Разработка и исследование системы диагностики рельсового пути на микромеханических чувствительных элементах

Актуальность темы

В настоящее время доля грузоперевозок по железным дорогам составляет -40% от всего грузооборота страны. При этом наблюдается тенденция к росту данного показателя, что приводит к необходимости увеличения скоростей и плотности движения железнодорожных составов. Как следствие, увеличиваются риски возникновения техногенных катастроф, которые приводят к гибели людей и, учитывая характер перевозимых грузов — газов, легковоспламеняющихся, взрывоопасных, едких, ядовитых и радиоактивных веществ и т. п. — к невосполнимому ущербу экологии, что также сказывается на здоровье человека.

Одной из основных мер по обеспечению требуемого уровня безопасности, как в России, так и за рубежом, остается диагностика состояния железнодорожного пути методами оценки его геометрических параметров, состояния балластного слоя, а также контроль скрытых (внутренних) дефектов рельсовых нитей. При этом широко используются как ручные, так и самоходные измерительные системы: путевые шаблоны, путеизмерительные тележки и вагоны-лаборатории. Однако и этого оказывается недостаточно, так как применение ручных средств характеризуется большой трудоемкостью и необходимостью закрытия перегонов для проведения измерений, а самоходных просто не хватает. Это приводит к несоответствию частоты выполнения измерений и скорости возникновения дефектов.

Согласно нормативным документам, в случае обнаружения отклонений состояния пути от требуемых норм безопасности, до момента их устранения накладываются ограничения на скорость движения железнодорожных составов (в зависимости от категории — 120- 100- 70, 40 км/ч, вплоть до закрытия участка пути). Таким образом, возникает противоречие: рост грузооборота ведет к увеличению случаев возникновения дефектов, а измерительных средств для их своевременного обнаружения имеется недостаточно. Очевидно, что ежедневная регистрация основных ключевых параметров позволила бы оперативно выявлять потенциально опасные с точки зрения возникновения аварийных ситуаций участки пути, а также судить об эффективности проведенных ремонтных работ. Поэтому представляется актуальной разработка системы диагностики рельсового пути, отличающейся невысокой стоимостью и малыми габаритами, для оборудования регулярно курсирующих вагонов.

Целью работы является разработка и исследование системы диагностики рельсового пути на микромеханических чувствительных элементах. При этом большое значение имеет обеспечение работоспособности комплекса при повышенных скоростях движения (для железнодорожного транспорта до 200 км/час), что позволит осуществлять контроль без нарушения графика движения транспорта.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1. Проведение анализа существующих методов и средств диагностики состояния рельсового пути;

2. Разработка схемы построения системы диагностики рельсового пути (СД РП) на микромеханических чувствительных элементах;

3. Разработка метода идентификации вертикальных неровностей рельсового пути;

4. Разработка математических моделей показаний и определение точностных характеристик инерциальных измерительных модулей (ИИМ) на базе микромеханических гироскопов и акселерометров;

5. Проведение экспериментальных исследований СД РП в составе вагона-дефектоскопа.

Методы исследований.

Решение поставленных задач основано на использовании основных положений теории инерциальной навигации, теории статистической обработки, теории оптимальной обработки информации, методах математического и имитационного моделирования.

На защиту выносятся:

1. Схема построения системы диагностики рельсового пути, основанная на размещении измерительных модулей на микромеханических чувствительных элементах непосредственно на буксовые узлы колесных пар тележки вагона, даёт возможность повысить точность определения вертикальных неровностей;

2. Метод определения просадок рельсовых нитей, основанный на идентификации вертикальных неровностей по степени воспроизводимости траекторий движения колесных пар, повышает надежность и достоверность диагностики рельсового пути;

3. Методика калибровки ИИМ, предполагающая определение масштабных коэффициентов микромеханических гироскопов и акселерометров с учётом неортогональностей их измерительных осей, позволяет снизить методические погрешности.

В процессе проведения исследований получены новые научные результаты:

• Для более точного определения вертикальных неровностей разработана схема построения системы диагностики рельсового пути на микромеханических чувствительных элементах, которые размещаются непосредственно на буксовые узлы колесных пар тележки вагона;

• С целью повышения надежности и достоверности определения просадок рельсовых нитей с использованием ИИМ на микромеханических чувствительных элементах разработан метод, основанный на идентификации вертикальных неровностей по степени воспроизводимости траекторий движения колесных пар;

• Разработана методика калибровки ИИМ, которая вследствие учёта неортогональностей измерительных осей микромеханических гироскопов и акселерометров при определения их масштабных коэффициентов позволяет снизить методические погрешности.

