СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ОБНАРУЖЕНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ РЕЛЬСОВОГО ПУТИ ПЕРЕД ДВИЖУЩИМСЯ ПОЕЗДОМ
METHOD OF REMOTE DETECTION OF TRACK CONDITIONS CHANGE AHEAD OF RUNNING TRAIN

Изобретение относится к системам контроля состояния протяженных объектов и может быть использовано для дистанционного обнаружения опасных изменений состояния рельсового пути, включая дефекты в рельсе или установленные в нем чужеродные предметы.
Известен акустический способ обнаружения неисправности рельсового пути в процессе движения состава по железной дороге, согласно которому формируют на «борту» подвижного состава акустические импульсы, передают их через колесную пару в рельсы, фиксируют наличие отраженных импульсов в точке их формирования, по факту появления которых принимают решение о неисправности рельсового пути впереди идущего поезда (патент РФ №2126339 C1, B61K 9/10, 20.02.1999). Недостатками способа являются низкая надежность обнаружения неисправностей, обусловленная наличием в рельсе мощных виброакустических сигналов взаимодействия колес со стыками и дефектами в рельсах, что и накладывает ограничение на обнаружение только тех дефектов в рельсах пути, которые характеризуются высокой отражательной способностью виброакустических сигналов.
Известен способ дистанционного контроля состояния железнодорожного пути, основанный на формировании видеоизображения участка пути перед приближающимся поездом, передачи видеоизображения на пульт управления машиниста и анализе полученной информации на предмет наличия опасных изменений на трассе впереди идущего поезда (патент РФ №2313465 С2, B61L 29/00, 27.04.2007). Недостатками этого способа являются невыявляемость дефектов в рельсах, зависимость надежности обнаружения от погодных условий, значительная стоимость проекта в случае контроля протяженных трасс, доступность легкого «ослепления» видеокамер на время подготовки диверсионных актов на выбранных участках трассы (путем использования генераторов шума в частотном диапазоне работы видеокамеры).
Известен способ контроля критического состояния подвижного состава на рельсовом пути и регистрации его схода и устройство для его осуществления, согласно которому непрерывно регистрируют вертикальные и поперечные колебательные ускорения на ходовых тележках и энергию акустической эмиссии из зоны контакта колес с рельсами, сравнивают зарегистрированные функции с фоновыми и по результатам сравнения идентифицируют состояния подвижного состава, как «штатное», «критическое» или «сход» (патент РФ №2399524 С1, В60Т 7/12, 20.09.2010). Однако время для остановки движущегося поезда при переходе из режима «критическое» в режим «сход», исходя из реальных предпосылок, является недостаточным.
Известно устройство для дистанционного обнаружения объектов, скрытых на железнодорожном пути, реализующее способ, по которому с использованием источника проникающего излучения и детекторов, установленных на самоходной тележке, «осматривают» рельсы и рельсовый путь и при наличии несоответствия параметров контролируемых объектов технической документации принимают решение о наличии скрытого объекта на железнодорожном пути (патент РФ №2425769 С1, B61K 9/00, 10.08.2011). Недостатком способа является низкая скорость контроля состояния рельсового пути и недостаточная надежность работы сопряженной пары: «движущаяся перед поездом тележка - поезд».
Из известных технических решений наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому является «Система мониторинга рельса и поезда и способ» (патент РФ №2365517 С2, B61L 1/06, B61L 23/04, 27.08.2009). Согласно способу непрерывно регистрируют виброакустические сигналы в обоих рельсах рельсового пути в месте обнаружения, сравнивают эти сигналы и при отсутствии изменений параметров сигнала в одном канале (одном из рельсов) при приближении поезда к месту обнаружения принимают решение о наличии излома в рельсе (лопнувшем рельсе). Недостатком способа является принципиальная невозможность обнаружения посторонних предметов на путях из-за схода лавин, камнепадов, плавунов и др., а также результатов работ по подготовке диверсионных актов, в том числе установки боеприпасов. Более опасный случай - излом в обоих рельсах также не выявляется.
Целью предлагаемого способа является повышение надежности дистанционного обнаружения опасных изменений состояния рельсового пути перед движущимся поездом в режиме реального времени.
Указанная цель достигается тем, что регистрируют только виброакустические сигналы от взаимодействия колесных пар с рельсовым стыком на одинаково удаленных, по возможности, в обе стороны от него стыки рельсовой нитки, регистрируемые при прохождении поездом стыка сигналы подвергают фильтрации и накоплению, полученные после таких операций сигналы от обозначенных стыков, выбранных в качестве генераторов сигналов, при прохождении первым поездом заведомо исправного пути выравнивают до получения максимального сходства, и параметры корректирующей схемы консервируют, при прохождении очередным поездом стыка-генератора сигналов накопленные сигналы сравнивают и по степени их отличия судят о наличии или отсутствии изменения рельсового пути перед движущимся поездом. Кроме того, при отсутствии поезда на контролируемом участке пути регистрирующие схемы переводят в режим низкой чувствительности, т.е. срабатывания только в момент взаимодействия движущего колеса со стыком в месте ее установки, причем по этим сигналам срабатывания ближайшие по рельсовой нитке от стыка регистрирующие схемы переводят в режим повышенной чувствительности. Перечисленные операции по оценке изменений на участках рельсового пути осуществляют для каждой нитки рельсового пути.
Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми к нему чертежами.
На фиг.1 приведены фрагменты изображения виброакустических колебаний в рельсе, регистрируемых на расстоянии 700 м от движущегося поезда, для а) - нормального состояния рельсового пути и б, в) - при установке на рельс металлических предметов.
На фиг.2 проиллюстрировано влияние локальной земляной насыпи на протяженном металлическом объекте длиной 100 м на изменение параметров виброакустического сигнала, проходящего от начала до конца объекта: а) -изображение схемы эксперимента, б) - амплитудно-частотные спектры сигналов в точках 1 и 2, в) - амплитудно-частотные спектры сигналов в точках 2 и 4.
На фиг.3 показаны спектральные плотности суммы зарегистрированного виброакустического сигнала и сопутствующего ему шума 1 и отдельно шума 2.
На фиг.4 изображено изменение отношения сигнал/шум в точке приема на объекте контроля при накоплении сигналов.
i
ij
На фиг.5 приведена структурная схема устройства дистанционного обнаружения изменения состояния рельсового пути перед движущимся поездом, включающая рельсовый путь 1 со стыками C, разнесенных на расстояния L (от i-го стыка - генератора сигналов - до j-той регистрирующей схемы 7), детекторы 2 колес над стыком, пороговые схемы 3 с усилителями, виброакустические преобразователи 4, электромагниты 5 в виде «магнит-присосков», ключи 6, регистрирующие схемы 7, двухвходовые схемы дизъюнкции 8, канал связи 9, схемы сравнения 10. Индексами
i+m
in
T, обозначены выходы пороговых схем 3 с детекторами 2 появления колеса над стыками, индексами П - выходы регистрирующих схем 7.
Задачу о распространении упругих волн в стержнях обычно сводят к решению волнового уравнения при условии, что искомые функции должны удовлетворять граничным условиям и условию затухания при увеличении одной координаты до бесконечности. Для получения нужной информации более продуктивно обратиться к эксперименту.
При распространении упругих волн ее амплитуда U уменьшается за счет расхождения лучей и затухания в среде:
<mrow><mi>U</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><msup><mi>r</mi><mi>b</mi></msup></mrow></mfrac><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><mi>δ</mi><mi>r</mi></mrow></msup><msup><mi>e</mi><mrow><mi>j</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ω</mi><mi>t</mi><mo>−</mo><mi>k</mi><mi>r</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msup></mrow>
0
где U=U(r=0), r - расстояние, проходимое волной; b - показатель, зависящий от формы фронта волны (b=1 для сферической волны; b=0 для плоской волны; b=0,5 для цилиндрической волны); е - экспонента; δ - коэффициент затухания; ω - угловая частота волны; k - волновое число.
Коэффициент затухания для малоуглеродистой стали δ=0,2f, т.е. возрастает пропорционально частоте f.
При соприкосновении двух тел часть энергии колебаний переходит из одного тела в другое. Эта часть определяется коэффициентами отражения и прозрачности границы раздела тел, или их волновыми сопротивлениями. При нормальном падении продольной волны на границу «сталь-воздух» проходит только 0,002% энергии, через границу «сталь-оргстекло» - 25%. Можно сделать вывод, что при соприкосновении рельса с инородным предметом (земляная насыпь, металлический или пластмассовый предмет и др.) часть энергии перейдет в этот предмет и произойдет ослабление распространяющегося по рельсу сигнала от взаимодействия колесной пары со стыком рельсов. Это говорит о принципиальной возможности обнаружения насыпи.
Экспериментальные графики на фиг.1 подтверждают высказанное утверждение. Эффект ослабления сигналов от идущего поезда проявляется на расстоянии 700 м при установке металлических предметов размером 5×15×10 см на рельс.
Эффект влияния появившейся локальной земляной насыпи длиной 5 м на протяженном металлическом объекте иллюстрирует фиг.2. Если при отсутствии насыпи амплитудно-частотные спектры сигналов пути, регистрируемые в точках 1 и 2, а также в точках 2 и 4, неразличимы (фиг.2, б), то такие же спектры сигналов в точках 2 и 4 при появлении насыпи различаются существенно (фиг.2, в). Эксперимент подтверждает практическую возможность обнаружения наличия локальной насыпи на протяженном металлическом объекте современными измерительными средствами.
