СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНОЙ СКОРОСТИ ЛОКОМОТИВА Российский патент 2002 года по МПК G01P3/64 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в противобоксовочных устройствах локомотивов для измерения параметров их движения, в частности линейной скорости. Целесообразность измерения линейной скорости обусловлена тем, что система управления тягой и торможением локомотива с защитой от боксования и юза не всегда может получать сигналы от поддерживающей оси, так как в настоящее время на локомотивах практически нет свободных осей для установки дополнительных тахометрических датчиков. Имея же информацию о линейной скорости локомотива, режимы боксования и юза могут быть надежно идентифицированы.

Известен способ измерения линейной скорости движения локомотива (Использование радара для измерения пройденного пути и скорости // G. Hilger, Glasers Annalen, 1998. N9/10. S.533-541), заключающийся в использовании доплеровского эффекта, который проявляется в том, что излучаемые радаром волны отражаются от движущеюся объекта со смещением частоты и попадают в приемник. Линейную скорость локомотива определяют посредством измерения разностной частоты (доплеровской частоты) излучаемых и принимаемых волн где v - скорость подвижного состава; θ - главный угол излучения антенны по отношению к направлению движения; v_х - скорость подвижного состава в направлении распространения волн; λ - длина волны излучателя. Реально в процессе измерения регистрируют не одну доплеровскую частоту, а относительно широкий спектр частот, подчиняющийся распределению Гаусса. Доплеровский способ является сложным в реализации, а главное, не обеспечивает возможности измерения малых скоростей в режиме трогания локомотива с места вследствие низкой крутизны выходного сигнала доплеровского измерителя.

Наиболее близким к заявляемому (прототипом) является способ измерения линейной скорости локомотива (Магнитометрический измеритель скорости и ускорения локомотива // Вiсник Схiдноукраiнського державного унiверситету, 2000, 7(29), с. 158-162), основанный на использовании двух идентичных регистраторов, установленных под днищем локомотива со смещением S друг относительно друга вдоль направления его движения, и заключающийся в непрерывном измерении обоими регистраторами информативного параметра, характеризующего одно из периодически изменяющихся вдоль пути свойств элементов конструкции железнодорожного полотна, сравнении указанного параметра с заданным порогом, измерении интервала времени Δt_i между следующими друг за другом моментами фиксации обоими регистраторами превышения упомянутого порога и определении линейной скорости локомотива по формуле ν_i = S/Δt_i, где i = 1, 2,... В качестве контролируемого свойства элементов конструкции железнодорожного полотна согласно способу-прототипу выбирают степень локальной намагниченности (магнитную метку) металлической поверхности головки рельса, периодическое изменение которой вдоль пути обусловлено предварительным формированием магнитных меток в начале каждого цикла измерения.

Измерение линейной скорости по описанному способу-прототипу характеризуется низкой функциональной надежностью в условиях наличия сильных внешних электромагнитных полей, наводимых в железнодорожных рельсах во время движения локомотива. Действие этих полей может обуславливать повышение локальной намагниченности поверхности головки рельса до уровня, достаточного для образования ложной магнитной метки. И, наоборот, действие внешних электромагнитных полей может привести к снижению уровня намагниченности поверхности рельса в районе нахождения истинной магнитной метки и, как следствие, к ее исчезновению. Оба этих фактора обуславливают неадекватное измерение временного интервала, затрачиваемое локомотивом на прохождение базового расстояния S, а следовательно, неадекватное измерение линейной скорости локомотива.

Кроме того, измерение линейной скорости по данному способу требует расположения магнитометрических регистраторов в непосредственной близости от поверхности головки рельса, что может привести к механическим повреждениям элементов измерительного устройства, например, при прохождении локомотивом участка пути со стрелочными переводами.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение функциональной надежности измерения линейной скорости локомотива.

Решение задачи достигается тем, что в способе измерения линейной скорости локомотива, основанном на использовании двух идентичных регистраторов, установленных под днищем локомотива со смещением S друг относительно друга вдоль направления его движения, и заключающемся в непрерывном измерении обоими регистраторами значений информативного параметра, характеризующего одно из периодически изменяющихся вдоль пути свойств элементов конструкции железнодорожного полотна, сравнении указанного параметра с заданным порогом, измерении интервала времени Δt_i между следующими друг за другом моментами фиксации обоими регистраторами превышения упомянутого порога, определении линейной скорости локомотива по формуле ν_i = S/Δt_i, i = 1, 2,..., в качестве контролируемого свойства элементов конструкции железнодорожного полотна выбирают степень сплошности его поверхности, периодически изменяющуюся на границе открытого участка балластного щебеночного слоя и шпалы, причем непрерывно воздействуют на подстилающее железнодорожное полотно одновременно под обоими регистраторами волновым излучением, распределяя его вдоль направления, параллельного продольным осям шпал, а в качестве упомянутого информативного параметра выбирают сумму J₁(t)+J₂(t)+...+J_N(t) интенсивностей отраженного от поверхности полотна излучения в N разнесенных вдоль указанного направления точках в месте расположения каждого регистратора.

