СПОСОБ ДЛЯ КОНТРОЛЯ РЕЛЬСОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ
METHOD AND DEVICE TO CONTROL RAILWAY TRACK RAILS

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, конкретно - к путевым шаблонам.
Известны способ и устройство для измерения расстояния между рельсами по заявке РФ на изобретение №2003131043. Устройство содержит два лазерных датчика. Способ заключается в сканировании рельсов и сравнении результатов измерения расстояния между ними с допустимыми значениями.
Известны способ и устройство для бесконтактного измерения поперечного профиля и расстояния между рельсами пути по патенту РФ на изобретение №2255873.
Способ бесконтактного измерения поперечного профиля или расстояния между рельсами пути включает измерение при помощи сканирующих лучей двух лазерных датчиков, расположенных на подвижной платформе над рельсами, профиля рельса и расстояния до него и внесение этих величин в компьютерную базу данных в зависимости от пройденного расстояния и определение отклонений от заданных значений. Устройство содержит два лазерных датчика, закрепленных над рельсами на платформе, и компьютер, к которому они подключены. Система содержит датчик оборотов колеса платформы, выполняющий функцию измерения пройденного пути.
Недостатком этой системы является ее ограниченные функциональные возможности при диагностировании железнодорожных путей, т.к. не определяют продольный и поперечный уклоны участка пути.
Известен универсальный координатно-измерительный шаблон по св. РФ на полезную модель №43065, опубл. 27.12.2004 г., который содержит измерительный штангенциркуль с нониусом и механический угломер. Недостатки - низкая точность измерения, ограниченные функциональные возможности, невозможность измерения радиуса искривления рельса в плане, определения местоположения измеряемого участка пути.
Известен шаблон путевой по патенту РФ на полезную модель №76344, прототип. Шаблон содержит корпус, подвижный и неподвижный упоры и контактный датчик, предназначенный для измерения ширины колеи, возвышения одного рельса относительно другого и т.д.
Этот ручной инструмент имеет большой вес и габариты и низкую точность измерения, до 1…2 мм.
Известны способ и переносное устройство для контроля рельсов железнодорожного пути по пат. ЕПВ №1039034, прототип.
Этот способ включает измерение при помощи контактного датчика, расположенного на корпусе измерительной рейки, и определение отклонений от заданных значений, запись полученных результатов в базу данных.
Это устройство содержит корпус измерительной рейки, имеющий подвижный и неподвижный упоры, на одном из которых закреплен контактный датчик, соединенный электрическими связями с процессором, к которому подсоединен блок памяти.
Недостатки: шаблон не позволяет определять радиус скругления рельсов и местоположение контролируемого участка пути, не точно измеряет углы наклона и другие параметры и не позволяет передать информацию в контролирующий центр.
Задача создания изобретения - повышение точности измерения, определения радиуса скругления рельсов и расширение функциональных возможностей системы.
Решение указанных задач достигнуто в способе контроля рельсов железнодорожного пути, включающем измерение расстояния между рельсами при помощи контактного датчика, расположенного на корпусе измерительной рейки, и определение отклонений от заданных значений, запись полученных результатов в блок памяти, тем, что дополнительно измеряют расстояние между рельсами при помощи бесконтактного датчика, например лазерного, сравнивают расстояния между рельсами, замеренные контактным датчиком и бесконтактным датчиком, при возникновении разности показаний датчиков ниже допустимой в блок памяти заносят среднее арифметическое значение, при возникновении разности показаний этих датчиков выше допустимой на прямолинейном участке рельсов в блок памяти записывают показания бесконтактного датчика, а при контроле радиусного участка рельса определяют радиус скругления рельсов.
