Система определения скорости локомотива Российский патент 2023 года по МПК B61L25/02 G01P3/486 B61C17/00 

Изобретение относится к области информационно-измерительной техники и предназначено для измерения параметров движения железнодорожных составов.

Известны локомотивные скоростемеры, предназначенные для измерения, регистрации и сигнализации параметров (скорость, время, расстояние и так далее) движения поезда (Венцевич Л.Е. Локомотивные скоростемеры и расшифровка скоростемерных диаграммных лент. М: УМК МПС России, 2002. С. 272. ISBN 5-89035-052-8[1], Астрахан В.И., Зорин В.И., Кисельгоф Г.К. Унифицированное комплексное локомотивное устройство безопасности (КЛУБ-У), М.: УМЦ по образованию на железнодорожном транспорте. 2007. С. 272. ISBN 978-5-89035-465-5[2]).

Так. например, известный локомотивный скоростемер типа 3СЛ-2М предназначен для выполнения следующих функций: отображение скорости движения, суточного времени и пройденного пути; регистрации скорости движения, времени движения и стоянок, пройденного пути, направления движения, давления воздуха в тормозной системе, огней локомотивного светофора, наличия напряжения питания на катушке ЭПК, состояния системы автоматического управления торможением (при наличии);сигнализации (для системы АЛСН) о достижении контролируемых скоростей.

Для регистрации параметров движения используется бумажная лента шириной 79,5 мм, покрытая сернокислым барием. На ленту типографским способом наносятся линии и цифры, используемые при расшифровке. Лента разделена на два поля - поле скорости (между нижними и средними километровыми наколами) и поле времени (между средними и верхними километровыми наколами). В каждом из этих полей нанесены линии, обозначающие минимальное, максимальное и промежуточные значения. На поле скорости регистрируется значение скорости, тормозного давления и направление движения, на поле времени - получасовые интервалы времени, часовые наколы, огни локомотивного светофора (желтый, красно-желтый, красный), питание катушки ЭПК, состояние САУТ.

Из-за конструктивных особенностей скоростемера только писец скорости и писец времени находятся на одной линии, остальные писцы сдвинуты относительно их линии: ЭЖ, САУТ - на 27 мм влево, ЭК, ЭКЖ, ТД, НД - на 20 мм вправо, ЭЭ - на 42,5 мм вправо. Лентопротяжный механизм скоростемера приводится в движение от колесной пары локомотива через редуктор и валик привода прибора, выходящий из корпуса слева внизу. Три ряда игл на лентопротяжном валике предназначены для протягивания ленты, кроме того, наколы от них показывают пройденный путь. Расстояние между наколами 5,0 мм, что соответствует 1 км пройденного пути. Скорость протяжки ленты пропорциональна скорости движения локомотива. Лента наматывается на ведущую катушку, вращаемую от лентопротяжного валика через зубчатые колеса и фрикционное устройство, которое обеспечивает постоянное натяжение скоростемерной ленты. Пластина регистратора, выполненная из упругой латуни и хромированная, служит для фиксации положения ленты при давлении на нее пишущих узлов писцов. Кроме того, усилием, с которым эта пластина прижимается к игольчатому валику, обеспечивается постоянство длины протяжки ленты - на каждые 20 наколов - 100 мм. Это имеет важное значение при расшифровке показаний скоростемерной ленты, поскольку шаблоны расшифровки выполнены с соблюдением этого условия. Для ручной протяжки ленты при заправке в прибор игольчатый валик вращается вручную. Эту возможность обеспечивает храповой механизм, через который валик соединен с системой шестерен прибора.

Реверсивный механизм обеспечивает работу скоростемера вне зависимости от направления движения поезда. Он смонтирован на валике привода прибора и представляет собой две конических шестерни - одну выше, другую ниже конической шестерни собственно механизма и два встречно направленных храповых механизма, смонтированных каждый на своем фланце валика привода и сцепленных каждый со своей шестерней. Механизм измерения скорости приводится от одного вала с лентопротяжным механизмом, от него же подзаводится специальный часовой механизм (часовой ход) узла измерения скорости (к часам скоростемера отношения не имеет), звук работы которого хорошо слышен при движении. От часового хода с постоянной скоростью поворачивается вертикально установленный валик с продольными пазами, в пазах которого укреплены три стальных зубчатых сегмента, могущие свободно ходить в пазах. По цилиндрической поверхности сегментов прорезаны мелкие кольцевые канавки, в профиль похожие на треугольники. Сбоку к сегментам прижимается зубчатый ролик с такими же канавками, похожими на ответную часть резьбы. Ролик приводится во вращение от колесной пары через систему шестерен в скоростемере, и вращаясь, поднимает сегмент, с которым он находится в зацеплении. Получается что-то похожее на пару "шестеренка - зубчатая рейка". В каждый момент времени один из сегментов поднимается вращающимся роликом, второй зафиксирован в положении, до которого был поднят, специальным фиксирующим роликом, также имеющим резьбу и перекатывающимся по образованной тремя сегментами зубчатой цилиндрической поверхности, а третий, расцепившись, падает вниз, в исходное положение. Фиксирующий ролик позволяет стрелке указателя скорости устойчиво, без провалов вниз показывать текущую скорость движения.

