СИСТЕМА МОНИТОРИНГА НАПРЯЖЕНИЙ ДЛЯ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ Российский патент 2012 года по МПК B61K9/08 B61L23/04 E01B1/00 

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА СВЯЗАННЫЕ ЗАЯВКИ

Данная заявка испрашивает приоритет патентной заявки США № 11/552386, поданной 24 октября 2006 г. и озаглавленной "Система мониторинга напряжений для железных дорог", которая является частичной продолженной заявкой патентной заявки США № 10/899265, поданной 26 июля 2004 г. и озаглавленной "Система и способ для определения ограничений по условиям безопасности на железнодорожном транспорте".

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Описанные системы и способы, в общем, относятся к инфраструктурам обработки информации для мониторинга продольных напряжений в бесстыковых железнодорожных стальных путях ("CWR"). Более конкретно - описанные системы и способы относятся к обработке подвергающихся мониторингу уровней напряжения с целью определения пределов безопасности рельсов.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В течение последних сорока лет на стадии реализации делались усилия, чтобы устранить механические соединения в железнодорожных путях. Эти усилия в значительной степени затрагивают конструирование рельсовых путей, имеющих бесстыковые пути благодаря свариванию или иному соединению концов разнесенных на небольшие расстояния секций рельсов, формируя конструкцию, иногда упоминаемую как бесстыковой рельсовый путь. Технология, связанная с конструированием рельсового пути CWR, в предшествующем уровне техники известна.

Поскольку все секции рельсов бесстыкового железнодорожного пути соединены, бесстыковой железнодорожный путь может быть особенно чувствителен к изменениям в температуре окружающей среды у рельсового пути и в окружающей среде, таким как сезонные колебания в температуре окружающей среды, приводящие к колебаниям в температуре рельсов. В областях с тропическим климатом диапазоны между экстремальными значениями температуры, в общем, являются умеренными, что не создает существенную проблему для рельсовых систем. Однако в областях с умеренным климатом, таких как Соединенные Штаты Америки, Азия, Австралия и Европа, диапазоны экстремальных значений температуры являются достаточными, чтобы вызвать катастрофические, обусловленные температурой, разрушения в рельсовых системах, включая такие разрушения, как разрыв рельсов и коробление рельсовых путей, как будет описано в дальнейшем.

Например, незакрепленное рельсовое звено бесстыковых рельсов 100-мильной длины в некоторых областях умеренного климата может претерпевать изменение в длине более чем на 600 футов от одного сезонного температурного экстремального значения до другого. Посредством прикрепления рельса к железнодорожным шпалам изменения в полной длине рельсов могут быть в значительной степени предотвращены, но вместо этого внутри рельса создаются результирующие, ограниченные продольные напряжения.

Когда сегменты рельсов рельсового пути CWR первоначально устанавливают и прикрепляют к дорожному полотну, каждый из рельсов имеет нулевое продольное напряжение. Температура, при которой установлен бесстыковой железнодорожный путь, иногда упоминается как нейтральная температура рельсов ("RNT").

Когда температура окружающей среды у рельсов падает ниже RNT, внутри в каждом сегменте рельсов бесстыкового железнодорожного пути создаются растягивающие продольные напряжения из-за большего теплового коэффициента расширения металлических рельсов относительно коэффициента нижележащего дорожного полотна. Если разница между пониженной окружающей температурой у рельсов и RNT является экстремальной, растягивающие напряжения в рельсах потенциально могут достигать достаточной величины для того, чтобы фактически вызвать разрыв сегментов рельсов в одном или обоих бесстыковых рельсах. К счастью, разрушение разрыва может быть легко обнаружено посредством установления электрической рельсовой цепи, используя рельсы в качестве части токопроводящего пути, который становится "разомкнутым", если один из рельсов бесстыкового железнодорожного пути разрывается.

Аналогично этому, когда окружающая температура у рельсов поднимается выше RNT, внутри каждого из рельсов бесстыкового железнодорожного пути создаются сжимающие усилия. Если разница между повышенной температурой окружающей среды у рельсов и RNT является экстремальной, сжимающие усилия в рельсах потенциально могут достигать достаточной величины, чтобы фактически вызывать коробление рельсового звена. Сжимающее усилие, требуемое для того, чтобы приводить какой-либо конкретный рельс к короблению, зависит от ряда факторов, включающих в себя абсолютную температуру, разность между температурой окружающей среды у рельсов и RNT и, например, состояние балласта.

Такое коробление, прежде рассматриваемое как случайное и непредсказуемое, является основным источником крушений. Способность поезда преодолевать боковое смещение рельсового звена, которое бывает типичным для коробления рельсовых путей, является минимальной. В результате коробление рельсовых путей представляет собой, по существу, больший риск крушения, чем разрыв рельса, поскольку первое не может быть обнаружено с помощью обычной рельсовой цепи.

Хотя были разработаны различные способы, системы и устройства, чтобы измерять и/или определять продольные напряжения в рельсе бесстыкового железнодорожного пути, ни один из них не используется для точного определения, находится ли секция бесстыкового железнодорожного пути в пределах конкретных ограничений по условиям безопасности. Следовательно, имеется потребность в системах и способах, которые направлены на преодоление недостатков распознавания напряжений в рельсах предшествующего уровня техники, и обеспечивают более точное определение рабочих характеристик рельсов в заданных диапазонах безопасности на железнодорожном транспорте.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Следующее описание обеспечивает сущность примерных вариантов осуществления настоящего изобретения. Эта сущность не является всесторонним обзором и не предназначена для идентифицирования ключевых или критических аспектов или элементов настоящего изобретения или выражения его объема.