Основы функционирования глобального позиционирования, например, GPS-системы
Теория дальнометрии основана на вычислении расстояния распространения радиосигнала от спутника к приемнику по временной задержке. Если знать время распространения радиосигнала, то пройденный им путь легко вычислить, просто умножив время распространения радиосигнала на скорость света. Каждый спутник GPS-системы непрерывно генерирует радиоволны двух частот - (L1=1575.42 МГц и L2=1227.60 МГц). Навигационный сигнал представляет собой фазоманипулирован-ный псевдослучайный PRN-код (Pseudo Random Number code). PRN-код бывает двух типов. Первый - С/А-код (Coarse Acquisition code - грубый код) используется в гражданских приемниках. Он позволяет получать лишь приблизительную оценку местоположения, поэтому и называется «грубым» кодом. С/А-код передается на частоте L1 с использованием фазовой манипуляции псевдослучайной последовательности длиной 1023 символа. Защита от ошибок обеспечивается посредством кода Гоулда. Период повторения С/А-кода - 1 мс. Другой код - Р (precision code - точный код) - обеспечивает более точное вычисление координат, но доступ к нему ограничен. В основном Р-код предоставляется военным и (иногда) федеральным службам США (например, для решения задач геодезии и картографии). Этот код передается на частоте L2 с применением сверхдлинной псевдослучайной последовательности с периодом повторения 267 дней. Этот код доступен, в принципе, и гражданским лицам. Но алгоритм его обработки гораздо более сложен, поэтому и аппаратура стоит дороже. В свою очередь, частота L1 модулируется как С/А, так и Р-кодом. В сигнале GPS может присутствовать и так называемый Y-код, являющийся зашифрованной версией Р-кода (в военное время система шифровки может меняться).
Кроме навигационных сигналов спутник непрерывно передает различного рода служебную информацию. Пользователь GPS-приемника информируется о состоянии спутника и его параметрах: системном времени; эфемеридах (точных данных об орбите спутника); прогнозируемом времени задержки распространения радиосигнала в ионосфере (т.к. скорость света меняется при прохождении разных слоев атмосферы), работоспособности спутника (в так называемом «альманахе» содержатся обновляемые каждые 1…5 мин сведения о состоянии и орбитах всех спутников). Эти данные передаются.
В основе определения координат GPS-приемника лежит вычисление расстояния от него до нескольких спутников, расположение которых считается известным (эти данные находятся в принятом с GPS-спутника «альманахе»). В геодезии метод вычисления положения объекта по измерению его удаленности от точек с заданными координатами называется «трилатерацией».
Если известно расстояние до одного спутника, то координаты приемника определить нельзя (он может находиться в любой точке сферы радиусом, описанной вокруг спутника).
Пусть известна удаленность приемника от второго спутника. В этом случае определение координат также не представляется возможным - объект находится на окружности, которая является пересечением двух сфер. Расстояние до третьего спутника сокращает неопределенность в координатах до двух точек. Этого уже достаточно для однозначного определения координат - дело в том, что из двух возможных точек расположения приемника лишь одна находится на поверхности Земли (или в непосредственной близости от нее), а вторая, ложная, оказывается либо глубоко внутри Земли, либо очень высоко над ее поверхностью. Таким образом, для трехмерной навигации теоретически достаточно знать расстояния от приемника до 3 спутников.
Сущность изобретения поясняется на чертежах фиг.1…6, где:
- на фиг.1 приведена конструкция устройства,
- на фиг.2 приведен разрез А-А,
- на фиг.3 - схема измерения поперечного наклона пути,
- на фиг.4 - разрез Б-Б,
- на фиг.5 - электрическая схема устройства,
- на фиг.6 - схема съема информации.
Устройство (фиг.1…6) предназначено для измерения расстояния между рельсами 1 и содержит корпус измерительной рейки 2 и контактный датчик 3. На корпусе измерительной рейки 2 с одной стороны выполнен неподвижный упор 4, а с другой - подвижный упор 5, установленный в пазах 6, выполненных в корпусе измерительной рейки 2. Подвижный упор 5 подпружинен пружинами 7, установленными в несквозных отверстиях 8, в сторону, противоположную неподвижному упору 4. В зазоре 6 установлен выключатель 9 с нормально-разомкнутыми контактами 10. На неподвижном упоре 4 в его средней части на линии продольной оси устройства установлен ролик 11, на подвижном упоре 5 симметрично относительно продольной оси устройства установлены два ролика 12. Между роликами 12 на продольной оси устройства установлен контактный датчик 3.