Чем больше скорость - тем выше сегмент успевает подняться за время нахождения в зацеплении с колесом (пока вал не повернулся и не ввел зацепление с колесом следующий сегмент). Над сегментами стоит зубчатая рейка с шарикоподшипниками, приводящая стрелку скоростемера и писец скорости. Сегмент, вышедший из зацепления с колесом, под собственным весом и давлением шарикоподшипника падает вниз и цикл измерения скорости повторяется с другим сегментом.

Имеются исполнения скоростемера на максимальную скорость 150 км/ч и 220 км/ч, соответствующая градуировка наносится на скоростемерную ленту.

Направление движения регистрируется писцом, находящимся у линии нулевой скорости. При движении вперед он прочерчивает тонкую линию, при движении задним ходом этот писец через специальный рычаг в механизме прибора приводится реверсивным механизмом в движение и прочерчивает вертикальные линии у нулевой линии скорости. Поскольку это происходит часто, на скоростемерной ленте появляется одна толстая линия в районе между нулевой и линией 10 км/ч. Для отображения и регистрации времени используются специальные часы скоростемера, небольшой 24-часовой циферблат которых установлен на основном циферблате скорости, в течение получаса плавно поднимают минутный писец. По истечении 29-30й и 59-60й минуты писец времени падает прочерчивая вертикальную линию, и снова начинается запись следующего отрезка времени. По истечение 1 часа ±1 минута дополнительно отмечается проколом ленты. Игла, делающая часовые проколы, поднимается до верхней точки за 24 часа. Завод часов и перевод стрелок осуществляются ключом, который виден справа вверху у застекленного полукруглого окошка циферблата в районе цифр 100-110 км/ч. Ключ всегда вращается по часовой стрелке. Для перевода часов необходимо немного вытянуть ключ из корпуса. После установки времени он возвращается назад под действием возвратной пружины. Полный завод обеспечивает ход в течение 36 часов.

Также известны скоростемеры серии КПД-3, представляющие собой микропроцессорное контрольно-измерительное устройство для тягового подвижного состава, обеспечивающие более высокую точность измерений и достоверность при расшифровке поездной информации: погрешность 3СЛ2М до 12 км/ч; погрешность КПД-3 не более ±1 км/ч.

Регистрация скоростемерной информации в КПД-3 производится: на бумажную (пластиковую) ленту; в электронный съемный модуль памяти; в электронный блок регистрации информации защищенный, действующий как «черный ящик».

Расшифровка данных с модуля памяти после поездки проводится автоматически в специальной компьютерной программе ЭМ-Эксперт, которая подробно отображает данные о состоянии тормозной системы, сигналах светофора, скорости, времени и других параметрах поездки. Основной функцией скоростемера является измерение, индикация и регистрация скорости, пройденного пути, времени, тормозного давления и параметров АЛС.

Дополнительно КПД-3 измеряет величину ускорения (замедления) движения локомотива, что обеспечивает повышение безопасности движения и ресурсосбережение: машинист может оперативно применять режимы торможения и тяги при управлении поездом на пути с любой сложностью профиля, контролировать трогание с места без опасности разрыва состава, оперативно проверять эффективность тормозов.

Скоростемеры серии КПД-3П предназначены для использования на локомотиве при маневровой работе, на малодеятельных участках, в пригородном движении, а также на промышленных предприятиях.

Запись скоростемерной информации производится в электронный съемный модуль памяти для послерейсовой автоматизированной расшифровки.

Каждый следующий вид скоростемера серии КПД-3П дополняется новыми функциями.

Скоростемеры КПД-3ПА используются для локомотивов промышленных предприятий, а также для дооснащения подвижного состава, выходящего на ж/д пути общего пользования. КПД-ЗПА выполняет функции: измерение, индикацию и регистрацию скорости, ускорения, пройденного пути, времени, давления и другой скоростемерной информации; сигнализацию превышения контролируемых скоростей; выдачу сигналов для управления гребнесмазывателем и песочницей.

