Разработка инерциальных методов измерения параметров рельсового пути

Железнодорожная дорога в России всегда была и остается главной транспортной артерией для перевозки грузов и пассажиров. Основная задача, которая стоит перед железнодорожниками, удовлетворение всех запросов потребителей транспортных услуг при условии обеспечения безопасности перевозок.

С подъемом экономики железнодорожный транспорт в России имеет хорошие перспективы и должен быть готов к освоению возрастающих объемов перевозок грузов и пассажиров. Первостепенное значение придаётся развитию средств диагностики пути, поскольку их состояние непосредственно связано с безопасностью движения поездов и планированием ремонтных работ. Определяющим фактором при этом является качество и своевременность проведения диагностики. В связи с этим оправдана потребность в современных средствах и методах измерения, позволяющих проводить контроль параметров рельсового пути на больших скоростях без ущерба качеству. Если в настоящее время в качестве таких средств успешно выступают путеизмерительные вагоны (ПВ), то не все методы измерения претерпели модернизацию и обеспечивают необходимую точность и достоверность.

Так, например, в современном ПВ ЦНИИ-4 такой высокоточный, обладающий большим потенциалом измерительный инструмент, как спутниковая навигационная система (СНС) используется лишь для начальной выставки инерциальной навигационной системы (ИНС) [1], применение которой также значительно ограничено. Неровности рельсовых нитей измеряются «дедовскими» хордовыми методами, без привлечения информации об инерциальном положении в пространстве путеизмерительного средства.

Все контролируемые параметры состояния рельсовой колеи фиксируются как функция пройденного вагоном-путеизмерителем пути, требования к точности его измерения чрезвычайно высоки. Решение задачи определения пройденного вагоном на момент времени Г пути от некоторой опорной точки необходимо, во-первых, для локализации (привязки) результатов контроля рельсового пути и, во-вторых, для определения характеристик пути независимо от скорости вагона. Естественно, что все погрешности измерений пройденного пути приводят к неточной привязке обнаруженных дефектов и контролируемых геометрических параметров. Пройденная ПВ дистанция измеряется электронно-механическим устройством, вырабатывающим определенное количество импульсов на оборот колеса (одометром). Погрешность определения пройденной дистанции при использовании такого датчика велика и составляет 5 м на 1 км пути [1].

Данная работа направлена на совершенствование методов диагностики и контроля геометрических параметров путем рационального и более полного использования имеющихся в арсенале ПВ средств измерения, таких как СНС и ИНС, а также их интегрированием в одну навигационную систему. В частности, разработан бесхордовый метод измерения вертикальных неровностей рельсовых нитей в продольной плоскости, в котором устранены недостатки хордового метода, посредством использования данных об угловом положении кузова вагона относительно плоскости горизонта, получаемых с ИНС. Впервые получен метод измерения при помощи ПВ распределенной жесткости рельсовых нитей, в основе которого также лежит инерциальная информация. Интегрирование одометра, СНС и ИНС в навигационную систему позволило получить модель погрешностей датчика пути, разработать алгоритмы определения пройденной дистанции и добиться высокой точности привязки обнаруженных дефектов.

Цель работы — разработка новых методов измерения параметров рельсового пути на основе привлечения инерциальной навигационной информации.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

— разработкой бесхордового метода измерения вертикальных неровностей рельсовых нитей в продольной плоскости (просадки);

— разработкой метода измерения ПВ распределенной вертикальной жесткости рельсовых нитей;

— разработкой метода высокоточной привязки результатов измерения параметров рельсового пути, на основе интегрированной системы навигации о дометр/ИНС/СНС.

Методы исследования базируются на теории инерциальной навигации, теории оптимальной обработки информации, методах математического и имитационного моделирования.

Научная новизна проведенных исследований заключается в том, что в ходе их выполнения впервые:

— предложен бесхордовый метод измерения вертикальных неровностей, позволяющий с высокой точностью определять величину коротких и длинных просадок, а также оценивать дефекты поверхности катания рельсовых нитей;

— разработан метод измерения ПВ жесткости рельсовых нитей;

— получена модель погрешности датчика пути, учитывающая характер и условия движения, произведена идентификация ее коэффициентов, на основе которой разработан метод коррекции показаний датчика пути.