На корпусе измерительной рейки 2 установлен дополнительно бесконтактный датчик 13, например лазерный дальномер, и процессор 14, присоединенный к нему электрическими связями 15.
К процессору 14 присоединены электрическими связями 15 блок памяти 16, к которому присоединен внешний электрический разъем 17, и приемное устройство системы глобального позиционирования 18. Электрический разъем 17 предназначен для съема информации с блока памяти 16 на внешний компьютер или на флеш-память.
Приемник глобальной системы позиционирования 18, например системы ГЛОНАСС или GPS, радиоканалом связи 19 связан одновременно с тремя спутниками системы 20, находящимися на орбите. Внутри корпуса измерительной рейки 2 установлен блок питания 21, например элементы питания, соединенные электропроводными пружинами 22 и изолированные электроизоляционными прокладками 23 от корпуса измерительной рейки 2. К источнику питания 21 подсоединены электрическими связями 15 контакты 10, выключателя 9, процессор 14 и другие потребители энергии (фиг.1). Корпус измерительной рейки 2 закрыт крышкой 24 (фиг.1 и 2), выполненной из радиопрозрачного материала, например пластмассы, для приема сигнала приемником системы глобального позиционирования 18. Бесконтактный датчик 13 содержит кронштейн 25, установленный перпендикулярно корпусу измерительной рейки 2 и предназначен (если применяется лазерный дальномер) для формирования лазерного луча 26 в сторону одного из рельсов 1 и получения отраженного сигнала для измерения расстояния от этого датчика до рельса 1 (расстояние В, фиг.3). Устройство может содержать дисплей 27, отображающий замеренную информацию, подсоединенный к процессору 14, и сигнальную лампочку 28, срабатывающую при сбоях в работе устройства, например, при большой разнице результатов измерения расстояния между рельсами 1 (на прямолинейном участке пути).
Кроме того, устройство может содержать один или два акселерометра 29 для определения пространственной ориентации переносного устройства (продольного и поперечного наклона устройства) и подключенных к процессору 14 через контроллер 30 (фиг.5 и 6). Размещение акселерометра 29 на корпусе измерительной рейки показано на фиг.3. В дальнейшем рассматривается устройство с применением двух однокомпонентных акселерометров 29 (фиг.5 и 6). Кроме того, устройство может содержать магнетометр 31, подсоединенный через контроллер 30 к процессору 14. Магнетометр 31 предназначен для определения азимутальной ориентации корпуса измерительной рейки 2, а следовательно, рельсов 1.
Устройство (фиг.6) может быть оборудовано системой считывания информации на расстоянии по радиоканалу 19. Для этого устройство оборудовано приемно-передающим устройством 32, подключенным к процессору 14, к приемно-передающему устройству 32 подключена антенна 33. Удаленное контрольное устройство 34 содержит стационарное приемно-передающее устройство 35, к которому подключены антенна 36 и сервер 37.
Работа с измерительным устройством осуществляется следующим образом (фиг.1).
На прямолинейных участках железнодорожного пути при установке корпуса измерительной рейки 2 на один из рельсов 1 неподвижный упор 4 прикладывают к одному из рельсов 1, при этом ролик 11 упираются в первый рельс 1. Потом подвижный упор 5 вводят в контакт с другим рельсом 1, при этом ролики 12 входят в контакт со вторым рельсом 1 и контакт 10 замыкается, а электрическая энергия с блока питания 21 подается на все электронные компоненты устройства, в том числе на процессор 14. Бесконтактный датчик 13 (лазерный) периодически подает лазерный луч 26 на поверхность второго рельса 1, к которому присоединен подвижный упор 5, и определяют расстояние до него вдоль оси устройства. При небольшом расхождении показаний контактного и бесконтактного датчиков 3 и 13 в память записывают показания бесконтактного датчика, как более точные. При значительном расхождении показаний датчиков 3 и 13 процессор подает сигнал на сигнальную лампочку 28. После этого необходимо выяснить причину расхождения результатов измерения, для этого следует произвести юстировку (приведение в соответствие показаний датчиков 3 и 13 на стенде, имитирующем рельсовый путь).