Заявляемое техническое решение отличается от способа-прототипа тем, что в качестве контролируемого свойства элементов конструкции железнодорожного полотна выбирают степень сплошности его поверхности, периодически изменяющуюся на границе открытого участка балластного щебеночного слоя и шпалы, причем непрерывно воздействуют на подстилающее железнодорожное полотно одновременно под обоими регистраторами волновым излучением, распределяя его вдоль направления, параллельного продольным осям шпал, а в качестве упомянутого информативного параметра выбирают сумму J₁(t)+J₂(t)+...+J_N(t) интенсивностей отраженного от поверхности полотна излучения в N разнесенных вдоль указанного направления точках в месте расположения каждого регистратора.

Сравнение заявляемого технического решения с прототипом позволяет установить соответствие его критерию "новизна". Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежной областей техники и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию "существенные отличия".

Предлагаемый принцип фиксации регистраторами моментов их прохождения над границей открытого участка щебеночного балласта и шпалы основан на способности волнового излучения отражаться при встрече с границей раздела двух сред, обладающих различными свойствами. В случае, например, ультразвукового излучения такими свойствами являются плотность и сжимаемость среды. Такими средами могут являться воздушное пространство под днищем локомотива и основание железнодорожного полотна. Отраженные от него волны будут распространяться в направлении, обратном тому, в котором они распространялись при излучении. Располагая на днище локомотива непрерывно воздействующий на полотно источник волнового излучения, например ультразвукового, а также в непосредственной близости от него - датчик, воспринимающий отраженное от полотна излучение, с выходным сигналом, пропорциональным интенсивности этого излучения, можно судить о типе поверхности полотна. Эта возможность обусловлена тем, что количество отражаемой волновой энергии в единицу времени будет определяться энергией излучаемых на полотно волн за вычетом той энергии, которая рассеялась при распространении волны. Сравнивая таким образом поверхность шпалы и поверхность открытого щебеночного балласта, можно заметить, что в последнем случае отраженные волны будут переносить в единицу времени значительно меньшую энергию, так как при излучении на поверхность щебеночного балласта существенная часть энергии волн рассеивается при их многократных отражениях от поверхностей отдельных кусков щебня в воздушных зазорах балласта. При попадании же волн на поверхность шпалы, они отражаются только один раз в направлении, противоположном тому, в котором она попала на указанную поверхность.

Так как граница между открытым участком щебеночного балласта и шпалы имеет протяженность в направлении, перпендикулярном направлению движения локомотива, появляется возможность применения N упомянутых пар "излучатель - датчик" с распределением их положения под днищем локомотива в направлении, параллельном направлению укладки шпал, и суммированием их выходных сигналов. Таким образом, можно по уровню суммарного сигнала, получаемого с датчиков и являющегося информативным параметром, судить о степени сплошности поверхности подстилающего железнодорожного полотна, а следовательно, о типе поверхности: поверхность открытого участка щебеночного балласта или поверхность шпалы. Для этого необходимо экспериментально подобрать порог, превышение информативным параметром которого и будет свидетельствовать о прохождении соответствующего регистратора, укрепленного на локомотиве, над границей щебеночного балласта и шпалы.

Установив под днищем локомотива два регистратора, смещенных друг от друга в направлении движения локомотива на расстояние S, каждый из которых содержит N упомянутых пар "излучатель - датчик", можно измерять интервал времени Δt_i между следующими друг за другом моментами фиксации обоими регистраторами превышения упомянутого порога, что будет соответствовать их последовательному прохождению над одной и той же границей между щебеночным балластом и шпалой. Этот интервал будет соответствовать тому времени, которое необходимо локомотиву на прохождение расстояния S. Таким образом, текущую линейную скорость локомотива можно будет определить по формуле
ν_i = S/Δt_i,
где i = 1, 2, ...