Практическая ценность работы:

Разработана и реализована система диагностики рельсового пути на микромеханических чувствительных элементах, позволяющая повысить точность определения вертикальных неровностей;

Разработан и реализован метод определения вертикальных неровностей рельсового пути длиной до 2,4 м с точностью 1 мм;

Разработан и реализован метод диагностики рельсового пути, основанный на корреляционном анализе траекторий первого и следом идущего колес, использование которого дает возможность использования ИИМ на микромеханических чувствительных элементах;

Разработана и апробирована методика калибровки микромеханических акселерометров и гироскопов, позволяющая повысить точность измерения до 0,01 м/с и 0,1% соответственно. Реализация и внедрение результатов работы:

Результаты исследований использовались при выполнении научно-исследовательских работ: «Создание новых концепций построения интеллектуальных навигационно-управляющих систем для обеспечения безопасности железнодорожного транспорта" — и хоздоговорных работах «Разработка и исследование малогабаритной интегрированной системы диагностики рельсового пути» и «Разработка модернизированной малогабаритной инерциальной системы диагностики рельсового пути», заключенных с ОАО «Радиоавиони-ка». Результаты, полученные в работе, могут быть также использованы в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина) при проведении научно-исследовательских работ и в учебном процессе, в частности, в научно-образовательных курсах по направлению «Приборостроение». Апробация:

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

— Всероссийская научно-техническая конференция молодых ученых «Навигация и управление движением» (2005,2006, 2008;2010), Санкт-Петербург, Россия.

— Студенческий молодежный мини-симпозиум IEEE «Развитие и современное состояние приборостроения и информационно-измерительных систем» (2006), Санкт-Петербург, Россия.

2-я Российская мультиконференция по проблемам управления (2008), Санкт-Петербург, Россия.

Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина), (20 082 010), Санкт-Петербург, Россия.

— Международный научно-практический семинар «Конструкция железнодорожного пути и вопросы технического обслуживания высокоскоростных магистралей», (2010), Санкт-Петербург, Россия.

Содержание диссертации:

В первой главе выполнены обзор современной путеизмерительной техники и анализ методов измерения неровностей рельсовых нитей.

Показаны достоинства и недостатки существующих путеизмерительных средств и показана актуальность разработки малогабаритных измерительных систем, предназначенных для размещения на регулярно курсирующие пассажирские и грузовые поезда.

В главе 2 приводится результаты разработки СД РП, основанной на использовании устанавливаемых на буксы колесных пар тележки вагона инер-циальных измерительных модулей (ИИМ) на микромеханических чувствительных элементах для определения неровностей рельсовых нитей.

Для определения профиля рельсовых нитей в вертикальной плоскости предлагается метод получения вертикальных траекторий движения буксовых узлов тележки вагона, основанный на анализе взаимной корреляционной функции сигналов вертикальных скоростей букс первого и следом идущего колеса тележки вагона.

Глава 3 посвящена вопросам исследования погрешностей ИИМ на микромеханических датчиках. В работе предложен алгоритм калибровки, позволяющий вначале определить угловые положения измерительных осей отдельных датчиков относительно приборной системы координат. Затем пересчитать значения задаваемых испытательными средствами эталонных сигналов и получить более достоверную информацию о масштабных коэффициентах и нелинейностях выходных характеристик калибруемых датчиков.

Данная методика позволяет исключить методические погрешности определения параметров математических моделей показаний датчиков и достичь точности измерения угловых скоростей и линейных ускорений 0,1% и 0,01 м/с2 соответственно.

Были проведены экспериментальные исследования по проверке достоверности предложенного метода определения вертикальных перемещений с использованием НИМ на специализированном вибростенде. Погрешность определения амплитуды вибраций не превысила 0,015 мм, что удовлетворяет требованиям задач диагностики рельсового пути.

В главе 4 приводятся результаты экспериментального проезда СД РП в составе вагона-дефектоскопа ОАО «Радиоавионика».