Так как расстояние между бесконтактным датчиком 13 и неподвижным упором 4 строго фиксировано, производится расчет расстояния между рельсами 1 по формуле L=B+С.
Эти данные записываются в блок памяти 16 с привязкой к пройденному расстоянию, если применен приемник глобального позиционирования 18. Позиция корпуса измерительной рейки 2 с точностью 1…2 м определяется системой глобального дистанционного позиционирования ГЛОНАСС или GPS. Приемник системы глобального позиционирования 18 принимает сигнал не менее чем с трех спутников системы 20 и по ним определяет местоположение корпуса измерительной рейки 2 с точностью 2 м. Эти данные передаются на процессор 14 и далее на блок памяти 16.
Потом производится сравнение расстояний между рельсами 1, замеренных датчиками 3 и 13. При превышении разности предельно допустимой подается сигнал на сигнальную лампочку 28, а для записи в блок памяти 16 передается сигнал, полученный с бесконтактного датчика 13, как более точный и достоверный. Но в то же время необходимо выяснит причину расхождения показаний датчиков 3 и 13 (произвести юстировку на стендовом имитаторе рельсов и произвести настройку обоих датчиков).
Одновременно акселерометры 29 (фиг.4) измеряют поперечный и продольный наклоны корпуса измерительной рейки 2 (угол φ1 и φ2). Эти значения также сравниваются с предельно допустимыми.
Информация с блока памяти 16 может быть снята двумя способами.
1. К электрическому разъему 17 (фиг.1, 5 и 6) подключают компьютер или флеш-память и переписывают на этот компьютер (флеш-память).
2. При необходимости можно передавать информацию с блока памяти 16 в течение всего времени ее перемещения в процессе контроля для профилактики железнодорожного пути на удаленное контрольное устройство 34 через приемно-передающие устройства 32 и 35 и их антенн 33 и 36 по радиоканалу 19 (фиг.6).
При наличии магнетометра 31 (фиг.5 и 6) фиксируется азимутальное положение корпуса рейки 2 и, следовательно, рельса 1 и через контроллер 30 передается на процессор 14 и далее в блок памяти 16. Эти данные могут использоваться для вычисления радиуса искривления в плане рельсов железнодорожного пути - R.
Определение радиуса рельса железнодорожного пути.
При установке корпуса рейки 2 на радиусном участке расстояние между рельсами 1, измеренное контактным датчиком 3, будет всегда меньше, чем измеренное бесконтактным датчиком 13, т. е.
L0≤L1
Процессор 14 производит расчет радиуса кривизны внешнего рельса 1 (фиг.4) на основании подобия треугольников по формуле
где Д - расстояние между роликами 12,
L0 - расстояние между рельсами 1, измеренное датчиком 13,
L1 - расстояние между рельсами 1, измеренное датчиком 3.
Относительно несложно запрограммировать процессор 14 для проведения расчетов по определению радиуса кривизны рельса 1 в плане в заданной точке. Выполнив несколько замеров R на интересующем нас участке пути при помощи процессора 14, можно определить среднеарифметическое значение R ср.
Пример 1
Реализация работы устройства на прямолинейном участке пути при допустимом расхождении показания двух датчиков
L cтaнд = 1435 мм,
L0 = 1436,2 мм
Точность измерения L0=0,1 мм
L1=1436,4 мм
Точность измерения L0=0,05 мм
Максимально допустимая разность показаний датчиков 3 и 13 принята 0,2 мм.
В блок памяти занесено среднеарифметическое значение показаний двух датчиков
Пример 2
Реализация работы устройства на прямолинейном участке пути при недопустимом расхождении показаний двух датчиков
L cтaнд = 1435 мм,
L0 = 1436,25 мм
Точность измерения L0 = 0,1 мм.