УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ РЕЛЬСОВОГО ПУТИ Российский патент 1996 года по МПК B61K9/08 E01B35/00 E01B35/04 

Изобретение относится к устройствам бесконтактного контроля геометического положения нити рельсового пути, зазоров в стыковых соединениях рельсов и диагностики головки рельса и может быть использовано в передвижных контрольно-измерительных лабораториях железнодорожного транспорта как в статике, так и динамике.

Известно устройство для технической диагностики рельсового пути, содержащее генератор высокой частоты, вихретоковый преобразователь, выполненный в виде пары идентичных катушек индуктивности, размещенных в единой плоскости, два амплитудных детектора и подключенные к каждому из них по одному компенсатору напряжений, образующих два измерительных канала, электрически связанных с катушками преобразователя, а также сумматор, вычитатель и масштабный усилитель.

Функциональные возможности этого устройства ограничены измерением не более двух параметров: смещения рельсовой нити от проектного ее положения в плане и износа боковой поверхности головки рельса. Точность контроля этих параметров низкая, так как на результат измерения влияют смещение рельсовой нити в профиле, волнообразный износ (короткие неровности) поверхности катания рельса и неравномерность величин зазоров и превышений рельсов в стыках. Кроме того, достоверность контроля также вызывает сомнение, поскольку каждая из катушек индуктивности измеряет по существу много параметров, причем в разных поперечных сечениях рельса вследствие конструктивного смещения катушек как вдоль рельсовой нити, так и относительно ее продольной оси, а схема обработки устройства не позволяет выделить информационные параметры.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что в устройство, содержащее генератор высокой частоты, вихретоковый преобразователь, выполненный в виде пары идентичных катушек индуктивности, размещенных в одной плоскости, первый и второй амплитудные детекторы, подключенные к катушкам индуктивности соответственно, первый и второй компенсаторы напряжений, связанные входами с выходами амплитудных детекторов, а также сумматор, вычитатель и масштабный усилитель, введены коммутатор, дополнительно вторая пара идентичных катушек индуктивности, размещенных в одной плоскости, третий и четвертый амплитудные детекторы и третий и четвертый компенсаторы напряжений, а также два сумматора, пять вычитателей, шесть масштабных усилителей, биполярный детектор, двухканальный пиковый детектор, два блока памяти, компаратор и формирователь импульса обнуления, при этом каждая из пар катушек индуктивности намотана в форме вытянутых прямоугольников, вплотную примкнутых друг к другу по одной из длинных сторон, образующей продольную ось пары катушек, причем пары катушек размещены в параллельных плоскостях перпендикулярно друг другу своими продольными осями и совмещены центрами по вертикальной оси симметрии преобразователя, коммутатор включен между генератором высокой частоты и катушками индуктивности, третий и четвертый амплитудные детекторы входами подключены к третьей и четвертой катушкам индуктивности, а выходами связаны с третьим и четвертым компенсаторами напряжений соответственно, выход первого компенсатора соединен с первыми входами первых сумматора и вычитателя, выход второго компенсатора соединен с вторыми входами первых сумматора и вычитателя, выход третьего компенсатора соединен с первыми входами вторых сумматора и вычитателя, выход четвертого компенсатора соединен с вторыми входами вторых сумматора и вычитателя, а выход первого сумматора подключен к первым входам третьего и четвертого вычитателей, выход второго сумматора связан через первый масштабный усилитель с вторым входом третьего вычитателя, выход которого подключен к входу второго масштабного усилителя, выход первого вычитателя соединен с первым входом пятого вычитателя, выход второго масштабного усилителя связан через третий масштабный усилитель с вторым входом четвертого вычитателя и через шестой масштабный усилитель с вторым входом пятого вычитателя, выходы четвертого и пятого вычитателей соединены соответственно с входами четвертого и пятого масштабных усилителей, выход второго вычитателя соединен с входами седьмого масштабного усилителя и биполярного детектора, первый и второй выходы которого связаны через первый и второй каналы пикового детектора с первыми входами первого и второго блоков памяти, первый выход биполярного детектора связан через компаратор с входом формирователя импульса обнуления, выходы которого подключены к вторым входам блоков памяти, первый и второй выходы первого блока памяти соединены с первыми входами третьего сумматора и шестого вычитателя, а выходы второго блока памяти соединены с вторыми входами третьего сумматора и шестого вычитателя, выходы второго, четвертого, пятого и седьмого масштабных усилителей, третьего сумматора и шестого вычитателя являются информационными выходами устройства.

