УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ

Устройство для контроля состояния железнодорожного пути
Настоящая полезная модель относится к измерительным средствам и может применяться, например, для мониторинга параметров рельс в процессе их эксплуатации и введения в оптимальную температуру закрепления для бесстыковых путей.
Известна полезная модель «УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ» [патент на полезную модель РФ №147068, опубл. 27.10.2014]. Это устройство содержит базовую станцию, созданную на базе миникомпьютера, которая содержит антенну, солнечную батарею (автономный источник питания), приемопередатчик, микропроцессор, внешний и внутренний источники питания, внешний датчик температуры окружающей среды, и выполненную с возможностью приема информации от беспроводных измерительных модулей, каждый из которых размещен в герметичном контейнере, выполненном из высокопрочного и влагоустойчивого пластика, который выполнен с возможностью закрепления на шейке контролируемого рельса, и состоит из энергонезависимой памяти, тензометрического многоосевого датчика силы, блока питания, инструментального усилителя, аналого-цифрового преобразователя, микропроцессора с запоминающим устройством, электронного хронометра повышенной точности, приемопередатчика с антенной, датчика температуры рельса, сервер, принимающий информацию от базовой станции, имеющий операционную систему, систему управления базами данных, программу
исполнительных кодов, сеть общего доступа в Интернет, интерфейс обслуживания, ручной считыватель, получающий информацию от беспроводного измерительного модуля и передающий ее на сервер, состоящий из микроконтроллера, источника автономного питания, зарядного устройства, памяти программ, внешнего запоминающего устройства, приемопередатчика, клавиатуры считывателя, дисплея считывателя. При этом устройство дополнительно снабжено автоматизированным рабочим местом, включающим в себя программную среду реального времени, исполнительные коды программы получения и обработки данных в режиме реального времени, канал связи с интеграцией в интеллектуальный комплекс автоматизированной системы управления, интерфейс тестирования и управления, а каждый из беспроводных измерительных модулей дополнительно имеет источник опорного напряжения, датчик температуры корпуса модуля, датчик магнитного поля рельса, датчик ускорения рельса, датчик наклона рельса, датчик вибрации рельса, при этом устройство снабжено по меньшей мере одной базовой станцией, каждая из которых имеет хронометр повышенной точности, сервер снабжен каналом связи локальным с интеграцией в АСУ, а ручной считыватель имеет хронометр времени повышенной точности.
Эта известная полезная модель выбирается в качестве прототипа, так как она имеет наибольшее число существенных признаков, совпадающих с существенными признаками заявляемой полезной модели.
Однако прототип имеет существенные недостатки, а именно: низкая надежность устройства из-за того, что в каждом беспроводном модуле использован блок питания, представляющий собой батарею без возможности дополнительной подзарядки. Это приводит к тому, что в случае полной разрядки батареи беспроводной модуль выйдет из строя и измерения на данном участке цепи не будут произведены. Кроме того, применение в качестве автономного источника питания в базовой станции солнечной батареи крайне не надежно в средней полосе (европейской части) РФ, ввиду длительной продолжительности пасмурных дней, а также большой
вероятности снижения ее работоспособности, вызванной, например, запыленностью из-за прохождения составов с сыпучим грузом (уголь, песок…). Фактически это означает, что используемые в рассмотренном устройстве составные части имеют несогласованные сроки функционирования.
Задачей настоящей полезной модели является создание нового устройства для контроля состояния железнодорожного пути с достижением следующего технического результата: повышение надежности.
Поставленная задача решена за счет того, что в известном устройстве для контроля состояния железнодорожного пути, содержащем взаимодействующие друг с другом базовую станцию, беспроводные измерительные модули и ручной считыватель, при этом базовая станция выполнена с возможностью получения информации от беспроводных измерительных модулей и включает микропроцессор, внутренний источник питания и соединенный с ним автономный источник питания, а каждый из беспроводных измерительных модулей включает энергонезависимую память, микропроцессор, измерительные датчики и внутренний источник питания, согласно настоящей полезной модели, каждый беспроводной измерительный модуль дополнительно содержит соединенные с его внутренним источником питания автономный источник питания, выполненный в виде вибро-электрического преобразователя, при этом автономный источник питания в базовой станции выполнен в виде ветряного генератора.