В соответствии с одним аспектом настоящей заявки раскрыт примерный способ определения ограничений по условиям безопасности на железнодорожном транспорте. Примерный способ включает в себя определение целевой нейтральной температуры рельсов для участка бесстыкового пути. Способ также включает в себя мониторинг продольного напряжения для участка бесстыкового пути и мониторинг температуры окружающей среды у рельсов для участка бесстыкового пути. Способ дополнительно включает в себя определение настоящей нейтральной температуры рельсов на основании продольного напряжения и температуры окружающей среды у рельсов. В соответствии с примерным способом настоящая нейтральная температура рельсов сравнивается с целевой нейтральной температурой рельсов, чтобы определить, произошло ли разрушение участка бесстыкового пути, и сообщается предупреждение об опасности, если разница между настоящей нейтральной температурой рельсов и целевой нейтральной температурой рельсов находится в пределах предварительно определенного диапазона. Также раскрыто примерное устройство для осуществления этого способа.

В соответствии со вторым аспектом настоящей заявки раскрыт примерный способ для определения ограничений по условиям безопасности на железнодорожном транспорте. Примерный способ включает в себя мониторинг температуры окружающей среды у рельсов для участка бесстыкового пути и мониторинг продольного напряжения для участка бесстыкового пути. Способ также включает в себя определение нейтральной температуры рельсов для участка бесстыкового пути и определение предела текучести балласта, поддерживающего участок рельсов. Способ дополнительно включает в себя определение порогового значения высокотемпературного коробления, связанного с участком рельсов. Пороговое значение высокотемпературного коробления зависит от предела текучести, нейтральной температуры рельсов и продольного напряжения для участка рельсов. В соответствии с примерным способом температура окружающей среды у рельсов сравнивается с пороговым значением высокотемпературного коробления, чтобы определить разность температур, и сообщается предупреждение об опасности, если разность температур находится в пределах предварительно определенного диапазона. Также раскрыто примерное устройство для осуществления этого способа.

В соответствии с третьим аспектом настоящей заявки раскрыта примерная система для мониторинга участков рельсов. Система включает в себя множество устройств мониторинга напряжений участков рельсов и, по меньшей мере, один приемник, находящийся на связи с множеством устройств мониторинга напряжений рельсов. Приемники действуют для приема данных о напряжениях рельсов от устройств мониторинга напряжений рельсов. Приемники дополнительно действуют для передачи данных о напряжениях рельсов в устройство обработки напряжений рельсов. Устройство обработки напряжений рельсов находится на связи с приемниками и действует для оценивания данных о напряжениях рельсов. Устройство мониторинга напряжений рельсов дополнительно действует для сообщения предупреждений об опасности, основываясь на данных о напряжениях рельсов.

В соответствии с четвертым аспектом настоящей заявки раскрыта примерная система мониторинга напряжений рельсов. Эта система включает в себя модуль чувствительных элементов, который дополнительно включает в себя датчик, который выполнен с возможностью установления прямо на рельсовом звене. Датчик дополнительно включает в себя, в общем, плоскую металлическую прокладку и, по меньшей мере, один и обычно два чувствительных элемента, установленных на одной стороне прокладки. Чувствительными элементами обычно являются датчики деформаций, которые установлены на прокладке в конкретной, предварительно определенной конфигурации так называемой "елочкой". По меньшей мере, один модуль сбора данных находится в электрической связи с датчиком, и модуль обработки данных принимает и обрабатывает информацию, собираемую модулем сбора данных.

Дополнительные признаки и аспекты настоящего изобретения станут очевидны специалистам в данной области техники из прочтения и осмысления последующего подробного описания примерных вариантов осуществления. Как можно будет оценить, возможны дополнительные варианты осуществления изобретения, не выходя при этом за рамки объема и сущности изобретения. Соответственно чертежи и относящиеся к ним части описания должны быть расценены по характеру как иллюстративные, а не как ограничительные.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Прилагаемые чертежи, которые встроены в материалы заявки и формируют их часть, схематично иллюстрируют один или более примерных вариантов осуществления изобретения и вместе с общим описанием, приведенным выше, и подробным описанием, приведенным ниже, служат для объяснения принципов изобретения, и на которых:

фиг.1 - схематичное представление, иллюстрирующее примерную сеть бесстыкового железнодорожного пути в соответствии с системами и способами, описываемыми в настоящей заявке;

фиг.2 - схематичное представление, иллюстрирующее примерную связь между некоторыми компонентами фиг.1;

фиг.3 - диаграмма, иллюстрирующая зависимость продольного напряжения рельсов от разности температур между нейтральной температурой рельсов и температурой окружающей среды у рельсов;

фиг.4 - диаграмма продольного напряжения и RNT для рельсового звена CWR;

фиг.5 - блок-схема процесса, иллюстрирующая первую примерную методологию для определения ограничений по условиям безопасности на железнодорожном транспорте;

