Способ мониторинга технического состояния железнодорожного пути и устройство для его осуществления Российский патент 2022 года по МПК G01L1/22 G01L5/16 

Предлагаемое изобретение относится к железнодорожному транспорту и предназначено для непрерывной регистрации вертикальных и боковых сил взаимодействия в динамической системе «колесо-рельс», определения коэффициентов запаса устойчивости вагона от схода с рельсов и выявления дефектных участков пути с точной фиксацией их месторасположения на местности с использованием навигационных устройств.

Известно устройство регистрации вертикальных и боковых сил взаимодействия колеса и рельса (патент РФ №2441206 С1, МПК G01L 5/16, G01L 1/22, опубл. 27.01.2012 г.), включающее в себя цельнокатаную вагонную колесную пару, тензорезисторы, включенные диаметрально в полумостовые тензометрические схемы и размещенные по разные стороны от оси на концентричных диаметрах внутренней стороны диска колес с шагом 90° по дуге окружности, тензометрические усилители, программируемый логический контроллер, датчики регистрации поперечного и углового положения колесной пары относительно рельсов, блок синхронизации, блок передачи сигналов по радиоканалу, связанный с блоком приемки сигналов и бортовым компьютером по разные стороны от оси на концентричных диаметрах внутренней стороны диска колес с шагом 90° по дуге окружности, тензометрические усилители, программируемый логический контроллер, датчики регистрации поперечного и углового положения колесной пары относительно рельсов, блок синхронизации, блок передачи сигналов по радиоканалу, связанный с блоком приемки сигналов и бортовым компьютером.

В известном устройстве из-за расположения активных тензорезисторов с угловым интервалом π/2 на диске колеса и съеме информации в положении перпендикулярном рельсу, при диаметре колеса (950-1050) мм, путь, пройденный без регистрации силового воздействия составит 0,7-0,8 м за один оборот колеса.

Недостатками данного устройства являются: большой период расстановки активных тензорезисторов, который не позволяет данному устройству обеспечить достаточную выборку измерений вертикальных и поперечных сил при качении колесной пары по коротким неровностям пути, а дополнительный набор данных требует значительных временных затрат. Недостаточное количество информативных значений за оборот колеса и отсутствие учета продольной силы снижают точность определения коэффициента запаса устойчивости против схода колеса с рельса.

Также известно устройство для измерения вертикальных и боковых сил взаимодействия между колесом и рельсом (патент РФ №2591739 С1, МПК G01L 1/22, G01L 5/16, опубл. 20.07.2016 г.), включающее в себя железнодорожную колесную пару, тензорезисторы, предназначенные для измерения вертикальных и боковых сил, включенные диаметрально в полумостовые тензометрические схемы и расположенные на внутренней и наружной сторонах диска (4 тензорезистора на каждую диагональ), тензометрические усилители, программируемый контроллер, блок определения угла набегания колеса на рельс, флэш-накопитель, блок передачи сигнала по радиоканалу, принимающее устройство, бортовой компьютер. Тензорезисторы, расположенные на внутренней стороне диска колеса установлены на окружности размерностью 0,6-0,7 диаметра колеса, а тензорезисторы, расположенные на наружной стороне диска колеса, установлены на окружности размерностью 0,6-0,8 диаметра колеса. Тензорезисторы размещены на дуге окружности с угловым интервалом от 36° до 60°.

Известное решение разделяет тензометрические схемы на группы для отдельного анализа вертикальных и боковых сил, количество тензометрических схем колеблется от шести до десяти в зависимости от углового шага, что обеспечивает малый бесконтрольный интервал при качении колеса от 0,3 м до 0,5 м и дает возможность оценки влияния сравнительно коротких неровностей.

Недостатком указанного устройства является погрешность в определении силового воздействия между колесом и рельсом за счет отсутствия учета продольной составляющей вектора силы в «пятне» контакта и принятие истинных значений вертикальных и боковых сил как среднее от суммы точечных измерений за оборот колеса. Кроме того, расположение тензорезисторов снаружи колеса и наличие дополнительных средств анализа положения «пятна» контакта усложняют функциональную схему измерения и снижают надежность известного устройства при неблагоприятных условиях эксплуатации.

