Электромагнитные преобразователи для устройств экспресс-контроля геометрии и взаимного положения рельсов

В современных условиях работы железных дорог средства контроля приобретают первостепенное значение как основной источник получения информации для принятия правильных и экономически оправданных решений. Взаимное положение и геометрия рельсов определяет безопасность движения транспорта по железнодорожной колее. Рельсы имеют большую протяжённость, подвержены динамическому и климатическому воздействию. Вопросы, касающиеся надёжности и безопасности движения подвижного состава железнодорожного транспорта, а также применения систем автоматизированного мониторинга пути подробно освещены в работах Альбрехта В. Г., Архангельского С. В., Вериго М. Ф., Koran, а А. Я. и др. Сбор информации о состоянии рельсовой колеи для систем управления движением поездов представляет собой трудоёмкую операцию. Использование компьютеризированных средств измерений, выполняющих комплексную диагностику железнодорожного пути, определяет актуальность разработки всепогодной системы автоматического бесконтактного экспресс-контроля геометрических параметров и взаимного положения рельсов с учётом их динамического взаимодействия с колёсными парами. Выполнение измерений в процессе движения подвижного состава с установленной скоростью обуславливает необходимость увеличения зазоров между поверхностью катания рельса и датчиками устройства контроля для обеспечения их безопасной работы.

Механические сканирующие системы, использующие контактные способы контроля, характеризует простота обработки сигналов информационных каналов и высокая точность измерения. Чувствительные элементы таких систем имеют жёсткую и стабильную механическую связь с объектом контроля (ОК). На результирующую погрешность оказывает влияние стабильность контакта в зоне контроля и деформация элементов механических связей, что снижает динамические качества системы «рельс-устройство контроля». Сложность и малая надёжность механических сканирующих систем затрудняет их применение при повышенных скоростях движения.

Более перспективным представляется использование бесконтактных способов контроля. Однако, экспресс-контроль с использованием оптических методов измерения предъявляет высокие требования к чистоте зоны контроля. Существенным недостатком оптических измерительных систем является их высокая стоимость. В условиях загрязнённой среды с повышенной влажностью широко используются электромагнитные методы контроля статических и динамических пространственных перемещений, основанные на взаимодействии с ОК электромагнитных полей. В работах Герасимова В. Г., Клюева В. В., Стеблева Ю. И., Сухорукова В. В., Шатерникова В. Е. и др. подробно рассмотрены методологические принципы построения вихретоковых накладных преобразователей (ПН). Кроме того, проектирование многоканальных измерительных узлов и использование информационной избыточности отражено в известных работах Алиева Т. М., Конюхова Н. Е., Осадчего Е. П., Пустынникова В. Г., Скобелева О. П. и др. Работа с повышенными зазорами безопасности требует увеличения диаметра катушек, что исключает возможность размещения большого количества ПН в зоне контроля. Создаваемое ПН общее электромагнитное поле требует анализа измерительных сигналов и выделения информативных составляющих.

В работах Меркулова А. И., Нестерова В. Н., Секисова Ю. Н. векторные многокомпонентные физические величины рассматриваются как функции от множества информативных факторов, допускающих многовариантность их представления в зависимости от особенностей объекта исследования и поставленной задачи. Однако, построение подобных систем контроля геометрических параметров ОК базируется на использовании слабосвязанных одно-компонентных преобразователей перемещений, размещение которых в зоне контроля OK оказывается малоэффективным, а в труднодоступных зонах — неосуществимой задачей ввиду значительных размеров автономных корпусов и элементов их крепления.

Решение задачи экспресс-контроля состояния железнодорожной колеи с помощью вихретоковых методов требует теоретических и экспериментальных исследований, направленных па разработку матричных вихретоковых преобразователен (МВП). обеспечивающих определение значений большого количества контролируемых факторов при условии сильной электромагнитной связи между образующими их чувствительными элементами.

Цель диссертационной работы. Целью диссертационной работы является разработка матричного вихретокового преобразователя для устройств многофакторного экспресс-контроля геометрии и взаимного положения рельсов при повышенных зазорах безопасности.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

— анализ существующих электромагнитных методов контроля пространственного положения и геометрических параметров проводящих объектов сложной формы в загрязнённых средах;

— теоретическое и экспериментальное исследование влияния конструктивных параметров МВП на чувствительность к контролируемым компонентам перемещений и геометрии ОК;

— выбор оптимальных конструктивных и геометрических параметров МВП, обеспечивающего измерение в широком диапазоне изменения контролируемых факторов при повышенных начальных зазорах безопасности;

— разработка структуры, алгоритма и программного обеспечения многоканальной аппаратуры многофакторного экспресс-контроля положения и геометрических параметров рельсов при повышенных зазорах безопасности по сигналам чувствительных элементов МВП.

Методы исследования. В работе использованы: теория электромагнитного поля применительно к задачам контроля перемещений электропроводящих объектов, методы аналитической геометрии, векторной алгебры, дифференциального исчисления функций многих переменных, теория погрешностей и инвариантности, теория электрических и магнитных цепей, имитационное моделирование с использованием ЭВМ. Достоверность положений работы проверена экспериментально, а также сравнением полученных результатов с данными, опубликованными другими авторами.