фиг.6 - блок-схема процесса, иллюстрирующая вторую примерную методологию для определения ограничений по условиям безопасности на железнодорожном транспорте;

фиг.7 - обобщенное схематичное изображение примерного варианта осуществления системы для мониторинга напряжения рельсов в соответствии с настоящим изобретением и обобщенный вид сверху внутренних компонентов датчика по настоящему изобретению;

фиг.8 - вид в перспективе примерного варианта осуществления собранной версии датчика по настоящему изобретению;

фиг.9 - вид в перспективе рельсового звена, на котором был установлен примерный вариант осуществления модуля чувствительных элементов по настоящему изобретению; и

фиг.10 - стилизованная иллюстрация снятия показаний специалистом с примерного варианта осуществления модуля чувствительных элементов по настоящему изобретению.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Теперь будут описаны примерные варианты осуществления настоящего изобретения со ссылкой на чертежи. Ссылочные позиции используются на протяжении всего подробного описания, чтобы ссылаться на различные элементы и конструкции. Для целей пояснения в подробном описании сформулированы многочисленные конкретные подробности, чтобы способствовать полному пониманию этого изобретения. Однако должно быть понято, что настоящее изобретение может быть осуществлено на практике без этих конкретных подробностей. В других случаях известные конструкции и устройства показаны в форме блок-схемы для целей упрощения описания.

Рассмотрим фиг.1, на которой иллюстрируется схематичное представление примерной сети 100 бесстыкового железнодорожного пути. Иллюстрируемая сеть 100 бесстыкового железнодорожного пути включает в себя множество участков рельсовых путей CWR, например, таких как участки 105, 110 и 115 рельсов. Участки рельсовых путей CWR создают трассы между некоторыми узлами, такие как трассы между узлами 120 и 125. Некоторые из участков рельсовых путей CWR, например, такие как участок 115 рельсов, включают в себя устройство мониторинга напряжений рельсов, такое как устройство 140 мониторинга напряжений рельсов. Каждое устройство мониторинга напряжений рельсов предназначено для измерения или определения иным способом величины внутреннего напряжения в пределах участка рельсов и сообщения о таком внутреннем напряжении в процессор 130 для обработки напряжений рельсов.

Обратимся теперь к фиг.2, на которой более подробно иллюстрируется вид некоторых компонентов сети 100 бесстыкового железнодорожного пути. Как показано, монитор 140 напряжений рельсов, соответствующий участку 115 рельсов, определяет внутреннее напряжение участка 115 рельсов и передает данные о напряжении рельсов в процессор 130 для обработки напряжений рельсов через башню 210 передачи сигналов.

Конечно, иллюстрируемое средство связи представляет собой просто один пример многообразия способов для осуществления связи мониторов напряжений рельсов, таких как монитор 140, с процессором 130 для обработки напряжений рельсов. Примеры других средств связи включают в себя, например, прямую проводную связь, спутниковую, высокочастотную, сотовую, любую другую форму беспроводной связи, и связь через Интернет. Примеры еще одних средств для осуществления передачи подвергающихся мониторингу данных от монитора 140 в процессор 130 для обработки напряжений рельсов включают в себя передачу через автодрезину и сбор данных вручную с монитора 140 железнодорожным персоналом вместе с последующим ручным вводом таких данных в процессор 130 для обработки напряжений рельсов.

Данные, собираемые и сообщаемые монитором 140, включают в себя измеренное продольное напряжение участка рельсовых путей CWR или рельсового звена CWR. Другие данные, которые могут собираться и сообщаться монитором 140, включают в себя, например, температуру окружающей среды у рельсов, температуру рельсов, дату, время, вибрацию и RNT.

Обращаясь теперь к фиг.3, отметим, что на ней представлена примерная диаграмма, иллюстрирующая зависимость продольного напряжения рельсов от разности температур между RNT и температурой окружающей среды у рельсов. Как иллюстрируется - на чертеже представлена диаграмма температуры рельсов в градусах Цельсия по горизонтальной оси и соответствующее представление напряжений рельсов в градусах Цельсия по вертикальной оси. Хотя напряжение рельсов обычно представляют в таких единицах, например, как фунты на квадратный дюйм, настоящая заявка признает, что представление напряжений рельсов в единицах градусов сильно упрощает понимание взаимных зависимостей между напряжением рельсов, температурой окружающей среды у рельсов и RNT. Согласно диаграмме на фиг.3 напряжение рельсов в градусах Цельсия может быть определено в соответствии со следующей формулой.

Допустим:

НР - напряжение рельсов (в градусах Цельсия),

RNT - нейтральная температура рельсов (в градусах Цельсия),

ТОС - температура окружающей среды у рельсов (в градусах Цельсия),

НР=RNT-ТОС.

Другими словами, напряжение рельсов, показанное диаграммой на фиг.3, представляет, что напряжение рельсов (НР) составляет количество градусов, на которое температура окружающей среды у рельсов (НР) отличается от нейтральной температуры рельсов (RNT). Эта линейная зависимость изображена ссылочной позицией 350. Горизонтальная зависимость, изображенная ссылочной позицией 360, представляет напряжение несвязанного участка рельса. Благодаря несвязанному состоянию участка рельса, независимо от температуры окружающей среды у рельса, напряжение рельса является нулевым. Другими словами, RNT несвязанного рельса всегда равна температуре окружающей среды у рельса.