Практическая ценность полученных в диссертационной работе результатов заключается в том, что разработка новых методов на базе имеющегося измерительного комплекса приборов и датчиковой аппаратуры, привела к созданию конкретных систем, нашедших практическое применение. В работе получены следующие практические результаты:

— результаты экспериментального проезда ПВ ЦНИИ-4 показали преимущества бесхордового метода измерения просадки, в частности, его достоверность и более высокую точность, возможность определять короткие просадки, а при малом инкременте одометра идентифицировать стыки и короткие дефекты поверхности катания;

— рабочие программы, реализующие разработанный метод высокоточной привязки результатов контроля к пройденной дистанции на основе интегрированной системы навигации позволяют обеспечить независимость результатов измерений от режима и условий движения и увеличить воспроизводимость результатов измерений пройденного расстояния.

Вместе с тем, следует отметить, что до настоящего времени в мировой путеизмерительной технике такой параметр как жесткость рельсовых нитей не используется по причине отсутствия метода измерения ПВ. Разработанный метод измерения ПВ жесткости рельсового пути заполнит существующий пробел и откроет новое информационное поле для исследования, а также позволит нормировать результаты измерения геометрических параметров, зависящих от нагрузки, по ее величине.

Основные научные положения, выносимые на защиту;

1. Бесхордовый инерциальный метод, позволяющий измерять неровности рельсовых нитей в продольной вертикальной плоскости.

2. Экспериментальные исследования, подтверждающие достоверность и более высокую точность результатов измерения вертикальных неровностей бесхордовым методом.

3. Метод, позволяющий измерять путеизмерительным вагоном вертикальную жесткость рельсового пути.

4. Математическая модель, описывающая погрешность определения пройденной дистанции по показаниям датчика пути.

5. Метод коррекции показаний датчика пути, на основе интегрированной системы навигации, учитывающий характер и условия движения.

Выводы по главе.

1. Разработана интегрированная система навигации одометр/СНС/ИНС на базе путеизмерительного вагона ЦНИИ-4, в основе которой лежит алгоритм коррекции по координатам, вырабатываемым СНС.

2. Разработанный алгоритм коррекции показаний одометра по сигналам СНС и ИНС, а также учет влияния участия приемной антенны потребителя в колебательном движении вагона позволили повысить точность привязки результатов измерения геометрических параметров и обнаруживаемых дефектов рельсового пути, что подтверждается экспериментальными исследованиями, проведенными в составе ПВ ЦНИИ-4. Воспроизводимость результатов измерений при этом возросла в 12 раз.

3. Получена уточненная модель погрешности датчика пути, учитывающая характер движения, произведена идентификация ее коэффициентов на основе экстремально-корреляционного метода. Разработан метод коррекции датчика пути, погрешность которого не зависит от режима и условий движения объекта.

Заключение

.

Данная работа является единым комплексом мер, направленным на модернизацию и совершенствование методов измерения и контроля за состоянием рельсового пути. Предложенные в работе инерциальные методы измерения переводят процедуру диагностики геометрии пути на качественно новый уровень, поскольку в их основу положено использование отвечающих требованиям современности технологий, таких как спутниковые навигационные системы (GPS и Глонасс), бесплатформенная инерциальная навигационная система на базе блока лазерных гироскопов и акселерометров.

В процессе работы над диссертацией автором получены следующие новые и практически значимые результаты:

1. Разработан бесхордовый метод измерения просадки рельсовых нитей, проведен сравнительный анализ величин просадок, полученных хордовым и бесхордовым способом с поперечным уровнем, подтверждающий его достоверность и более высокую точность. Даны рекомендации по уменьшению инкремента одометра и увеличению частоты опроса ИНС, для обнаружения коротких неровностей, а также дефектов поверхности катания и стыков.

2. Предложен метод измерения путеизмерительным вагоном вертикальной жесткости рельсового пути, что позволит в дальнейшем нормировать контролируемые параметры по величине нагрузки.

3. Получена модель погрешности датчика пути, учитывающая характер движения ПВ, произведена идентификация ее коэффициентов, на основе которой разработан новый метод коррекции показаний датчика пути.

Все полученные методы, направленные на решение задач, сформулированных в целях данной диссертационной работы, прошли экспертизу в Российском агентстве по патентам и товарным знакам и запатентованы.

Таким образом, научные и практические результаты, полученные в диссертации, могут быть использованы в путеизмерительных комплексах нового поколения на железных дорогах мира.