По сравнению со способом-прототипом, в котором контролируемое свойство элементов конструкции железнодорожного полотна (локальная намагниченность поверхности головки рельса) является "активным", а способ измерения информативного параметра, характеризующего данное свойство, соответственно "пассивным", в предлагаемом способе контролируемое свойство элементов конструкции полотна (степень сплошности его поверхности) - "пассивное". Для измерения соответствующего информативного параметра (интенсивность отраженного излучения) производится непрерывное "активное" воздействие на подстилающее полотно посредством волнового излучения. В первом случае измерительный канал чувствителен к посторонним активным источникам помех, что снижает функциональную надежность измерителя. Во втором случае имеется возможность исключения таких источников, так как датчики будут воспринимать информацию, переносимую выбранным типом излучения, генерируемым в месте расположения каждого регистратора только излучателями измерительного устройства. Это исключает ложную фиксацию превышения информативным параметром порога по сигналам от посторонних источников, а также исключает ситуацию, когда по аналогичным причинам фиксация не происходит. Следовательно, предлагаемый способ обеспечивает надежное измерение временного интервала, затрачиваемое локомотивом на прохождение базового расстояния S, а следовательно, надежное измерение линейной скорости локомотива. Таким образом, выполнение операций согласно заявляемому способу позволяет обеспечить измерение линейной скорости локомотива с высокой функциональной надежностью.

Структурная схема устройства, реализующего заявляемый способ измерения линейной скорости локомотива представлена на фиг.1 и содержит два идентичных регистратора (регистратор 1 и регистратор 2) 1 и 2, которые образованы источниками излучения (И) 3, 4, 5, 6, 7 и 8 (например, источниками ультразвукового излучения), датчиками (Д) 9, 10, 11, 12, 13 и 14 отраженного излучения (например, датчиками интенсивности ультразвукового излучения), расположенными в непосредственной близости от соответствующих источников излучения. Выходы датчиков 9, 10 и 11 подключены соответственно к первому, второму и третьему входу суммирующего устройства (СУ) 15, а выходы датчиков 12, 13 и 14 соединены соответственно с первым, вторым и третьим входом суммирующего устройства 16. Выход суммирующего устройства 15 подсоединен к первому входу порогового устройства (ПУ) 17, а выход суммирующего устройства 16 подключен к первому входу порогового устройства 18. Вторые входы пороговых устройств 17 и 18 предназначены для подачи сигнала, пропорционального заданному порогу для информативного параметра. Выход порогового устройства 17, являющийся общим выходом регистратора 1, соединен с первым входом таймера (Т) 19, а выход порогового устройства 18, являющийся общим выходом регистратора 2, подсоединен ко второму входу таймера 19. Выход таймера 19 подключен к первому входу делительного устройства (ДУ) 20, а его второй вход предназначен для подачи сигнала, пропорционального значению расстояния S, на которое смещены друг от друга регистраторы 1 и 2 в направлении движения локомотива. Выход устройства деления 20 является выходом всего устройства измерения линейной скорости локомотива.