Получены параметры рельсового пути: продольный уклон, поперечный уровень, кривизна пути и перекосы на базе тележки, и оценена точность их определения. Показана достоверность предложенного инерциального метода определения просадок рельсовых нитей путем сравнения результатов с используемым в настоящее время хордовым методом. Апробирован метод выявления вертикальных неровностей рельсового пути с использованием корреляционного анализа траекторий движения колесных пар железнодорожной тележки.

Кроме того, показана возможность определения таких дефектов рельсовых нитей, как волнообразные деформации, рифли и смятие головки рельса с использованием четырех ИИМ.

Выводы по главе 4.

В результате проведения экспериментального проезда СД РП на микромеханических чувствительных элементах в составе вагона-дефектоскопа ОАО «Радиоавионика» были получены основные и некоторые дополнительные параметры рельсового пути.

Рассчитаны действующие на кузов и буксы тележки вертикальные ускорения, которые относятся к дополнительным измеряемьш параметрам и необходимы для оценки динамического интегрального воздействия параметров устройства и содержания рельсовой колеи на пассажирский подвижной состав.

Получены параметры рельсового пути: продольный уклон, поперечный уровень, кривизна пути и перекосы на базе тележки, и оценена точность их определения. Показана достоверность предложенного инерциального метода определения просадок рельсовых нитей путем сравнения результатов с используемым в настоящее время хордовым методом. Апробирован метод выявления вертикальных неровностей рельсового пути с использованием корреляционного анализа траекторий движения колесных пар железнодорожной тележки.

Следовательно, существующие ПВ и вагоны-дефектоскопы могут быть дооснащены подсистемой СД РП, базирующейся на четырех ИИМ и одометре, для определения «коротких неровностей», длины которых не более базы тележки.

Кроме того, показана возможность определения таких дефектов рельсовых нитей, как волнообразные деформации, рифли и смятие головки рельса с использованием четырех ИИМ, которые в настоящее время выявляются внешним осмотром с использованием ручных путеизмерительных приборов, то есть в принципе не могут быть определены такими оперативными средствами, как путеизмерительные вагоны и вагоны-дефектоскопы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Использование микромеханических инерциальных датчиков позволяет реализовывать на практике измерения в условиях динамического взаимодействия железнодорожного состава и рельсового пути. Это дает возможность совершенствовать существующие способы контроля состояния нижнего строения пути и предлагать новые. Разработанная СД РП позволяет определять основные геометрические параметры рельсового пути. Данная система может также применяться в усеченном составе (4 ИИМ и одометр) для модернизации вагонов-дефектоскопов и достаточно большого парка устаревших версий путеизмерительных вагонов, не используемых для контроля главных магистралей.

В работе также выполнена оценка возможности определения дефектов рельсов: волнообразной деформации, смятия головки рельса, рифлей — коротких (3−25 см) волнообразных неровностей на головке рельсов. Данные дефекты в настоящее время выявляются внешним осмотром с использованием ручных путеизмерительных приборов, то есть в принципе не могут быть определены такими оперативными средствами, как путеизмерительные вагоны и вагоны-дефектоскопы.

Разработан метод коррекции показаний вертикальных акселерометров, который в соответствии с проектным положением пути предполагает, что среднее значение вертикальной скорости равно нулю на некотором выбранном интервале, соответствующем длине выявляемой неровности. Данный подход базируется на нормативно утвержденной процедуре оценки вертикальных неровностей как отклонений от некоторой средней линии, аппроксимирующей положение рельсового пути. Метод позволяет детерминировать вертикальные неровности рельсового пути длиной до 2,4 м с точностью 1 мм.

Разработана и апробирована методика обработки данных калибровочных испытаний акселерометров и гироскопов, которая предполагает определение в первую очередь неортогональностей измерительных осей, а затем масштабных коэффициентов датчиков. Данная методика позволяет исключить методические погрешности определения параметров математических моделей показаний датчиков и достичь точности измерения угловых скоростей и линейных ускорений 0,1 °/с и 0,01 м/с соответственно.

Таким образом, перспективность внедрения измерительных систем на базе микромеханических датчиков объясняется, в первую очередь, возможностью создания миниатюрных автоматизированных комплексов диагностики и оповещения в режиме «on-line», которыми могут быть оснащены локомотивы регулярно курсирующих железнодорожных составов. Такой подход позволит повысить частоту повторных измерений (следовательно, и оперативность обнаружения дефектов) интенсивно эксплуатируемых участков пути и выявить тенденции в появлении и развитии дефектов.