Известен способ определения местоположения на железнодорожном пути вагона-путеизмерителя (патент РФ 2370397, МПК B61L 25/00, опубл. 20.10.2009), в котором в процессе движения вагона-путеизмерителя измеряют пройденный им путь и регистрируют моменты прохождения и пройденное расстояние до путевых устройств - станций, переездов, стрелочных переводов, километровых столбиков, опор контактной сети и т.п. Полученные данные фиксируют и с их помощью определяют местоположение вагона-путеизмерителя. В процессе определения местоположения вагона-путеизмерителя регистрируют информацию о железнодорожных станциях, вычисляют расстояния между путевыми устройствами, преобразуют эти расстояния в двоичную кодовую последовательность местоположения, дополняют ее информацией о местонахождении железнодорожных станциях, вычисляют функцию взаимной корреляции двоичной кодовой последовательности местоположения и двоичной кодовой последовательности пути, находят ее абсолютный экстремум, при этом выявляют и корректируют возможные погрешности двоичной кодовой последовательности местоположения и определяют реальное положение вагона-путеизмерителя относительно путевых устройств.

Недостатком известного способа является сложность и трудоемкость вычисления местоположения вагона-путеизмерителя, а также невысокая точность получаемых результатов. Также необходимо отметить, что в настоящее время статус этого изобретения изменился на «прекратил действие». Связано это с моральным старением применяемых приборов и технических средств измерений и с появлением и распространением современных высокоточных навигационных устройств (GPS, ГЛОНАСС).

Известно также устройство сбора информации (тензометрическая колесная пара с криволинейным диском) и способ оценки результатов силового взаимодействия между колесом и рельсом (патент РФ 2682567, МПК G01L 1/22, опубликовано. 19.03.2019), принятое в качестве прототипа, содержащее железнодорожную колесную пару, активные тензорезисторы, размещенные только на внутренних сторонах дисках колеса и включенные в тензометрическую полумостовую схему с компенсационными тензорезисторами, оборудование сбора и беспроводной передачи данных WI-FI, маршрутизатор, модуль приемки данных и бортовой компьютер. Тензорезисторы, включенные в полумостовые схемы, регистрируют 64 динамических процесса за один оборот колеса и расположены диаметрально на двух концентрических окружностях внутренней стороны диска колеса.

Недостатками данного устройства являются: во-первых, точечная регистрация динамических процессов (приблизительно через 190 мм) что позволяет получать результаты расчета коэффициента запаса устойчивости от схода с рельсов только через такой достаточно длинный по длине и времени промежуток, и тем самым может способствовать пропуску возможного дефекта на рельсовом пути, и во-вторых, отсутствие фиксации точного местоположения возможных дефектов на поверхности катания рельсов.

Предлагаемое устройство и способ мониторинга технического состояния железнодорожного пути предназначены для непрерывной регистрации вертикальных и боковых сил взаимодействия в динамической системе «колесо-рельс», определения коэффициентов запаса устойчивости вагона от схода с рельсов и выявления дефектных участков пути с точной фиксацией их месторасположения на местности с использованием навигационных устройств.

Преимуществом такого устройства сбора информации и способа оценки результатов силовых взаимодействий между колесом и рельсом является высокая точность измерений сил, вертикальных и боковых, и возникающих между колесом и рельсом, по сравнению с существующими устройствами, а также повышение точности определения местоположения дефекта на рельсовом пути за счет применения непрерывного метода регистрации динамических процессов взаимодействия между колесом и рельсом и использования современных спутниковых навигационных устройств (GPS - устройств) для фиксации синхронизированных по времени силовых воздействий и мест нахождения возможных дефектов.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении точности определения местоположения дефекта на рельсовом пути за счет применения непрерывного метода регистрации динамических процессов взаимодействия между колесом и рельсом и навигационных устройств.

Указанный технический результат достигается тем, что на внутренней стороне диска колеса на четырех концентричных окружностях с угловым шагом 22,5° устанавливаются тензорезисторы таким образом, чтобы схемы подключения тензорезисторов позволяли суммировать оцифрованные сигналы от тензорезисторов, расположенных на одном из четырех диаметров каждого внутреннего диска колеса, и получить в сумме четыре выходных сигналов.