Устройство функционирует следующим образом. В процессе движения локомотива излучатели 3, 4, 5, 6, 7 и 8 (например, источники ультразвукового излучения) непрерывно воздействуют волновым излучением на подстилающее железнодорожное полотно. Эти излучатели рассредоточены для каждого регистратора (соответственно излучатели 3, 4, 5 для регистратора 1 и излучатели 6, 7, 8 для регистратора 2) в N позициях, которые разнесены вдоль направления, параллельного продольным осям шпал. Отраженное от полотна излучение воспринимается датчиками 9, 10, 11, 12, 13 и 14 (например, датчиками интенсивности ультразвукового излучения), расположенными в непосредственной близости от соответствующих излучателей. Выходные сигналы датчиков пропорциональны значению интенсивности J_i(l) отраженного излучения, воспринимаемого каждым датчиком. При этом i = 1, 2,..., N для обоих регистраторов. Далее значения выходных сигналов датчиков 9, 10, 11 складываются в суммирующем устройстве 15, а значения выходных сигналов датчиков 12, 13, 14 складываются в суммирующем устройстве 16. На выходах указанных суммирующих устройств постоянно присутствует сигнал, пропорциональный сумме значений J₁(t)+J₂(t)+...+J_N(t) интенсивности отраженного излучения, непрерывно измеряемой каждым регистратором с помощью N датчиков в N упомянутых позициях. Этот сигнал является информативным параметром, характеризующим степень сплошности поверхности железнодорожного полотна, над которой в данный момент времени находится каждый регистратор. В пороговых устройствах 17 и 18 сравнивается значение информативного параметра, непрерывно определяемое с помощью соответственно суммирующих устройств 15 и 16, с заданным порогом. Указанные пороговые устройства обеспечивают получение цифрового сигнала, значение которого соответствует результату сравнения текущего значения информативного параметра с порогом. Причем, если значение информативного параметра, измеренное первым или вторым регистратором, меньше заданного порогового значения, на выходе соответствующего порогового устройства будет присутствовать сигнал - логический "0". Если же значение информативного параметра превысило заданный порог, то на выходе этого порогового устройства будет присутствовать сигнал - логическая "1". Пороговые устройства 17 и 18 позволяют зафиксировать моменты времени, когда посредством датчиков и суммирующего устройства (соответственно датчиков 9, 10, 11 и суммирующего устройства 15 для регистратора 1 и датчиков 12, 13, 14 и суммирующего устройства 16 для регистратора 2) идентифицируется скачкообразное увеличение степени сплошности поверхности железнодорожного полотна, над которым находится соответствующий регистратор. Такая ситуация возникает на границе открытого участка щебеночного балласта и шпалы. Момент времени перехода первого по направлению движения локомотива регистратора (регистратора 1) над очередной границей открытого участка щебеночного балласта и шпалы фиксируется при помощи порогового устройства 17, на выходе которого вырабатывается логическая "1". Этот сигнал запускает таймер 19, разрешая отсчет интервала Δt_i, i = 1, 2,... При переходе регистратора 2 над той же границей открытого участка щебеночного балласта и шпалы логическая "1" вырабатывается на выходе порогового устройства 18. Этот сигнал останавливает отсчет таймера 19. Его выходной сигнал, пропорциональный интервалу времени Δt_i, в течение которого локомотив прошел расстояние S (расстояние, на которое смещены друг от друга регистраторы 1 и 2 в направлении движения локомотива), поступает в делительное устройство 20, в котором определяется текущее значение линейной скорости локомотива как
ν_i = S/Δt_i, i = 1, 2,...

Использование заявляемого технического решения позволит повысить функциональную надежность измерения линейной скорости локомотива.

Наиболее целесообразно применение заявляемого технического решения в противобоксовочных устройствах локомотивов.

Изобретение может быть использовано в противобуксовочных устройствах локомотивов. Технический результат заключается в повышении функциональной надежности времяпролетного измерения линейной скорости локомотива. Способ основан на использовании двух идентичных регистраторов, установленных под днищем локомотива со смещением относительно друг друга вдоль направления его движения, и заключается в непрерывном измерении обоими регистраторами значений информативного параметра, характеризующего одно из периодически изменяющихся вдоль пути свойств элементов конструкции железнодорожного полотна, сравнении указанного параметра с заданным порогом, измерении интервала времени между следующими друг за другом моментами фиксации обоими регистраторами превышения упомянутого порога и определении линейной скорости локомотива. В качестве контролируемого свойства выбирают степень сплошности его поверхности, периодически изменяющуюся на границе открытого участка балластного щебеночного слоя и шпалы. Непрерывно воздействуют на подстилающее железнодорожное полотно одновременно под обоими регистраторами волновым излучением, распределяя его вдоль направления, параллельного продольным осям шпал. В качестве информативного параметра выбирают сумму интенсивностей отраженного от поверхности полотна излучения. 1 ил.

Способ измерения линейной скорости локомотива, основанный на использовании двух идентичных регистраторов, установленных под днищем локомотива со смещением S относительно друг друга вдоль направления его движения, и заключающийся в непрерывном измерении обоими регистраторами значений информативного параметра, характеризующего одно из периодически изменяющихся вдоль пути свойств элементов конструкции железнодорожного полотна, сравнении указанного параметра с заданным порогом, измерении интервала времени Δt_i между следующими друг за другом моментами фиксации обоими регистраторами превышения упомянутого порога, определении линейной скорости локомотива по формуле v_i = S/Δt_i, где i= 1, 2, . . . , отличающийся тем, что в качестве контролируемого свойства элементов конструкции железнодорожного полотна выбирают степень сплошности его поверхности, периодически изменяющуюся на границе открытого участка балластного щебеночного слоя и шпалы, причем непрерывно воздействуют на подстилающее железнодорожное полотно одновременно под обоими регистраторами волновым излучением, распределяя его вдоль направления, параллельного продольным осям шпал, а в качестве упомянутого информативного параметра выбирают сумму J_I(t) + J₂(t) +. . . + J_N(t) интенсивностей отраженного от поверхности полотна излучения в N разнесенных вдоль указанного направления точках в месте расположения каждого регистратора.