Таким образом, это заявляемое техническое решение всей своей совокупностью существенных признаков позволяет повысить надежность за счет снабжения каждого беспроводного модуля собственным автономным источником питания, выполненным в виде вибро-электрического преобразователя, и совместимым приемником. Это позволяет производить непрерывные измерения параметров относительных удлинений рельс, благодаря обеспечению бесперебойного питания всех элементов устройства с
помощью автономных источников и совместимого приемника. Одновременно с этим, применение в базовой станции для ее бесперебойного питания ветряного генератора вместо солнечной батареи более надежно из-за особенностей климата средней полосы России. К тому же, генерация энергии ветряным генератором создается не только за счет природного явления движения ветряных потоков воздуха, но и вследствие постоянного прохождения железнодорожных составов. Поэтому надежность устройства повышается за счет обеспечения согласования сроков функционирования базового блока и беспроводных модулей во времени, поскольку оба имеют автономные источники питания, получение энергии в которых менее зависимо от погодных условий.
Сущность заявляемой полезной модели и возможность ее практической реализации поясняется приведенным ниже описанием и чертежами.
Фиг. 1 - Устройство для контроля состояния железнодорожного пути.
Фиг. 2 - Базовая станция (вид спереди со снятой крышкой).
Фиг. 3 - Беспроводной измерительный модуль (заполнение корпуса отсутствует).
1 - базовая станция;
2 - беспроводной измерительный модуль;
3 - ручной считыватель;
4 - антенна базовой станции;
5 - приемопередатчик базовой станции;
6 - дополнительная антенна базовой станции;
7 - дополнительный приемопередатчик базовой станции;
8 - микропроцессор базовой станции;
9 - внутренний источник питания базовой станции;
10 - автономный источник питания базовой станции;
11 - монтажная плита; 12-корпус;
13 - путевой столб;
14 - энергонезависимая память;
15 - внутренний источник питания беспроводного модуля;
16 - тензометрический многоосевой датчик силы;
17 - аналого-цифровой преобразователь;
18 - микропроцессор беспроводного модуля;
19 - приемопередатчик беспроводного модуля;
20 - антенна беспроводного модуля;
21 - датчик температуры рельса;
22 - автономный источник питания беспроводного модуля;
23 - совместимый приемник;
24 - блок управления автономным источником питания;
25 - контейнер;
26 - контролируемый рельс;
27 - металлическая пластина.
Заявляемое устройство для контроля состояния железнодорожного пути (Фиг. 1) состоит из трех напрямую взаимодействующих друг с другом блоков: базовой станции 1 (Фиг. 1, 2), беспроводных измерительных модулей 2 (Фиг. 1, 3), ручного считывателя 3 (Фиг. 1). Все блоки связаны между собой, образуя единое функциональное устройство, и по отдельности блоки не функционируют. Базовая станция 1 выполнена с возможностью принимать информацию от беспроводных измерительных модулей 2. Ручной считыватель 3 выполнен с возможностью получать информацию от базовой станции 1 посредством беспроводной радиоволновой связи малого радиуса действия с низким энергопотреблением, например, Bluetooth.
Базовая станция 1 включает антенну 4 и приемопередатчик 5 для связи с беспроводными модулями 2, антенну 6 и приемопередатчик 7 для связи с ручным считывателем 3, микропроцессор 8, внутренний источник 9 питания и соединенный с ним автономный источник 10 питания, в качестве которого
применен ветряной генератор. Все элементы базовой станции 1 расположены и зафиксированы на монтажной плите 11, которая прикреплена к задней стенке герметичного корпуса 12, закрытого крышкой (на чертеже не показано), изготовленного из металла или высокопрочного и влагоустойчивого пластика и выполненного с возможностью закрепления на путевом столбе 13 (опоре), расположенного в непосредственной близости к контролируемому рельсу.
Автономный источник 10 питания предназначен для постоянной подзарядки внутреннего источника 9 питания. В качестве внутреннего источника 9 питания применяют, например, аккумуляторную батарею.
Каждый беспроводной измерительный модуль 2 состоит из энергонезависимой памяти 14, внутреннего источника 15 питания, тензометрического многоосевого датчика 16 силы, аналого-цифрового преобразователя 17, микропроцессора 18, приемопередатчика 19 с антенной 20 для связи с базовой станцией 1, датчика 21 температуры рельса (здесь и далее под словом «рельс» имеется в виду контролируемый рельс), автономного источника 22 питания, соединенных с внутренним источником 15 питания. Кроме того каждый беспроводной модуль 2 может содержать совместимый приемник 23, также соединенный с внутренним источником 15 питания и выполненный с возможностью осуществления беспроводной подзарядки внутреннего источника 15 питания, например, по технологии индукционной передачи энергии.
Тензометрический многоосевой датчик 16 силы содержит два тензорезистора (на чертеже не показано), которые выполнены с возможностью расположения, соответственно, продольно и поперечно рельсу.
Автономный источник 22 питания предназначен для постоянной подзарядки внутреннего источника 15 питания и выполнен в виде виброэлектрического преобразователя, например, пьезоэлектрического генератора. В качестве внутреннего источника 15 питания применяют, например, аккумуляторную батарею.