Величины вертикальных и боковых сил взаимодействия между колесом и рельсом для любого момента времени t определяют по общей формуле через суммирование произведений постоянных коэффициентов, входящих в состав псевдообратной матрицы [G]⁺, к матрице [G] влияния, составленной при проведении четырех отдельных градуировочных нагружений, на значения выходных сигналов S от установленных тензорезисторов

где Q(t) - вертикальная сила между колесом и рельсом, определяемая в заданный момент времени; P(t) - боковая сила межу колесом и рельсом, определяемая в заданный момент времени; а₁₁…а₂₄ - постоянные коэффициенты, входящие в состав псевдообратной матрицы [G]⁺ к матрице [G] влияния, составленной при проведении градуировочных нагружений; S₁(t)…S₄(t) - выходные сигналы от установленных тензорезисторов в заданный момент времени.

Сущность заявляемого изобретения поясняются графическим материалом.

На фигуре 1 показано расположение элементов устройства на железнодорожной колесной паре.

На фигуре 2 показано сечение А-А фигуры 1.

На фигуре 3 показана блок-схема подключения приемопередающих устройств.

Устройство содержит на внутренней стороне 9 диска 3 колеса 4 (фиг. 1, 2) колесной пары 1 на четырех концентричных окружностях 5-8 (фиг. 2) с угловым шагом 22,5° тензорезисторы 2. При этом тензорезисторы 2 соединяются таким образом, чтобы схемы 10-13 и 14-17 (фиг. 3) подключения тензорезисторов позволяли суммировать оцифрованные сигналы от тензорезисторов, расположенных на одном из четырех диаметров каждого внутреннего диска 9 колеса 4, и получить в сумме четыре выходных сигнала, которые через многофункциональное измерительное оборудование сбора и передачи информации, которое условно разделено на два независимых блока 18 и 19, каждый из которых отвечает за регистрацию данных с отдельного колеса, передает по радиоканалу через маршрутизатор 20 и модуль приемки сигналов 21 оцифрованные сигналы с тензометрических схем 10-13, 14-17 в бортовой компьютер 22 по беспроводной сети Wi-Fi.

Способ мониторинга технического состояния железнодорожного пути заключается в компьютерной обработке входных сигналов для определения вертикальных и боковых сил взаимодействия между колесом и рельсом.

Алгоритм градуировочных нагружений и обработки следующий.

Для составления матрицы [G] влияния осуществляется четыре отдельных градуировочных нагружения со следующими комбинациями действующих нагрузок:

1) вертикальной силой Q^T1, расположенной в середине поверхности катания колеса;

2) одновременно вертикальной силой Q^T2, расположенной в середине поверхности катания колеса, и боковой силой P^T2;

3) вертикальной силой , смещенной на расстоянии l наружу колеи от круга катания;

4) вертикальной силой , смещенной на расстоянии l внутрь колеи от круга катания.

В результате градуировочных нагружений по выходным сигналам S₁₁…S₄₄ с тензометрических схем определяются коэффициенты g₁₁…g₃₄ матрицы [G] влияния

где S₁₁…S₁₄ - выходные сигналы тензорезисторов 2 при нагружений вертикальной силой, расположенной в середине поверхности катания колеса 4; S₂₁…S₂₄ - выходные сигналы тензорезисторов 2 при одновременном нагружений вертикальной силой, расположенной в середине поверхности катания колеса 4, и боковой силой; S₃₁…S₃₄ - выходные сигналы тензорезисторов 2 при нагружений вертикальной силой, смещенной на расстоянии l наружу колеи от круга катания; S₄₁-S₄₄ - выходные сигналы тензорезисторов при нагружении вертикальной силой, смещенной на расстоянии l внутрь колеи от круга катания.

Далее вычисляется псевдообратная матрица по отношению к известной матрице [G] влияния

[G]⁺=([G]^T×[G])^-1×[G]^T.

Таким образом, постоянные коэффициенты а₁₁…а₂₄, входящие в состав псевдообратной матрицы [G]⁺, используются при определении величин вертикальных и боковых сил взаимодействия между колесом и рельсом. Измерение значений вертикальной силы Q(t) и боковой сил P(t) между колесом и рельсом по поступающим сигналам S тензорезисторов осуществляется по следующим математическим формулам

или в матричном виде

где Q(t) - вертикальная сила между колесом и рельсом, определяемая в заданный момент времени; P(t) - боковая сила межу колесом и рельсом, определяемая в заданный момент времени; а₁₁…а₂₄ - постоянные коэффициенты, входящие в состав псевдообратной матрицы [G]⁺ к матрице [G] влияния, составленной при проведении градуировочных нагружений; S₁(t)…S₄(t) - выходные сигналы от установленных тензорезисторов в заданный момент времени.