Техническим результатом изобретения является обеспечение безопасности движения железнодорожного транспорта за счет увеличения объема и качества измерительной информации о состоянии верхнего строения рельсового пути. Измеряемыми параметрами являются: боковой износ головки рельса а; смещение рельсовой нити от проектного ее положения в профиле h; смещение рельсовой нити от проектного ее положения в плане х; короткие неровности рельсовой нити Δh_н; превышение рельсов в стыке Δh_c; зазор в рельсовом стыке у. На фиг. 1 приведена структурная схема устройства; на фиг. 2 размещение преобразователя над рельсом на установочной высоте h_o в профиле; на фиг. 3 размещение преобразователя над рельсом в плане; на фиг. 4 зависимости напряжений преобразователя, характеризующие величину превышения рельсов в стыке и значение зазора в стыке от относительной ширины катушек; на фиг. 5 - рельсовая нить с характерными стыками, выходная характеристика преобразователя от параметров стыка и диаграмма работы схемы обнуления информации по стыку. Устройство содержит (фиг.1) генератор 1 высокой частоты, коммутатор 2, через который генератор 1 запитывает катушки 4-7 индуктивности преобразователя 3, четыре амплитудных детекторов 8-11, четыре компенсатора 12-15 напряжений, три сумматора 16-18, шесть вычитателей 19-24, биполярный детектор 25, семь масштабных усилителей 26-32,двухканальный пиковый детектор 33, компаратор 34, формирователь 35 импульса обнуления и два блока 36 и 37 памяти. Входы амплитудных детекторов 8-11 подключены соответственно к катушкам 4-7 индуктивности, а выходы детекторов 8-11 к входам компенсаторов 12-15 напряжений соответственно. Выход первого компенсатора 12 соединен с первыми входами первых сумматора 16 и вычитателя 19, выход второго компенсатора 13 соединен с вторыми входами первых сумматора 16 и вычитателя 19, выход третьего компенсатора 14 соединен с первыми входами вторых сумматора 17 и вычитателя 20, выход четвертого компенсатора 14 соединен с вторыми входами вторых сумматора 17 и вычитателя 20, при этом выход первого сумматора 16 подключен к первым входам третьего и четвертого вычитателей 21 и 22, выход второго сумматора 17 связан через первый усилитель 26 с вторым входом третьего вычитателя 21, выход которого подключен к входу второго усилителя 27, выход первого вычитателя 19 соединен с первым входом пятого вычитателя 23, выход второго усилителя 27 связан через третий усилитель 29 с вторым входом четвертого вычитателя 22 и через шестой усилитель 31 с вторым входом пятого вычитателя 23, выходы четвертого и пятого вычитателей 22 и 23 соединены соответственно с входами четвертого и пятого усилителей 29 и 30, выход второго вычитателя 20 соединен с входами седьмого усилителя 32 и биполярного детектора 25, первый и второй выходы которого связаны через первый и второй каналы пикового детектора 33 с первыми входами первого и второго блоков 36 и 37 памяти, первый выход биполярного детектора 25 связан через компаратор 34 с входом формирователя 35 импульса обнуления, выходы которого подключены к вторым блокам 36 и 37 памяти, первый и второй выходы первого блока 36 памяти соединены с первыми входами третьего сумматора 18 и шестого вычитателей 24, а выходы второго блока 37 памяти соединены с вторыми входами третьего сумматора 18 и шестого вычитателя 24, выходы второго, четвертого, пятого и седьмого масштабных усилителей 27-32, третьего сумматора 18 и шестого вычитателя 24 являются информационными выходами устройства.

Коммутатор 2 предназначен для устранения электромагнитного взаимовлияния катушек 4-7 индуктивности, что достигается поочередным подключением каждой из катушек 4-7 к запитываемому их генератору 1.