В области 305 иллюстрируемого примера, где температура рельса ниже его RNT, рельс находится под растягивающим напряжением, которое имеет тенденцию приводить к разрушениям разрыва рельса. Напряжение рельса в области 310, которое выше его RNT, представляет сжимающее напряжение рельса, которое имеет тенденцию приводить к разрушениям коробления пути. По определению - RNT 315 может быть определена с использованием диаграммы, идентифицируя точку, в которой находится нулевое напряжение рельса. На иллюстрируемой диаграмме RNT 315 для примерного рельсового пути CWR равна 30 градусам Цельсия.

Обратимся теперь к фиг.4, на которой иллюстрируется диаграмма, показывающая RNT и продольное напряжение, в градусах Фаренгейта, рельсового звена CWR за некоторый период времени. Первый участок диаграммы, как обозначено ссылочными позициями 405 и 410, представляет показания, снимаемые до прикрепления рельсов CWR к остальной части рельсового пути. Как иллюстрируется - RNT колеблется с температурой окружающей среды у рельсов на протяжении всего дня. Иллюстрируемое подобным образом, подвергаемое мониторингу, напряжение в градусах Фаренгейта, также выраженное в виде разности между температурой окружающей среды у рельсов и RNT, является нулевым. Эти показания указывают, что на рельсовом звене CWR нет никакого продольного напряжения, что соответствует несвязанному состоянию рельсов CWR до установки.

В ссылочной позиции 415, то есть точке, в которой рельс CWR связывают, иллюстрируются более постоянные показания RNT приблизительно на 100 градусах. Точно так же в ссылочной позиции 420 диаграмма изображает крутое увеличение в величине пикового ночного продольного напряжения рельса, которое остается постоянным в течение некоторого времени приблизительно на 30-40 градусах. Это внезапное увеличение и положительное (растягивающее) значение напряжения рельса соответствует сварке двух концов рельсов вместе и повторному закреплению рельса на поперечных шпалах. Результирующие нагрузки переносятся на балласт, оставляя рельс в полностью связанном состоянии.

В ссылочной позиции 430 изображено крутое увеличение в продольном напряжении рельсов и соответствующее уменьшение RNT в ссылочной позиции 425. Теоретически, как только рельсовое звено CWR становится связанным, RNT должна оставаться постоянной на протяжении всего срока службы рельсового звена CWR. Практически, однако, на RNT может воздействовать множество факторов. Некоторые изменения в RNT могут быть временными, в то время как другие могут быть постоянными. Например, балласт, поддерживающий рельсовое звено CWR, может подстраиваться через какое-то время, заставляя рельсовое звено CWR сдвинуться или иначе изменить его положение. Такое подстраивание, обычно благодаря энтропии и/или другим естественным силам, может снимать напряжение рельсового звена CWR. Пониженный уровень напряжения воздействует на RNT до тех пор, пока рельсовое звено CWR остается в перемещенном положении.

В ссылочной позиции 425 диаграмма иллюстрирует понижение в RNT приблизительно до 80 градусов Фаренгейта, и она не в состоянии вернуться назад к 100 градусам Фаренгейта в течение остальной части времени мониторинга. Такие изменения в RNT на протяжении какого-то времени могут представлять пластические или упругие изменения в участке рельсов. В общем, смещение рельса и шпал в балласте является первичным источником потери RNT. Для восстановления надлежащей RNT необходимо локальное выравнивание рельсового звена или удаление сегментов рельса.

В ссылочной позиции 435 кажется, как-будто бы некоторый фактор воздействовал на подвергаемую мониторингу RNT рельсового звена CWR. Из обеспечиваемых данных неясно, было ли изменение RNT в ссылочной позиции 435 пластическим или упругим изменением. Из обеспечиваемых данных (кривая с однопроцентным наклоном) изменение RNT в позиции 435 сокращается в радиусе кривой с помощью сдвигания шпал в балласте. Результирующее увеличение RNT в ссылочной позиции 440 выглядит как от перемещения спуска по склону рельсов и некоторых сжимающих нагрузок при увеличении температуры окружающей среды. Конечно, изменения в позициях 435 и 440 могли быть несвязанными упругими изменениями, которые просто случаются в противоположных ориентациях.

Мониторинг уровней одного продольного напряжения не обеспечивает такой же широты информации относительно состояния любого конкретного рельсового звена CWR. Прогнозирующие и/или профилактические преимущества настоящего изобретения получаются через сбор и/или анализ продольного напряжения, температуры окружающей среды у рельсов, RNT и в некоторых случаях состояния балласта. Анализ этих данных обеспечивает возможность прогнозирования состояний обслуживания или так называемых "смягченных" разрушений и условий безопасности, или так называемых "катастрофических" разрушений.

