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, N 9/10, S.533-541), заключающийся в использовании доплеровского эффекта, который проявляется в том, что излучаемые радаром волны отражаются от движущегося 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 //Вicник 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, в качестве значений J₁(t), J2(t),..., J_N(t) измеряемого информативного параметра выбирают интенсивности отраженного от поверхности полотна излучения в N разнесенных вдоль указанного направления точках в месте расположения каждого регистратора, а интервал времени Δt_i измеряют между следующими друг за другом моментами фиксации обоими регистраторами превышения упомянутого порога всеми значениями J₁(t), J₂(t),..., J_N(f) информативного параметра.

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, в качестве непрерывно измеряемых значений J₁(t), J₂(t),..., J_N(f) информативного параметра выбирают интенсивности отраженного от поверхности полотна излучения в N разнесенных вдоль указанного направления точках в месте расположения каждого регистратора, а интервал времени Δt_i измеряют между следующими друг за другом моментами фиксации обоими регистраторами превышения упомянутого порога всеми значениями J₁(t), J₂(t),..., J_N(t) информативного параметра.

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. Упомянутыми двумя средами могут являться воздушное пространство под днищем локомотива и основание железнодорожного полотна. Отраженные от него волны будут распространяться в направлении, обратном тому, с которым 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 гладкой (по сравнению с открытым участком щебеночного балласта) шпалы они отражаются только один раз в направлении, противоположном тому, с которым они попали на указанную поверхность. Таким образом, можно по уровню получаемого с датчика выходного сигнала, являющегося информативным параметром, судить о степени сплошности поверхности подстилающего железнодорожного полотна, а следовательно, о расположенном под регистратором 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 укрепленного на локомотиве датчика над границей щебеночного балласта и шпалы.

Установив под днищем локомотива два регистратора, смещенных друг от друга в направлении движения локомотива на расстояние S и содержащих упомянутую пару "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,....

Так как граница между открытым участком щебеночного балласта и шпалой имеет протяженность в направлении, перпендикулярном направлению движения локомотива, появляется возможность применения для каждого регистратора N упомянутых пар "излучатель - датчик" с распределением их положения в направлении, параллельном направлению укладки шпал. Это позволит существенно снизить возможное влияние разброса чувствительности датчиков в различных регистраторах на точность измерения интервала времени Δt_i. Если момент прохождения тем или иным регистратором над границей между щебеночным балластом и шпалой фиксировать только тогда, когда сигналы всех без исключения N датчиков превысят заданный порог, то фактически указанный интервал времени будет измеряться между моментами превышения порога сигналами тех двух датчиков в каждом регистраторе, при помощи которых идентификация границы между щебеночным балластом и шпалой происходит в последнюю очередь. А возможный разброс чувствительности этих датчиков будет уже существенно меньше, чем весь диапазон возможного разброса чувствительности датчиков в каждом регистраторе.

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, характеризующий 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 скорости. 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 чертеже 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, при этом выходы датчиков 9, 10, 11, 12, 13 и 14 подключены к первым входам соответствующих пороговых устройств (ПУ) 15, 16, 17, 18, 19 и 20. Вторые входы пороговых устройств 15, 16, 17, 18, 19 и 20 предназначены для подачи сигнала, пропорционального заданному порогу для информативного параметра. Выходы пороговых устройств 15, 16 и 17 соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами элемента логического умножения (ЭЛУ) 21, а выходы пороговых устройств 18, 19 и 20 подсоединены соответственно к первому, второму и третьему входу элемента логического умножения 22. Выход элемента логического умножения 21, являющийся общим выходом регистратора 1, подключен к первому входу таймера (Т) 23, а выход элемента логического умножения 22, являющийся общим выходом регистратора 2, соединен со вторым входом таймера 23. Выход таймера 23 соединен с первым входом делительного устройства (ДУ) 24, 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 делительного устройства 24 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 информативному параметру - значению интенсивности J_i(t) отраженного излучения, воспринимаемого каждым датчиком. При этом i=1,2,..., N для обоих регистраторов. Информативный параметр, выдаваемый каждым датчиком, характеризует степень сплошности сегмента поверхности железнодорожного полотна, над которым в данный момент времени находится соответствующая пара "излучатель - датчик". В пороговых устройствах 15, 16, 17, 18, 19 и 20 сравнивается значение информативного параметра, непрерывно измеряемое с помощью соответственно датчиков 9, 10, 11, 12, 13 и 14, с заданным порогом. Указанные пороговые устройства обеспечивают получение цифрового сигнала, значение которого соответствует результату сравнения текущего значения информативного параметра для каждого датчика с порогом. Причем если значение информативного параметра, получаемое от любого датчика, 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". Элементы логического умножения 21 и 22 позволяют зафиксировать моменты времени, когда на выходах всех пороговых устройств каждого регистратора (соответственно пороговых устройств 15, 16, 17 для регистратора 1 и пороговых устройств 18, 19, 20 для регистратора 2) будут присутствовать логические "1". Указанные моменты времени фиксируются в таких ситуациях, когда все датчики первого или второго регистратора (соответственно датчики 9, 10, 11 и датчики 12, 13, 14) идентифицируют скачкообразное увеличение степени сплошности сегментов поверхности железнодорожного полотна, над которыми находятся соответствующие пары "излучатель - датчик". 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 элемента логического умножения 21, на выходе которого вырабатывается логическая "1". Этот сигнал запускает таймер 23, разрешая отсчет интервала Δt_i, где i=1,2,.... При переходе регистратора 2 над той же границей открытого участка щебеночного балласта и шпалы логическая "1" вырабатывается на выходе элемента логического умножения 22. Этот сигнал останавливает отсчет таймера 23. 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 24, в котором определяется текущее значение линейной скорости локомотива как ν_i = S/Δt_i где i=1,2,....

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

Наиболее целесообразно применение заявляемого технического решения в противобуксовочных устройствах локомотивов.

Способ может быть использован 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 друг относительно 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 значений измеряемого информативного параметра выбирают интенсивности отраженного от поверхности полотна излучения в разнесенных вдоль указанного направления точках в месте расположения каждого регистратора. Интервал времени измеряют между следующими друг за другом моментами фиксации обоими регистраторами превышения упомянутого порога всеми значениями информативного параметра. 1 ил.

Способ измерения линейной скорости локомотива, 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 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, в качестве значений J_I(t), J₂(t), . . . , J_N(t) измеряемого информативного параметра выбирают интенсивности отраженного от поверхности полотна излучения в N разнесенных вдоль указанного направления точках в месте расположения каждого регистратора, а интервал времени Δt_i измеряют между следующими друг за другом моментами фиксации обоими регистраторами превышения упомянутого порога всеми значениями J_I(t), J₂(t), . . . , J_N(t) информативного параметра.