Комплекс КПД-3ПС также включает в себя функции определения местоположения локомотива и измерения расхода топлива

Скоростемеры КПД-3ПВ используются для оснащения ж/д транспорта «с нуля» согласно требованиям нормативных документов и дополнительно выполняют: предварительную световую сигнализацию при периодической проверке бдительности с реализацией алгоритма с "верхней" рукояткой бдительности; контроль самопроизвольного ухода локомотива; контроль несанкционированного отключения электропневматического клапана (ЭПК) ключом ЭПК.

Скоростемер КПД-3ПС используется на тепловозах и специальном самоходном подвижном составе промышленных предприятий, выполняет функции КПД-ЗПА и КПД-ЗПВ, а также дополнительно осуществляет: измерение температуры и плотности топлива в баке локомотива; определение расхода топлива в литрах и килограммах за любой промежуток времени; определение местоположения локомотива по системам спутниковой навигации ГЛОНАСС и GPS; передачу данных о текущих географических координатах локомотива и другой поездной информации на сервер пользователя; получение команд управления с сервера пользователя.

Важную роль в своевременном срабатывании устройств безопасности играет точность измерения параметров движения (Марюхненко B.C. Информационный анализ навигационного обеспечения управляющих систем подвижных транспортных объектов: монография; - Иркутск: изд-во ИрГУПС, 2009. - 112 с. [3]), в частности, скорости железнодорожной единицы (B.C. Марюхненко, Мухопад Ю.Ф., Демьянов В.В., Миронов Б.М.. Информационное обеспечение подвижных транспортных средств на основе интегрированных навигационных систем: Монография; под ред. д-ра техн. наук, профессора B.C. Марюхненко. - Новосибирск: Наука, 2014. - 256 с. [4]).

Между тем, одометрические измерители скорости, применяемые на современных локомотивах железных дорог РФ, имеют большую погрешность измерения (от 0,5 до 2,0 км/ч в зависимости от скорости движения в диапазоне от 0 до 80 км/ч), что препятствует и повышению точности соблюдения временного графика движения, и сокращению допусков на срабатывание устройств безопасности (Козюков А.И. Локомотивный скоростемер. Информационная система [Электронный ресурс] - Режим доступа: www.ielectro.ru [5]). Устройство КЛУБ-У. Руководство по эксплуатации. Часть первая. 36991-00-00 РЭ. - Ижевск: изд-во ИРЗ, 2014. - 264 с. [6]). Кроме недостаточно высокой точности измерений известные скоростемеры имеют дополнительные составляющие погрешности измерений при неполном сцеплении колеса с рельсом (юз. буксование колес), зависимость погрешности измерения от износа бандажей колес (Правила технической эксплуатации железных дорог Российской федерации: утв. Приказом Минтранса России от 21.12.2010 г. N286. - М.: ООО «Трансинфо ЛТД», 2011. - 256 с. [7]).

Общей проблемой на ж/д транспорте является измерение малых скоростей движения с начала трогания с места и в самом конце движения, вплоть до остановки. Это объясняется тем, что для измерения скорости применяются механические датчики, которые обладают значительной погрешностью измерения, кроме того, при пробуксовке и юзе они не работоспособны.

Известны также автодинные радиолокаторы малого радиуса действия с частотной модуляцией, которые нашли широкое применение на ж/д транспорте в качестве измерителей параметров движения вагонов на сортировочных горках, локомотивов относительно полотна дороги, обнаружителей занятости стрелочных переводов и ж/д переездов, датчиков предупреждения столкновений и многое другое, (Носков В.Я. и др. «Современные гибридно-интегральные автодинные генераторы микроволнового и миллиметрового диапазона и их применение» ч. 9 «Радиолокационное применение автодинов. Успехи современной радиоэлектроники», 2016, №3, стр. 32-80 [8]).

Недостатком этих измерителей является большая сложность выделения полезных сигналов на фоне многочисленных радиопомех при работе в зоне станций, а также необходимость определения и ввода поправок при неоднородной шероховатости подстилающей поверхности при измерении скорости локомотива при использовании доплеровского эффекта.

Также известен патент RU №2378654 от 10.01.2010 г. «Локомотивная система определения скорости движения и пройденного пути» [9], которая содержит три приемоизлучающих устройства, каждое из которых включает блок СВЧ - излучателя с передающей антенной и приемный блок отраженного СВЧ - излучения с приемной антенной и усилителем и программируемый микропроцессор с двумя блоками корреляционно-экстремальной обработки. Все приемоизлучающие устройства расположены последовательно по продольной симметрии рельса и отраженные сигналы от подстилающего балласта, воспринимаются и анализируются по специальному обеспечению.