Дальнейшая компьютерная обработка зарегистрированной информации - динамических процессов (вертикальных и боковых сил) производится по формуле (9.10) ГОСТ 33788-2016 «Вагоны грузовые и пассажирские. Методы испытаний на прочность и динамические качества» и заключается в вычислении мгновенных значений коэффициентов запаса устойчивости от схода вагонов с рельсов.

Синхронизированная в каждый момент времени информация, содержащая поток вычисленных мгновенных значений коэффициентов запаса устойчивости вагона от схода с рельсов, сопровождается анализом на превышение численных значений этих коэффициентов и силовых воздействий нормативно - допустимым значениям и потенциально предполагает наличие дефектных участков на железнодорожном пути. Для таких выделенных участков пути ведется и фиксация геокоординат (широты и долготы) с помощью навигационных спутниковых средств для выявления дефектных участков пути.

Таким образом достигается технический результат.

Изобретение относится к приборостроению, в частности к измерительным устройствам для измерения и регистрации сил взаимодействия между колесом и рельсом, и может быть использовано для выявления дефектных участков пути с точной фиксацией их месторасположения. Способ заключается в установке на диске колеса тензорезисторов с дальнейшей обработкой их выходных сигналов, поступающих при движении вагона по рельсовому пути, при этом обработка выходных сигналов для определения величин вертикальных и боковых сил взаимодействия между колесом и рельсом для любого момента времени происходит через суммирование произведений постоянных коэффициентов, входящих в состав псевдообратной матрицы к матрице влияния, составленной при проведении четырех отдельных градуировочных нагружений, на значения выходных сигналов от установленных тензорезисторов. Устройство содержит тензорезисторы, установленные на внутренней стороне диска колеса и подключенные в измерительные схемы, которые через многофункциональное измерительное оборудование сбора и передачи информации передает по радиоканалу через маршрутизатор и модуль приемки сигналов оцифрованные сигналы с тензометрических схем в бортовой компьютер по беспроводной сети Wi-Fi. При этом тензорезисторы установлены на внутренних сторонах дисков колес на четырех концентричных окружностях с угловым шагом 22,5° таким образом, чтобы схемы подключения тензорезисторов позволяли суммировать оцифрованные сигналы от тензорезисторов, расположенных на одном из четырех диаметров каждого внутреннего диска колеса, и получить в сумме четыре выходных сигнала. Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении точности определения местоположения дефекта на рельсовом пути за счет применения непрерывного метода регистрации динамических процессов взаимодействия между колесом и рельсом и навигационных устройств. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ мониторинга технического состояния железнодорожного пути, заключающийся в установке на диске колеса тензорезисторов с дальнейшей обработкой их выходных сигналов, поступающих при движении вагона по рельсовому пути, отличающийся тем, что обработка выходных сигналов для определения величин вертикальных и боковых сил взаимодействия между колесом и рельсом для любого момента времени происходит путем суммирования произведений постоянных коэффициентов, входящих в состав псевдообратной матрицы к матрице влияния, составленной при проведении четырех отдельных градуировочных нагружений, на значения выходных сигналов от установленных тензорезисторов по общей формуле:

где Q(t) - вертикальная сила между колесом и рельсом, определяемая в заданный момент времени; P(t) - боковая сила межу колесом и рельсом, определяемая в заданный момент времени; а₁₁…а₂₄ - постоянные коэффициенты, входящие в состав псевдообратной матрицы [G]⁺ к матрице [G] влияния, составленной при проведении градуировочных нагружений; S₁(t)…S₄(t) - выходные сигналы от установленных тензорезисторов в заданный момент времени.

2. Устройство для мониторинга технического состояния железнодорожного пути, содержащее тензорезисторы, установленные на внутренней стороне диска колеса и подключенные в измерительные схемы, которые через многофункциональное измерительное оборудование сбора и передачи информации передает по радиоканалу через маршрутизатор и модуль приемки сигналов оцифрованные сигналы с тензометрических схем в бортовой компьютер по беспроводной сети Wi-Fi, отличающееся тем, что устройство содержит тензорезисторы, установленные на внутренних сторонах дисков колес на четырех концентричных окружностях с угловым шагом 22,5° таким образом, чтобы схемы подключения тензорезисторов позволяли суммировать оцифрованные сигналы от тензорезисторов, расположенных на одном из четырех диаметров каждого внутреннего диска колеса, и получить в сумме четыре выходных сигнала.