Фиг.5 представляет блок-схему процесса, иллюстрирующую первую примерную методологию 500 для устройства обработки напряжений рельсов, с целью определения ограничений по условиям безопасности на железнодорожном транспорте для каждого участка рельсов бесстыкового железнодорожного пути, такого как рельсовый путь 105 CWR рельсовой системы 100. В соответствии с примерной методологией в блоке 505 идентифицируется целевая RNT для конкретного участка бесстыковых рельсов. Продольное напряжение участка рельсов подвергается мониторингу в блоке 510, а температура окружающей среды у рельсов этого участка рельсов подвергается мониторингу в блоке 515. В примерной железнодорожной сети 100, иллюстрируемой на фиг.1, такие продольное напряжение и температура окружающей среды у рельсов подвергаются мониторингу устройством 140 мониторинга напряжений рельсов и передаются в процессор 130 для обработки напряжений рельсов. Используя температуру окружающей среды у рельсов и продольное напряжение участка рельсов, в блоке 520 определяется настоящая RNT, давая зависимость, иллюстрируемую на фиг.3.

Методология в блоке 525 обеспечивает сравнение настоящей RNT с целевой RNT для получения разности температур, которая может быть показательна для коробления рельсовых путей или другого разрушения. Если разность температур находится в пределах предварительно определенного диапазона (блок 530), сообщается предупреждение об опасности (блок 535), указывающее на потенциальную проблему безопасности, связанную с предварительно определенным диапазоном. Конечно, предварительно определенный диапазон может быть определен как диапазон, не имеющий определенных границ, например, когда разность температур превышает или, иначе, пересекает предварительно определенное пороговое значение, тогда разность температур, как считают, находится в пределах предварительно определенного диапазона. Такая величина предварительно определенного порогового значения дополнительно может пересекаться либо в положительном, либо в отрицательном направлении.

Фиг.6 представляет блок-схему процесса, иллюстрирующую вторую примерную методологию 600 для устройства обработки напряжений рельсов, с целью определения ограничений по условиям безопасности на железнодорожном транспорте для каждого участка рельсов бесстыкового железнодорожного пути, такого как рельсовое звено 105 CWR в рельсовой системе 100. В соответствии с примерной методологией в блоке 605 подвергается мониторингу или, иначе, определяется продольное напряжение и температура окружающей среды у рельсов для конкретного участка бесстыковых рельсов. В примерной железнодорожной сети 100, иллюстрируемой на фиг.1, такое продольное напряжение подвергается мониторингу устройством 140 мониторинга рельсов и передается в процессор 130 для обработки напряжений рельсов. Нейтральная температура рельсов для участка рельсов определяется в блоке 610 с использованием температуры окружающей среды у рельсов и продольного напряжения участка рельсов, даваемых зависимостью, иллюстрируемой на фиг.3.

В блоке 615 определяется предел текучести для балласта, поддерживающего участок бесстыковых рельсов, а в блоке 620 определяется пороговое значение высокотемпературного коробления на основании данных, собранных в блоках 605, 610 и 615. Пороговое значение высокотемпературного коробления может быть определено в соответствии с математической функцией таких данных или на основании поисковой таблицы, используя данные, собранные в блоках 605, 610 и 615, как индекс в таблице. Поисковые таблицы могут заполняться на основании исторических данных разрушения рельсов, собранных при конкретных условиях, связанных с этими индексами. Методология обеспечивает в блоке 625 сравнение RNT с пороговым значением температурного коробления, чтобы получить разность температур. Если разность температур находится в пределах предварительно определенного диапазона (блок 630), сообщается предупреждение об опасности (блок 635), указывающее на потенциальную проблему безопасности, связанную с предварительно определенным диапазоном.

Соответственно, настоящая заявка описывает способы, устройства и системы для определения безопасного предела рельсовых путей CWR, основываясь на температуре и напряжении рельсов. Наблюдая текущую нейтральную температуру рельсов, температуру окружающей среды у рельсов и продольное напряжение в рельсе, можно определять предел текучести балласта, поддерживающего рельсовое звено, особенно на изгибах. Наблюдая этот предел текучести при различных условиях и при помощи аналитических моделей, к RNT могут быть добавлены предел текучести или его отрегулированное соотношение, чтобы установить пороговое значение высокотемпературного коробления для целей технического обслуживания, связанного с передачей сигналов или изменений в движении поездов до тех пор, пока упомянутые условия не будут ослаблены. Примеры аналитических моделей, которые можно использовать, включают в себя модели, обеспечиваемые в соответствии с руководством по эксплуатации рельсовых путей, модели, созданные на основании фактических измерений рельсовых путей за период какого-то времени, и математические модели, такие как модели, созданные Министерством транспорта США.

Факторы, потенциально оказывающие влияние на предел текучести рельсового звена, находящегося в пределах балласта, включают в себя кривизну, возвышение наружного рельса, тип и состояние балласта, ширину откоса балластной призмы, эксцентриситет выравнивания рельсов, размер шпал, вес и интервал. С помощью этого способа почти все эти факторы приспосабливаются так, чтобы они находились в пределах наблюдаемого поведения системы способом, который экономно не дублирован другими средствами. Как описано, поисковая таблица с кривизной рельсовых путей и другими доступными факторами может использоваться для настраивания запаса надежности на приемлемый уровень для установившейся практики на железных дорогах.