Коммутатор 2 управляется опорным напряжением от тактового генератора (на фиг. не показано). Частота коммутации выбирается из условия достаточности времени опроса информации с каждой из катушек 4-7. Например, при частоте коммутации, равной 100 кГц дискретность времени опроса информации с одной катушки будет равна 10 мкс. За это время преобразователь 3, двигаясь со скоростью 150 км/ч вдоль рельсовой нити, пройдет расстояние около 0,45 мм, а с учетом четырех катушек 4-7 это расстояние увеличится до 1,8 мм.

Вихретоковый преобразователь 3 предназначен для преобразования измеряемых параметров в электрический сигнал. Конструктивно преобразователь 3 состоит из двух пар катушек 4,5 и 6,7 индуктивности (фиг. 2,3), размещенных в параллельных накладных плоскостях (идеально, когда плоскости пар совмещены). Каждая из катушек 4-7 намотана в форме вытянутого прямоугольника, причем катушки 4,5 первой пары и катушки 6,7 второй пары сомкнуты между собой по одной из длинных сторон, образующей продольную ось У-У для пары катушек 4,5 и продольную ось Х-Х для пары катушек 6,7. Пары катушек 4,5 и 6,7 расположены перпендикулярно друг другу своими продольными осями У-У и Х-Х и совмещены центрами по вертикальной оси Z-Z симметрии преобразователя 3. Для обеспечения электромагнитной помехозащищенности и защиты от механических воздействий преобразователь 3 размещен в металлическом экране (на фиг. не показано). Соотношения геометрических размеров катушек 4-7 рекомендуется выбирать в пределах х_o≅b≅a_o, 3y_o≅l≅3a_o, где b ширина и l длина катушек 4-7; х_o максимально допустимая величина смещения рельсовой нити в плане, соответствующая ГОСТу; а_o стандартная поперечная толщина головки рельса, соответствующая ГОСТу; y _o- максимально допустимая величина зазора в стыке, соответствующая ГОСТу.

Компенсаторы 12-15 напряжений предназначены для компенсации уровней начальных напряжений U_oi (i 1,2,3,4 число катушек), соответствующих значениям напряжений на катушках 4-7 при а 0; h 0; х 0; Δh_н= 0; Δh_c= 0; y 0. Компенсаторы 12-15 представляют собой блоки, собранные на операционных усилителях, на первые входы которых поступают через амплитудные детекторы 6-11, промодулированные измеряемыми параметрами напряжения с катушек 4-7, а на вторые входы подаются опорные уровни напряжений U_o от тактового генератора (на фиг. не показано), значения которых устанавливаются величиной, соответствующей значениям напряжений на катушках 4-7 при а 0; h 0; х 0; Δh_н= 0; Δh_c= 0; y 0. Для обеспечения с одной стороны сглаживания импульсов, вызванных коммутацией, с другой пропускания полезного сигнала с минимальными искажениями на выходах компенсаторов 12-15 включены либо емкости определенной величины, либо в цепь обратной связи операционных усилителей включены фильтры.

Биполярный детектор 25 предназначен для выпрямления переменного напряжения, поступающего с вычислителя 20, и разделения его на разнополярные, а двухканальный пиковый детектор 33 для выделения максимальных значений уровней разнополярных напряжений, поступающих с детектора 25. Биполярный и пиковый детекторы 25 и 33 собраны, например, на диодах, включенных в биполярном детекторе 20 параллельно-противофазно, в двухканальном пиковом детекторе 25 параллельно-однофазно.

Компаратор 34 и формирователь 35 импульса обнуления представляют собой схему обнуления устройства и предназначены для сброса предшествующей информации по стыку (Δh_c,y) перед очередным стыком, что позволяет исключить наложение на очередной стык информации предшествующих стыков. Компаратор связан с первым выходом биполярного детектора 25, на котором первым формируется передний фронт выходного напряжения вычитателя 19 при принятом направлении движения преобразователя 3 (фиг.5 по стрелке). Если требуется изменить направление движения преобразователя 3 на противоположное, то необходимо вход компаратора 34 переключить с первого на второй выход биполярного детектора 25, так как при противоположном движении характер выходной характеристики вычитателя 20 по стыку зеркально изменится, и бывший задний фронт окажется передним.

Блоки 36 и 37 памяти служат для запоминания информации по стыку на время, необходимое для обработки информации по стыку, до очередного стыка.