Кроме демонстрации возможности обнаружения обозначенных изменений состояния рельсового пути перед движущимся поездом, следует решить вопрос о реализации заявленной цели - повышении надежности обнаружения. Транспортная магистраль вдоль железной дороги - источник интенсивных виброакустических шумов в рельсе, не несущих информации об изменениях состояния рельсового пути. Приближающийся по соседнему пути к месту обнаружения поезд - источник ложных тревог в схеме принятия решений. Предлагается ввести в регистрирующую схему три операции по подавлению неинформативных шумов (по повышению соотношения сигнал/шум).
Суть первой операции-фильтрации сводится к подавлению неинформативных частотных составляющих поступающего на регистрирующую схему сигнала, что иллюстрируется фиг.3. Представленные на фиг.3. спектральные плотности шума и суммы «сигнал + шум», зарегистрированных в эксперименте на расстоянии 450 м от источника импульсов, позволяют сделать заключение о целесообразности введения в канал обработки сигналов полосового фильтра с полосой пропускания 120-1000 Гц.
<mrow><msqrt><mi>n</mi></msqrt></mrow>
Суть второй операции состоит в использовании в канале обработки сигналов принципа накопления. При прохождении поездом стыка-генератора сигналов формируется несколько десятков импульсов, каждый из которых на входе регистрирующей схемы отражает одну и ту же информацию о состоянии рельсового пути на участке «поезд - регистрирующая схема». Один из вариантов использования всей поступившей информации - накопление, позволяющее в лучшем случае увеличить отношение сигнал/шум в
, где n - число регистрируемых импульсов. Экспериментальные данные, иллюстрирующие реальный эффект от накопления сигналов и представленные на фиг.4, позволяют сделать заключение об их соответствии теоретическим.
Третья операция-сравнение используется в прототипе. Но в предложенном варианте для решения поставленной цели она неэффективна. Для исключения «пропуска цели» предлагается сравнивать сигналы, прошедшие через исследуемый участок рельсового пути, и аналогичный по протяженности участок, по которому уже проследовал поезд, считаются заведомо исправным. Для реализации этой операции требуется в регистрирующих схемах 7 выделять только те импульсы, которые формируются стыком, расположенным посередине между точками обнаружения. Только в этом случае предлагаемая идея сравнения становится продуктивной. Вариант ее реализации, как и способа в целом, поясняет фиг.5.
i+1
i+1
i+1
При прохождении колесной парой поезда стыка C детектор 2 (тензодатчик, фотоэлектрический датчик и др.) формирует сигнал, который через пороговое устройство 3 с усилителем поступает по каналу связи 9 на схемы дизъюнкции 8, обслуживающие стыки с индексами i и i+2. По выходным сигналам последних электромагниты 5 вводят в контакт с рельсом 1 виброакустические преобразователи 4 и ими же открываются ключи 6, через которые в течение времени прохождения колесом стыка C сигналы, возбужденные в рельсе, поступают в регистрирующие схемы 7. Перевод виброакустического преобразователя 4 в режим регистрации при удалении поезда на значительное расстояние позволяет уберечь их от мощных сигналов взаимодействия колеса со стыком C в месте установки регистрирующей схемы 7. Каждая из регистрирующих схем 7 содержит последовательно включенные полосовой фильтр и накопитель поступающих сигналов (на схеме 5 они не показаны). По окончании установленного числа поступивших сигналов накопленные сигналы поступают через канал связи 9 на схемы сравнения 10, смонтированные, например, на одной из прилегающих к перегону станций. Поскольку анализируемые участки пути по акустическим свойствам могут отличаться (хотя и считаются удовлетворяющими требованиям нормативной документации), схемы сравнения 10 при прохождении первым поездом заведомо исправного пути 1 юстируют так, чтобы результаты сравнения привести к нулю. Если при прохождении одним из последующих поездов результат сравнения на каком-либо участке превысит установленный уровень, принимается решение о наличии опасного изменения параметров участка пути перед движущимся поездом. Это решение отражается на мнемосхемах в кабине машиниста и на одной из прилегающих к перегону станций.
Таким образом, предлагаемый способ выгодно отличается от способа прототипа, так как
1) увеличение надежности дистанционного обнаружения опасных изменений состояния рельсового пути перед движущимся поездом достигается путем реализации операций фильтрации и накопления в течение времени взаимодействия колес вагонов со стыком;
2) способ охватывает расширенную номенклатуру опасностей рельсового пути;
3) способ «просматривает» изменения технического состояния пути на значительно больших удалениях от приближающегося поезда;
4) согласно способу настройка (юстировка) регистрирующих схем производится по исправному перегону, что позволяет не учитывать различия форм рельсовых нитей и других конструктивных особенностей пути и тем самым увеличивает достоверность способа.