Обратимся теперь к фиг.7-10, на которых иллюстрируются различные компоненты и подкомпоненты системы мониторинга напряжений рельсов по настоящему изобретению. Как показано на фиг.7, примерный вариант осуществления системы 710 мониторинга напряжений рельсов включает в себя, в электрической и/или цифровой связи друг с другом, модуль 720 чувствительных элементов, датчик 730, модуль 740 сбора данных и модуль 750 обработки данных. Как показано на фиг.9, модуль 720 чувствительных элементов обычно устанавливают прямо на рельсовом звене 760, и он включает в себя защитный корпус 721 и рельсовое скрепление 722 для закрепления модуля 720 чувствительных элементов на рельсе. Крышка 723 может быть удалена с целью доступа к внутреннему источнику 724 электропитания, который обычно является аккумуляторной батареей. Доступ к внутреннему источнику электропитания, таким образом, делает удаление от рельса всего модуля 720 чувствительных элементов не обязательным.

В примерном варианте осуществления датчик 730, который упоминается как "тонкопленочная гибкая схема", используется для обнаружения, измерения и мониторинга напряжения, то есть для двухосной деформации, которую испытывает рельс 760 при некоторых условиях окружающей среды. Такое напряжение обнаруживается и измеряется двумя чувствительными элементами 734, которые установлены с использованием эпоксидной смолы или другого средства, в общем, на плоской, тонкой металлической прокладке 731, таким образом, определяя область 733 восприятия на прокладке 731. В примерном варианте осуществления прокладка 731 имеет длину приблизительно один дюйм (2,54 см) и ширину приблизительно 0,5 дюйма (1,27 см) и включает в себя фольгу из относительно тяжелого металла (например, олова). В дополнение к чувствительным элементам 734, которые обычно являются датчиками деформаций, некоторые варианты осуществления этого изобретения включают в себя дополнительные, различные датчики, такие как температурные датчики. На прокладке 731 может быть определен периметр 732, и может быть включен прорезиненный материал, чтобы обеспечивать защитное покрытие по всей области 733 восприятия. Фиг.8 обеспечивает иллюстрацию собранного датчика 730, который включает в себя защитное покрытие 738.

В примерном варианте осуществления чувствительные элементы 734 представляют собой коммерчески доступные датчики деформаций (Hitec Products, Inc, Ayer, MA), каждый из которых включает в себя два активных воспринимающих элемента, установленных под прямыми углами друг к другу (фиг.7), чтобы образовывать симметричную на виде сбоку "V"-образную конфигурацию, упоминаемую как конфигурация "елочкой". Как показано на фиг.7, открытые концы двух V-образных чувствительных элементов обращены друг к другу на прокладке 731 и ориентированы ортогонально к деформациям, представляющим интерес к деформациям, испытываемым в области рельса 760. Как должно быть понятно специалистам в данной области техники, часто имеются трудности, связанные с передачей коробления через тонкий исходный материал прокладки. В частности, деформации сжатия могут вызывать локальное коробление прокладки, приводя к деформации, которая несколько отличается от деформации коренной конструкции. Это, в общем, не является проблемой с одноосным датчиком, посредством чего продольная ось образца для испытания находится в том же самом направлении, что и у воспринимающего элемента. Используя конфигурацию елочкой и ориентируя воспринимающие элементы ортогонально деформациям, представляющим интерес, прокладку, в общем, размещают со сдвигающим усилием и предположительно с более правильной реакцией на двухосные деформации.

Контактные площадки 735 для припоя и контактные площадки 736 прикрепления силовых проволочных выводов установлены на прокладке 731 в пространстве, расположенном между этими двумя чувствительными элементами. Ряд проводов 737 чувствительных элементов соединяют контактные площадки 735 для припоя с контактными площадками 736 прикрепления силовых проволочных выводов, размещение которых позволяет прикреплять проволочные выводы 739 к центральному участку датчика. Конфигурация межсоединений примерного варианта осуществления обеспечивает "шлейфовые подключения" четырех воспринимающих элементов в замкнутую систему, и эта замкнутая система становится мостом Уитстона. Как должно быть понятно специалистам в данной области техники, мост Уитстона представляет собой электрическую схему, используемую для измерения сопротивления. Мост Уитстона обычно состоит из общего источника электрического тока (такого, как аккумуляторная батарея) и гальванометра, который соединяет два параллельных плеча, содержащие четыре резистора, три из которых известны. Одно параллельное плечо содержит резистор известного сопротивления и резистор неизвестного сопротивления; другое параллельное плечо содержит резисторы известного сопротивления. Для определения сопротивления неизвестного резистора сопротивление других трех резисторов регулируют и балансируют до тех пор, пока ток, проходящий через гальванометр, не уменьшится до нуля. Мост Уитстона также хорошо подходит для измерения небольших изменений в сопротивлении и поэтому является подходящим для измерения изменения сопротивления в датчике деформаций, который преобразовывает деформацию, прикладываемую к нему, в пропорциональное изменение сопротивления. В общепринятой терминологии выводы моста в примерном варианте осуществления обозначены как Red (Красный) (+ входная мощность), Black (Черный) (- входная мощность), Green (Зеленый) (+ выходной сигнал) и White (Белый) (- выходной сигнал).