Техническим результатом изобретения является обеспечение безопасности движения железнодорожного транспорта за счет получения регулярной информации о состоянии верхнего строения пути, что достигается введением функциональных блоков, дополнительных катушек индуктивности, их конструктивным исполнением, включением, расположением и коммутацией.

Вихретоковый преобразователь 3 располагают над рельсом неподвижно и нормально к его поверхности катания на установочной высоте h_o, причем преобразователь 3 ориентируют над рельсом так, чтобы продольная ось одной из пар катушек 4,5 или 6,7 совпадала в плане с проектным положением продольной оси рельсовой нити (фиг. 3 ось У-У).

С генератора 1 подается через коммутатор 2 высокочастотное напряжение на катушки 4-7 индуктивности. При протекании через катушки 4-7 токов высокой частоты вокруг каждой из них создается электромагнитное поле, которое наводит в токопроводящем материале контролируемого рельса вихревые токи, вызывающие в катушках 4-7 вторичную электродвижущуюся силу. В общем случае величина вторичной ЭДС каждой катушки 4-7 зависит от всех шести параметров: а износа головки рельса; h, x смещения рельсовой нити в профиле и плане от проектного положения; Δh_н коротких неровностей нити; Δh_c превышения рельсов в стыке и y зазора в рельсовом стыке, но чувствительность катушек 4-7 различна к этим параметрам вследствие конструктивного их решения и взаимного расположения и ориентации над рельсом. Так катушки 4,5 наиболее чувствительны к изменению параметров h и х за счет большей площади перекрытия поверхности катания рельса, но менее чувствительны к изменению параметров Δh_н, Δh_c и y. Кроме того, катушка 4 и 5, в зависимости от того, какая из них размещена у внутренней стороны рельса, например, катушка 5, дополнительно чувствительна к параметру а поскольку внутренняя сторона головки рельса подвержена износу от усилия трения с ребордой колеса вагона при контакте к динамике. Катушки 6,7 наиболее чувствительны к изменению параметров Δh_н, Δh_c и yно менее чувствительны к изменению х, h.

При условии, когда Δh_c 0 и y 0, т.е. в промежутках между стыками, напряжения на катушках 4-7, промодулированные намеряемыми параметрами а, h, х, Δh_н (фиг.2,3) можно выразить в виде:




где U_oi начальные напряжения при а 0, h=0, х 0, Δh_н 0, i 1,2,3,4;
крутизна выходной характеристики преобразователя h;
чувствительность к изменению параметра х и а;
чувствительность к изменению параметров h и Δh_н;
чувствительность к изменению параметра а.

Напряжения U_i с амплитудных детекторов 8-11 подаются на компенсаторы 12-15, в которых значения начальных напряжений компенсируются, и на выходах сумматоров 16,17 и вычитателей 19 и 20 получаем напряжения в виде:



Совместное решение четырех независимых уравнений (5)- (8) с четырьмя неизвестными а, h, х, Δh_н дает следующие зависимости:
а [(U₁+ U₂) (U₃+ U₄)•K₁]•K₂ (9)
h [(U₁+ U₂)- a•K₃]•K₄ (10)
x [(U₂- U₁) a•K₆]•K₅ (11)
Δh_н= (U₃-U₄)•K₇ (12)
где К_j- постоянные коэффициенты, полученные в результате совместного решения уравнений (5) (8), при этом численные значения коэффициентов обеспечиваются в семи масштабных усилителях 22-35, j 1-7. Напряжения U₁ и U₂ с выходов компенсаторов 12 и 13 складываются в первом сумматоре 16 и вычитаются в первом вычитателе 19, а напряжения U₃ и U₄ с выходов компенсаторов 14 и 15 складываются во втором сумматоре 17 и вычитаются во втором вычитателе 20. Суммы напряжений (U₁+ U₂) и (U₃+ U₄), последняя умноженная на коэффициент усиления К₁ первого масштабного усилителя 26, поступают на входы третьего вычитателя 21, и полученная таким образом разность, умноженная на коэффициент усиления К₂ второго масштабного усилителя 27, представляет собой преобразование (9), однозначно, т.е. всегда одного знака, характеризующее величину бокового износа а головки рельса. Для параметров h, х, Δh_н осуществляются аналогичные преобразования напряжений U₁ U₄ в схеме обработки (фиг. 1), после чего получают выражения (10) (12), по знаку полярности которых судят о верхнем или нижнем, левом или правом смещениях нити от проектного положения.