Структура и краткое содержание диссертации. Постановка задачи определяет содержание диссертации, которая включает в себя введение, четыре раздела, заключение, список литературы и приложения. Во введении даётся обоснование актуальности разработки устройства экспресс-контроля геометрии и взаимного положения рельсов как ОК сложной формы и формулируются основные задачи исследования.

Выводы:

1. Разработан лабораторный стенд исследования характеристик многоканальной аппаратуры экспресс-контроля пространственного положения и геометрических параметров ОК, включающий матричный вихретоковый преобразователь, работающий в широком диапазоне пространственных перемещений, электронный блок формирования выходных напряжений и программное обеспечения для одновременного автоматического контроля геометрических факторов с последующим определением отклонения параметров рельсовой колеи от нормативных значений.

2. Предложенная методика оценки коэффициентов отклонений влияющих факторов от базовых значений факторного пространства в каждой зоне контроля путём определения коэффициентов отклонений вектора сигналов от соответствующих базовых сигналов градуировочных массивов позволяет упростить обработку измерительной информации.

3. Разработанный алгоритм экспресс-контроля позволяет выделить следующие влияющие факторы: линейные вертикальное hz и поперечное горизонтальное hz перемещения, ширину br и угловое положение ipx О К относительно МВП. Использование последовательной обработки вектора сигнальных напряжений ПНо, не содержащей итеративных блоков, обеспечивает требуемое быстродействие устройства вихретокового экспресс-контроля.

4. Выполненные с помощью лабораторного стенда эксперименты подтвердили достоверность теоретических исследований характеристик матричного вихретокового преобразователя, представленного в виде дискретной токовой шины.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Анализ мероприятий по контролю состояния железнодорожной колеи показывает необходимость экспресс-контроля перемещений и геометрических параметров рельсов в реальных условиях эксплуатации колеи, что позволит повысить безопасность движения транспорта и эффективность функционирования систем управления движением железнодорожного транспорта. Изучение условий эксплуатации и известных оценок состояния рельсов позволило выделить основные группы моделей, использование которых упрощает разработку устройства для экспресс-контроля железнодорожной колеи.

Вихретоковые методы контроля широко применяются для бесконтактного измерения смещений и профиля поверхности сложной формы в загрязнённых средах. Применение в качестве чувствительных элементов ортогональных накладных преобразователей позволило разработать миниатюрный МВП. В ходе выполнения исследований были получены следующие результаты:

1. Обоснована возможность построения перспективных матричных вихретоковых преобразователей с сильной электромагнитной связью между образующими их чувствительными элементами для многофакторного экспресс-контроля геометрических параметров и перемещений объектов сложной формы.

2. Исследованы основные характеристики возбуждающих полей МВП и полей вихревых токов ОК. Установлено, что в случае использования в качестве информативной компоненты комплексной составляющей сопротивления, выбор оптимального диапазона изменения зазоров по условию наибольшего изменения вносимой индуктивности получается при значении относительного зазора 6hz/D3 ж 0.8.

3. Предложена математическая модель и алгоритмы численных расчётов электромагнитных полей дискретных токовых элементов, с помощью которых исследованы характеристики комплексной составляющей сопротивлений, учитывающие изменение границ сечений конструктивно неограниченных магнитных потоков преобразователей.

4. Даны критерии выбора оптимальных конструктивных размеров МВП для многофакторного экспресс-контроля геометрических параметров ОК сложной формы в широком диапазоне изменения контролируемых факторов.

5. Предложена методика комплексной обработки измерительной информации многоканальной аппаратуры экспресс-контроля с автоматической селекцией контролируемых факторов по сигналам МВП с сильной электромагнитной связью первичных преобразователей, позволяющая повысить помехозащищённость устройств вихретокового контроля.

6. Разработана многоканальная аппаратура экспресс-контроля перемещений и геометрических параметров ОК, включающая матричный вихре-токовый преобразователь, блок формирования выходных напряжений и программное обеспечение для автоматизированной обработки измерительной информации, позволяющая расширить функциональные возможности современных средств диагностики железнодорожного пути и повысить производительность испытаний дорогостоящего оборудования.

7. Создан многоканальный компьютеризированный лабораторный стенд для исследований электромагнитных систем, который используется в промышленности, научных исследованиях и учебном процессе.

Использование для обработки измерительной информации компьютерной техники обеспечивает универсальность применения устройства. В процессе проведения имитационного моделирования рассмотрены условия «ассимет-рии» измерительных каналов относительно контролируемых факторов, выделены информационные сигналы и условия их обработки. Предложенный алгоритм определения границ конструктивно неограниченных магнитных полей позволяет расширить сферу применения матричных вихретоковых преобразователей при контроле геометрических параметров объектов сложной формы. В работе показана возможность использования системы конструктивно одинаковых ортогональных ПНо с сильной электромагнитной связью для бесконтактного контроля различных машиностроительных изделий в труднодоступных зонах.