Модуль 720 чувствительных элементов может быть установлен на рельсе 760 в соответствии со следующим примерным способом: выбирают общее место на рельсе, на котором отсутствуют заводские маркировки и другие, ранее существовавшие элементы или конструкции; устанавливают рельсовую дрель или другое устройство сверления на рельсе 760 и образуют болтовое отверстие на предварительно определенной высоте; шлифуют/полируют место на рельсе 60 (760), где будет помещен датчик 730; датчик 730 приваривают точечной сваркой или иначе прикрепляют к рельсу 760, используя трафарет, который точно располагает датчик 30 (730) относительно болтового отверстия и который обеспечивает и надлежащую ориентацию относительно нейтральной оси рельса, и ортогональность воспринимающих элементов; накладывают водонепроницаемый материал (например, силиконовый материал RTV (клей-герметик, вулканизирующийся при комнатной температуре)) поверх области 733 считывания; и при тщательном удалении любого деформирования выводов, подключающих датчик 730 к модулю 740 сбора данных, устанавливают защитный корпус 721 так, что узел крепления может быть прилажен и стянут. Как должно быть понятно специалистам в данной области техники, с модулем 720 чувствительных элементов и его компонентами можно использовать другие средства крепления или монтажа. Например, в других вариантах осуществления прокладку из композиционного материала наклеивают на рельс 760, используя быстроотверждающийся клей или другое адгезивное средство.

Когда модуль 720 чувствительных элементов собран, датчик 730 подсоединяют к модулю 740 сбора данных, который собирает данные, генерируемые датчиком 730, когда работает система 710. Как должно быть понятно специалистам в данной области техники, модуль 740 сбора данных обычно включает в себя схемную плату или подобное устройство, обычно создаваемые из имеющихся в наличии, коммерчески располагаемых компонентов, хотя для некоторых применений могут использоваться устройства, изготовленные на заказ. Передающее средство, то есть антенну 741, подсоединяют или, иначе, связывают со схемной платой и посылают радиочастотные сигналы в модуль 750 обработки данных, который обычно располагают на расстоянии от модуля 720 чувствительных элементов. Как показано на фиг.10, модуль 750 обработки данных может включать в себя разработанное на заказ считывающее устройство/опросное устройство 751, которое использует различные технологии, известные в технике. В примерном варианте осуществления считывающее устройство/опросное устройство 751 взаимодействует с модулями 720 чувствительных элементов, передает данные в одну или больше баз данных и осуществляет связь с факультативным, дополнительным устройством 752 обработки данных, когда техник или другой пользователь системы 710 выполняет мониторинг напряжения или других состояний, испытываемых рельсом 760. Факультативное устройство 752 обработки данных обычно использует беспроводное средство, чтобы связываться со считывающим устройством/опросным устройством 751, и может включать в себя объединенное устройство отображения изображений для расширенных функциональных возможностей.

Хотя настоящее изобретение было проиллюстрировано с помощью описания его примерных вариантов осуществления и хотя варианты осуществления были описаны с определенными подробностями, намерением Заявителя не является сужать или каким-либо образом ограничивать объем прилагаемой формулы изобретения такими подробностями. Специалистам в данной области техники должны быть понятны его дополнительные преимущества и модификации. Поэтому изобретение в его более широких аспектах не ограничено ни одной из конкретных подробностей, репрезентативных устройств и способов и/или иллюстративных примеров, которые были показаны и описаны. Соответственно можно делать отклонения от таких подробностей, не выходя при этом за рамки объема или сущности общей, обладающей признаками новизны концепции заявителя.

Изобретение относится к системе мониторинга напряжений рельсов. Эта система включает в себя модуль чувствительных элементов, который дополнительно включает в себя датчик, который выполнен с возможностью установления прямо на рельсовом звене. Датчик дополнительно включает в себя, по существу, плоскую металлическую прокладку и, по меньшей мере, один, а обычно два или больше чувствительных элементов, установленных на одной стороне прокладки. Чувствительные элементы обычно представляют собой датчики деформаций, которые установлены на прокладке в конкретной, предварительно определенной конфигурации. По меньшей мере, один модуль сбора данных находится в электрической связи с этим датчиком, а модуль обработки данных принимает и обрабатывает информацию, собираемую модулем сбора данных. В результате обеспечивается высокая точность определения рабочих характеристик рельсов. 3 н. и 26 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Система для мониторинга напряжения рельсов, содержащая:
(a) модуль чувствительных элементов, причем модуль чувствительных элементов дополнительно содержит
(i) по меньшей мере, один датчик, причем, по меньшей мере, один датчик выполнен с возможностью установления прямо на рельсовом звене и дополнительно включает в себя, по существу, плоскую прокладку, имеющую, по меньшей мере, один чувствительный элемент, установленный на ней, и,
(ii) по меньшей мере, один модуль сбора данных, находящийся на связи, по меньшей мере, с одним датчиком, и
(b) модуль обработки данных, причем модуль обработки данных принимает и обрабатывает информацию, собираемую, по меньшей мере, одним модулем сбора данных, чтобы определять напряжение рельса.

2. Система по п.1, дополнительно содержащая передающее средство, находящееся на связи, по меньшей мере, с одним модулем сбора данных для передачи информации в модуль обработки данных.

3. Система по п.1, дополнительно содержащая, по меньшей мере, одно рельсовое звено, на которое может быть установлен датчик.

4. Система по п.1, в которой модуль чувствительных элементов дополнительно содержит защитный корпус для заключения в него, по меньшей мере, одного датчика и, по меньшей мере, одного модуля сбора данных.