Вычитание напряжений U₃ и U₄ во втором вычитателе 20 позволяет выделить напряжение, зависящее от изменения параметров Δh_c и у.

Если рельсовая нить в стыке прямолинейна, т.е. Δh_c= Δh_н= 0, то на выходе вычитателя 19 напряжение будет описываться как функция величины y зазора в стыке U₁₉(Δh = 0) = f(y), и характер изменения этого напряжения при принятом направлении движения преобразователя 3 по стрелке (фиг.5) будет иметь вид кривой 1 на фиг. 4.

Если зазор в рельсовом стыке отсутствует, т.е. y 0, то на выходе вычитателя 19 напряжение будет функцией величины Δh_c превышения рельсов в стыке U₁₉(y = 0) = f(Δh_c),, и характер изменения этого напряжения при принятом отрицательном знаке величины Δh_c на 1-ом стыке (фиг.5) будет иметь вид кривой 2 (фиг. 4). На 2-ом стыке рельсовой нити полярность величины Δh_c положительная.

При одновременном изменении Δh_c и y напряжение на выходе вычитателя 19 будет функцией параметров Δh_c и y U₁₉= f(Δh_c, y), характер изменения которого будет иметь вид кривой 3 (фиг.4).

Анализ зависимостей 1,2,3 позволяет сделать вывод о том, что сумма по модулю разнополярных амплитуд U₁₉ и -U₁₉ (размах) кривой 3 равна амплитуде (размаху) кривой 1 и определяется изменением величины y а разность по модулю разнополярных амплитуд +U₁₉ и -U₁₉ определяет изменение величины Δh_c..

Напряжение U₁₉ c выхода второго вычитателя 20 (кривая 3 фиг. 4 и 5) поступает на вход биполярного детектора 25, на первом и втором разнополярных выходах которого получаем два разнополярных напряжения +U₁₉ и -U₁₉. Эти напряжения подаются на первый и второй каналы пикового детектора 33. С выходов двухканального пикового детектора 33 напряжения поступают на первые входы первого и второго блоков 36,37 памяти, в которых они запоминаются (1-й и 2-й каналы фиг.5). Первые выходы блоков 36 и 37 памяти связаны с первыми входами третьего сумматора 18 и шестого вычитателя 24. Так как напряжения с блоков 36 и 37 памяти поступают на сумматор 18 и вычитатель 24 разнополярные, то в сумматоре 18 происходит операция вычитания разнополярных напряжений [+U₁₉+ (-U₁₉)] U₅, а в вычитателе 24 операция сложения разнополярных напряжений [+U₁₉- (-U₁₉)] U₆. Следовательно, с выхода третьего сумматора 32 получают напряжение U₅ по амплитуде и полярности которого судят о величине и знаке превышения Δh_c в рельсовом стыке, а с выхода шестого вычитателя 24 получают напряжения U₆ по амплитуде которого однозначно судят о величине зазора y.

Поскольку в предлагаемом устройстве предусмотрена схема памяти информации о параметрах стыка, то вместе с ней предусмотрена и схема обнуления этой информации, т.е. сброс информации о параметрах Δh_c и y перед очередным стыком. Для этого с первого выхода биполярного детектора 25 на вход компаратора 34 подается напряжение U₁₉. С выхода компаратора 34 напряжение срабатывания, установленное на определенном уровне входного напряжения + U₁₉, подается на вход формирователя 35 импульса обнуления, первый и второй выходы которого связаны с вторыми входами первого и второго блоков 36 и 37 памяти. В результате наличия схемы обнуления сброс информации из памяти блоков 36 и 37 о параметрах стыка осуществляется в момент входа измерительного преобразователя 3 на очередной стык по переднему фронту кривой 3.

