, системы для его реализации, являются невозможность его применимости при плохих погодных условиях (когда визуализация контрольных элементов затруднена или отсутствует, например, в тумане, при сильном снеге или дожде и т.п.), а также невозможность определения с его помощью деформаций рельсового полотна.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая группа изобретений, является разработка системы, с помощью которой возможно простое и надежное осуществление контроля состояния рельсовых плетей бесстыкового пути.
Технический результат группы изобретений заключается в обеспечении автоматического высокоточного контроля продольно-поперечных деформаций рельсовых плетей на отрезке железнодорожной магистрали, не зависящего от погодных условий.
Технический результат достигается за счет того, что способ автоматического контроля состояния рельсовых плетей бесстыкового пути включает размещение и фиксацию в заданном месте рельсового пути комплекта меток, детектирование положения меток датчиком, установленным на транспортном средстве, перемещающемся по рельсовому пути, передачу результатов детектирования в устройство предварительной обработки (УПО), обработку получаемых результатов в УПО и передачу предварительно обработанной информации на серверное устройство для конечной обработки, анализа и сохранения, причем комплект содержит не менее трех магнитных меток, при этом одну из магнитных меток комплекта размещают и фиксируют непосредственно на маячной шпале, а остальные - с двух сторон от нее на расстоянии не менее 0,8 м на подошве рельса, детектирование осуществляют датчиком магнитного поля, а обработку результатов детектирования осуществляют при помощи программного обеспечения, обеспечивающего определение взаимного расположения меток в комплекте.
Также технический результат достигается за счет того, что система для реализации способа автоматического контроля состояния рельсовых плетей бесстыкового пути включает не менее одного комплекта меток, размещенных и зафиксированных в заданном месте рельсового пути, установленные на транспортном средстве, имеющем возможность перемещения по рельсовому пути, датчик и УПО, выполненные с возможностью передачи данных от датчика в УПО, и серверное устройство, выполненное с возможностью обработки, анализа и хранения информации и соединенное каналом связи от УПО, при этом количество меток в комплекте не менее трех, метки являются магнитными, датчик является датчиком магнитного поля, а серверное устройство содержит программное обеспечение, обеспечивающее определение взаимного расположения меток в комплекте.
Заявляемая группа изобретений поясняется чертежом, на котором схематически изображена система для реализации способа автоматического контроля состояния рельсовых плетей бесстыкового пути.
Система для реализации способа автоматического контроля состояния рельсовых плетей бесстыкового пути содержит магнитную метку 1, установленную и закрепленную на «маячной» шпале 2, магнитные метки 3, установленные и закрепленные на подошве рельса 4 с разных сторон относительно метки 1, соединенные между собой датчик 5 магнитного поля и УПО 6, установленные на транспортном средстве 7, серверное устройство 8, соединенное каналом связи 9 с УПО 6.
Реализация заявляемого способа с помощью заявляемой системы осуществляется следующим образом.
Магнитную метку 1 устанавливают и жестко закрепляют на «маячной» шпале 2. В тексте описания термин «маячная» шпала означает специально обустроенную шпалу, используемую для контроля продольных подвижек рельсовой плети, «развязанную» относительно рельсовых нитей. Закрепление магнитной метки 1 возможно различными способами вплоть до помещения ее непосредственно в самой маячной шпале 2. Затем устанавливают и закрепляют (например, при помощи сварки, клея или иным способом) магнитные метки 3 на подошве (с нижней стороны) рельса 4 с разных сторон от маячной шпалы 2 с закрепленной на ней меткой 1. При этом расстояние от метки 1 до любой из меток 3 должно составлять не менее 0,8 м (для четкой идентификации сигналов, получаемых от каждой из меток датчиком 5). Начальное взаимное расположение меток 1 и 3 между собой в каждом из устанавливаемых комплектов измеряется и вносится в память серверного устройства 8 в качестве базового, в привязке к местоположению данного комплекта. В общем случае возможна установка комплектов магнитных меток 1 и 3 в районах маячных шпал 2 на всем протяжении железных дорог России. Поскольку магнитные метки 1 и 3 являются пассивными, то есть не излучают каких-либо сигналов, для их функционирования не требуется электропитание, и, будучи установленными один раз, они имеют неограниченный срок эксплуатации.
На транспортное средство 7, способное перемещаться по рельсам, устанавливают датчик 5 магнитного поля и устройство 6 предварительной обработки. Оборудовать данными элементами заявляемой системы можно любые стандартные транспортные средства: пригородные электропоезда, пассажирские поезда дальнего следования, грузовые составы и т.д.
Транспортное средство 7, перемещаясь по рельсовому пути, периодически проходит над местами установки комплектов магнитных меток. Включенный датчик 5 магнитного поля постоянно сканирует рельсовый путь и детектирует метки 1 и 3, проходя над ними, поскольку они имеют гораздо более высокую намагниченность, чем само рельсовое полотно или другие элементы железной дороги, магнитное поле которых является фоновым. Датчик 5 магнитного поля может иметь возможность калибровки и обнуления фонового сигнала в режиме реального времени.
Детектированные датчиком 5 сигналы от меток 1 и 3 передаются по каналу связи в УПО 6, где обрабатываются с помощью установленного программного обеспечения. Результатом обработки является определение фактического взаимного расположения меток в данный момент времени.
Далее обработанные данные по каналу связи 9 поступают на серверное устройство 8, где при необходимости производится их окончательная обработка, дополнительно уточняющая взаимное расположение меток 1 и 3, анализ изменений расположения меток относительно их базового расположения, принятие решений о необходимости обслуживающих мероприятий на определенных участках по результатам анализа, и сохранение полученных данных на серверном устройстве 8.
Серверные устройства 8 могут быть автономными и обслуживать определенные участки железнодорожной сети, либо быть объединенными в сеть с общим центром управления содержания инфраструктуры ж/д дорог. Каждое УПО 6 может быть снабжено объемом оперативной памяти, достаточным для хранения объема полученной и обработанной информации в периоды, когда транспортное средство 7 находится на участках железнодорожной сети, где отсутствует устойчивая связь между УПО 6 и серверным устройством 8.
Проведенные тестовые испытания системы показали, что заявляемый способ обеспечивает точность измерения продольно-поперечных деформаций рельсовых плетей в режиме реального времени не менее 1 мм при скорости передвижения локомотива с установленными на нем элементами заявляемой системы в диапазоне от 10 до 100 км/ч. Временные промежутки контроля состояния рельсовых плетей могут быть не более 1 часа, при условии оснащения всех тяговых транспортных средств в ж/д системе, датчиками магнитного контроля и УПО, а сети железных дорог комплектами магнитных меток.
Заявляемые способ автоматического контроля состояния рельсовых плетей бесстыкового пути и система для его реализации позволяют с высокой точностью в режиме реального времени измерять, обрабатывать и передавать в центр управления содержанием инфраструктуры параметров подвижек рельсовых плетей на оборудованных участках ж/д пути. Кроме того, система является вандалоустойчивой, имеет простую конструкцию, надежна и технологична в применении.