5. Система по п.1, в которой модуль чувствительных элементов дополнительно содержит автономный источник электропитания.

6. Система по п.1, в которой, по меньшей мере, один датчик дополнительно содержит защитное покрытие, и в которой защитное покрытие размещено по поверхности, которая окружает, по меньшей мере, один чувствительный элемент.

7. Система по п.1, в которой прокладка составляет приблизительно 1 дюйм (2,54 см) в длину, приблизительно 0,5 дюйма (1,27 см) в ширину и дополнительно содержит металлическую фольгу.

8. Система по п.1, в которой, по меньшей мере, один чувствительный элемент представляет собой, по меньшей мере, один из датчика деформаций и температурного датчика.

9. Система по п.1, в которой модуль обработки данных дополнительно содержит портативный считыватель и портативный процессор для обработки данных.

10. Система по п.9, в которой портативный считыватель и портативный процессор для обработки данных объединены в единый портативный модуль.

11. Устройство для мониторинга напряжения рельса, содержащее модуль чувствительных элементов, причем модуль чувствительных элементов дополнительно включает в себя, по меньшей мере, один датчик, причем, по меньшей мере, один датчик можно устанавливать прямо на рельсовом звене, и дополнительно включает в себя, по существу, плоскую прокладку и, по меньшей мере, два чувствительных элемента, установленных на одной стороне прокладки в конфигурации елочкой, и при этом, по меньшей мере, один датчик выполнен с возможностью осуществления связи, по меньшей мере, с одним модулем сбора данных, и причем, по меньшей мере, один модуль сбора данных выполнен с возможностью осуществления связи с модулем обработки данных.

12. Устройство по п.11, дополнительно содержащее передающее средство, находящееся на связи, по меньшей мере, с одним модулем сбора данных для передачи информации в модуль обработки данных.

13. Устройство по п.11, в котором модуль чувствительных элементов дополнительно содержит защитный корпус для заключения в него, по меньшей мере, одного датчика и, по меньшей мере, одного модуля сбора данных.

14. Устройство по п.11, в котором модуль чувствительных элементов дополнительно содержит автономный источник электропитания.

15. Устройство по п.11, в котором, по меньшей мере, один датчик дополнительно содержит защитное покрытие, и в котором защитное покрытие расположено по поверхности, которая окружает, по меньшей мере, один чувствительный элемент.

16. Устройство по п.11, в котором прокладка составляет приблизительно 1 дюйм (2,54 см) в длину, приблизительно 0,5 дюйма (1,27 см) в ширину и дополнительно содержит металлическую фольгу.

17. Устройство по п.11, в котором, по меньшей мере, два чувствительных элемента представляют собой датчики деформаций.

18. Устройство по п.11, в котором модуль обработки данных дополнительно содержит портативный считыватель и портативный процессор для обработки данных.

19. Устройство по п.18, в котором портативный считыватель и портативный процессор для обработки данных объединены в единый портативный модуль.

20. Способ мониторинга напряжения рельса, содержащий этапы, на которых выполняют:
(а) обеспечение модуля чувствительных элементов, причем модуль чувствительных элементов дополнительно включает в себя, по меньшей мере, один датчик, причем, по меньшей мере, один датчик можно устанавливать прямо на рельсовом звене, и дополнительно включает в себя, по существу, плоскую прокладку и, по меньшей мере, два чувствительных элемента, установленных на одной стороне прокладки в конфигурации елочкой, и, по меньшей мере, один модуль сбора данных, находящийся на связи, по меньшей мере, с одним датчиком;
(b) обеспечение модуля обработки данных, причем модуль обработки данных принимает и обрабатывает информацию, собираемую, по меньшей мере, одним модулем сбора данных, чтобы определять напряжение рельса; и
(c) регистрацию и рассмотрение информации, обрабатываемой модулем обработки данных.

21. Способ по п.20, дополнительно содержащий обеспечение средства антенны, в котором средство антенны находится на связи, по меньшей мере, с одним модулем сбора данных, для передачи информации в модуль обработки данных.

22. Способ по п.20, дополнительно содержащий обеспечение рельсового звена, на котором можно устанавливать датчик.

23. Способ по п.20, в котором модуль чувствительных элементов дополнительно содержит защитный корпус для заключения в него защищающим образом, по меньшей мере, одного датчика и, по меньшей мере, одного модуля сбора данных.

24. Способ по п.20, в котором модуль чувствительных элементов дополнительно содержит автономный источник электропитания.

25. Способ по п.20, в котором, по меньшей мере, один датчик дополнительно содержит защитное покрытие, и в котором защитное покрытие расположено по периметру поверхности, которая окружает, по меньшей мере, один чувствительный элемент.

26. Способ по п.20, в котором прокладка составляет приблизительно 1 дюйм (2,54 см) в длину, приблизительно 0,5 дюйма (1,27 см) в ширину и дополнительно содержит металлическую фольгу.

27. Способ по п.20, в котором, по меньшей мере, два чувствительных элемента представляют собой датчики деформаций.

28. Способ по п.20, в котором модуль обработки данных дополнительно содержит портативный считыватель и портативный процессор для обработки данных.

29. Способ по п.28, в котором портативный считыватель и портативный процессор для обработки данных объединены в единый портативный модуль.