Техническим результатом изобретения является одновременное измерение одним устройством бокового износа головки рельса, смещения рельсовых нитей в плане и профиле от проектного положения, коротких неровностей нитей, превышения рельсов в стыке и зазоров в рельсовых стыках, что позволяет с одной стороны гарантировать безопасность движения железнодорожному транспорту, с другой определить степень аварийности пути.

Использование: в передвижных контрольно-измерительных лабораториях. Сущность изобретения: устройство содержит генератор высокой частоты, коммутатор, вихретоковый преобразователь, четыре амплитудных детектора, четыре компенсатора напряжений, три сумматора, шесть вычитателей, биполярный детектор, семь масштабных усилителей, двухканальный пиковый детектор, компаратор, формирователь импульса обнуления и два блока памяти, при этом преобразователь состоит из двух пар катушек индуктивности, размещенных в параллельных накладных плоскостях и выполненных в форме вытянуто-прямоугольной намотки, причем катушки каждой пары сомкнуты между собой по одному из длинных оснований, образующих продольные оси пар, а пары расположены друг к другу своими продольными осями перпендикулярно и совмещены центрами по вертикальной оси симметрии преобразователя, выходы второго, четвертого, пятого и седьмого усилителей, третьего сумматора и шестого вычитателя являются информационными выходами устройства. 5 ил.

Устройство для технической диагностики рельсового пути, содержащее генератор высокой частоты, вихретоковый преобразователь, выполненный в виде пары идентичных катушек индуктивности, размещенных в единой плоскости, первый и второй амплитудные детекторы, подключенные к катушкам индуктивности, соответственно первый и второй компенсаторы напряжений, связанные входами с выходами первого и второго амплитудных детекторов, сумматор, вычитатель и масштабный усилитель, отличающееся тем, что в него введены коммутатор, третий и четвертый амплитудные детекторы, третий и четвертый компенсаторы напряжений, два сумматора, пять вычитателей, шесть масштабных усилителей, биполярный детектор, двухканальный пиковый детектор, два блока памяти, компаратор и формирователь импульса обнуления, а преобразователь снабжен второй парой идентичных катушек индуктивности, размещенных в единой плоскости, при этом катушки намотаны в форме вытянутых прямоугольников и примкнуты друг к другу вплотную, в каждой паре по одной из длинных сторон, образующей продольную ось пары катушек, причем пары катушек размещены в параллельных плоскостях перпендикулярно друг другу своими продольными осями, а их центры совмещены и расположены на вертикальной оси симметрии преобразователя, коммутатор включен между генератором высокой частоты и первой, второй, третьей, четвертой катушками индуктивности преобразователя, третий и четвертый амплитудные детекторы входами подключены к третьей и четвертой катушкам индуктивности, а выходами связаны с третьим и четвертым компенсаторами напряжений, выход первого компенсатора соединен с первыми входами первых сумматора и вычитателя, выход второго компенсатора соединен со вторыми входами первых сумматора и вычитателя, выход третьего компенсатора соединен с первыми входами вторых сумматора и вычитателя, выход четвертого компенсатора соединен со вторыми входами вторых сумматора и вычитателя, а выход первого сумматора подключен к первым входам третьего и четвертого вычитателей, выход второго сумматора связан через первый масштабный усилитель со вторым входом третьего вычитателя, выход которого подключен к входу второго масштабного усилителя, выход первого вычитателя соединен с первым входом пятого вычитателя, выход второго масштабного усилителя связан через третий масштабный усилитель со вторым входом четвертого вычитателя и через шестой масштабный усилитель со вторым входом пятого вычитателя, выходы четвертого и пятого вычитателей соединены соответственно с входами четвертого и пятого масштабных усилителей, выход второго вычитателя соединен с входами седьмого масштабного усилителя и биполярного детектора, первый и второй выходы которого связаны через первый и второй каналы пикового детектора с первыми входами первого и второго блоков памяти, первый выход биполярного детектора связан через компаратор с входом формирователя импульса обнуления, выходы которого подключены к вторым входам блоков памяти, первый и второй выходы первого блока памяти соединены с первыми входами третьего сумматора и шестого вычитателя, выходы второго блока памяти соединены со вторыми входами третьего сумматора и шестого вычитателя, а выходы второго, четвертого, пятого и седьмого масштабных усилителей, третьего сумматора и шестого вычитателя являются информационными выходами устройства.