Каждый беспроводной измерительный модуль 2 может содержать блок 24 управления автономным источником 22 питания и переключатель (на чертеже не показано).
Все элементы каждого беспроводного измерительного модуля 2, кроме тензометрического датчика 16 и датчика 21 температуры рельса расположены и зафиксированы в герметичном контейнере 25, представляющим собой цельную конструкцию, выполненную из высокопрочного и влагоустойчивого пластика с образованными полостями для размещения элементов модуля 2, после монтажа которых, полости заполняют герметичным материалом. Контейнер 25 выполнен с возможностью закрепления на шейке рельса 26, например, с помощью, струбцины (на чертеже не показано) или клея-герметика. При этом в стенке контейнера 25, прилегающей к шейке рельса 26, выполнено углубление, в котором расположен тензометрический датчик 16, размещенный на металлической пластине 27, которая крепится к шейке рельса 26 сваркой, и датчик 21 температуры рельса, который выполнен с возможностью крепления к шейке рельса 26 напрямую.
Число бесконтактных измерительных датчиков 2 может варьироваться в зависимости от длины контролируемого рельса. Так, например, экспериментально установлено, что необходимое минимальное количество модулей на 800 метровый рельс (на прямом участке пути) для качественного контроля за рельсами составляет 6-8 штук, поскольку зона чувствительности тензометрических датчиков около 150-250 м.
Ручной считыватель 3, получающий информацию от базовой станции 1, состоит из микропроцессора (на чертеже не показано), внутренней памяти (на чертеже не показано), приемопередатчика (на чертеже не показано) для связи с базовой станцией 1, клавиатуры (на чертеже не показано) и дисплея (на чертеже не показано). Ручной считыватель 3 предназначен для получения информации с базовой станции 1, которая осуществляет сбор данных с каждого беспроводного измерительного модуля 2. Ручной считыватель 3 выполнен с возможностью получения информации, обработки ее с помощью
специального установленного программного обеспечения, отображения на экране дисплея (на чертеже не показано) в удобном и понятном для сотрудника железной дороги виде. Причем ручной считыватель 3 имеет возможность считывать и отображать информацию как за заданный период времени наблюдений, так и позволяет получать и отображать информацию в режиме реально времени (с частотой 1 ГЦ, т.е. 1 раз в секунду).
Заявляемое устройство применяют следующим образом.
Все составные блоки устройства хранятся и транспортируются к месту проведения измерений совместно. Непосредственно перед проведением работ по контролю состояния железнодорожного пути определяют сечения, по которым будет производиться измерение параметров состояния контролируемого рельса. В этих сечениях к рельсу 26 точечной сваркой («холодная пайка») прикрепляют металлическую пластину 27, на которой предварительно закреплен тензометрический датчики 21. Датчик 16 температуры рельса закрепляют так, чтобы он контактировал непосредственно с рельсом, этим достигается и высокая точность измерений. После этого производят крепление самого контейнера 25 беспроводного модуля 2 и соединяют его с датчиком 21 температуры рельса и тензометрическим датчиком 16. Базовую станцию 1 и ручной считыватель 3 располагают непосредственно вблизи контролируемого рельса 26. Данные измерений от каждого модуля 2 передаются в базовую станцию 1, обрабатываются там и передаются на ручной считыватель 3. На основании результатов измерений делают выводы о текущем состоянии железнодорожного пути, а проводя периодические измерения, контролируют его состояние с течением времени.
В случае применения устройства в процессе введения рельс в оптимальную температуру закрепления устройство работает следующим образом. В процессе натяжения или удлинения с использованием нагревательной установки (на чертеже не показано) рельс происходит изменение базы тензорезистора тензометрического датчика 16,
расположенного вдоль линии натяжения. Одновременно с этим происходит замер температуры рельса датчиком 21 температуры и возможное изменение базы тензорезистора тензометрического датчика 16, расположенного перпендикулярно линии натяжения, который позволяет скомпенсировать изменения длины рельса 26 в результате температурных колебаний при натяжении рельса 16 гидравлическим натяжителем (на чертеже не показано). Информация от тензометрических датчика 16 и датчика 21 температуры рельса снимается модулем 2 с дальнейшей передачей к базовой станции 1 и на ручной считыватель 3, на котором посредством специальных математических алгоритмов производится вычисление относительного удлинения рельс. Вычисленные значения могут быть переведены в оптимальную температуру закрепления рельс, которой оперирует персонал железной дороги.
Таким образом, достигается технический результат заявляемой полезной модели, а именно, повышение надежности устройства.