Недостаток: очень сложное схемное решение за счет применения корреляционной обработки, а также нестабильная работа в экстремальных условиях эксплуатации, при неблагоприятных погодных условиях.

Эта система вообще не применима в высокоскоростных ж/д магистралях, в которых не используются шпалы, а есть только прочное подстилающее основание на всем пути, т.е. нет балласта в обычном смысле этого слова, т.е. нет реперов для отчетов. В настоящее время намечается тенденция перехода электрического ж/д транспорта на постоянном токе на переменный ток промышленной частоты, что дает значительное повышение эксплуатационных характеристик одновременно с применением управления всеми двигательными (ведущими) колесами локомотива по схеме мотор/колесо от центрального процессора. Это предъявляет повышение требований к измерениям параметров движения как на сверхмалых (0.5-2 м/с), так и на больших скоростях (300-500 км/ч).Для повышения точности измерения скорости движения локомотива на ж/д пути, особенно на малых скоростях, начиная с момента трогания с места с определением направления движения предложена система определения скорости локомотива и направления движения (патент RU №2769956С1, 11.04.2022[10]), основанные на применении - использовании искусственных ориентиров - маркеров вдоль геометрии ж/д пути в виде накладок для крепления рельсов к шпалам, характеризующиеся тем, что по мере движения локомотива излучающей по двум последовательным каналам зондирующие радиолокационные сигналы, принимают отраженные от меток ответные сигналы и, зная расстояние-базу между зондирующими - Приемными каналами, а так же засекают время между проходом ответных импульсов от текущей метки по каждому каналу по формуле: S=V*t, где S=L₂ (расстояние между каналами), t - время прохода метки.

Определяют скорость локомотива по выражению: V=S/t=2/Δt, а по последовательности времени прохода каналами метки определяют направление движения, так если последовательность первый-второй канат, то движение вперед, если же второй-первый, то назад; при движении с места все отсчеты проводят по второй метке. При этом технический результат достигается за счет применения двух последовательных радиолокаторов матого радиуса действия, размещенных в подкузовном пространстве локомотива, а в качестве маркеров по геометрии ж/д пути выбраны накладки крепления рельсов к шпалам и оптимальной обработки отраженных от маркеров сигналов. Существенным недостатками данного технического решения является размещение радиолокаторов в подкузовном пространстве локомотива, что приводит к появлению флуктуационных составляющих, обусловленных переотражением зондирующих сигналов от конструктивных элементов локомотива, а также возникновение погрешностей, из-за влияния вихревых воздушных потоков, содержащих бытовой мусор. Известны также технические решения по обоснованию применения для измерения скорости железнодорожных подвижных объектов альтернативного, радиолокационного доплеровского измерителя скорости (М.А. Гурулева, B.C. Марюхненко. Применение доплеровского измерителя для определения скорости подвижных железнодорожных единиц. Иркутск. Иркутский государственный университет путей сообщения. 2016. №1(108), с. 129-142 [11]).

В соответствии с источником информации [11] радиальную скорость объекта определяют, дифференцируя значения дальности (по показаниям радиодальномера), или, оценивая конечную разность дальностей на границах фиксированного интервала времени. При этом отмечается, что достичь гораздо большей точности измерений позволяет использование доплеровского эффекта. При этом, способы радиолокационного измерения отличаются видом излучаемых (непрерывные или импульсные) и характером принимаемых сигналов (прямые или отраженные).

Высокие требования к точности измерений скорости железнодорожного транспорта обуславливают выбор между доплеровским измерителем скорости (ДИС) импульсного и непрерывного излучения в пользу последнего. При этом целесообразно использование диапазона сантиметровых волн (СВЧ частоты) ввиду высокой стоимости ДИС, работающих в миллиметровом диапазоне.

При непрерывном излучении электромагнитных колебаний (ЭМК) взаимное движение передатчика П_рд и приемника П_рм с относительной скоростью V_r приводит к смещению частоты принимаемых сигналов: где f₀=1/Т₀ - частота излучения; F_д - доплеровский сдвиг частоты; с - скорость света; k=1 при разнесенном приеме, и k=2 при локационном приеме; знаки «+» и «-» соответствуют сближению и удалению объектов. При этом радиальная скорость объекта определяется по формуле: где V_r - радиальная скорость объекта; λ₀=c/f₀ - длина волны излучаемых колебаний.

При этом рассмотрены следующие области применения ДИС в зависимости от его расположения: ДИС установлен на локомотиве поезда, значения непрерывноизмеряемой фактической скорости необходимы для срабатывания устройств безопасности (КЛУБ-У, САУТ). соблюдения скоростного режима машинистом; ДИС стационарно установлен в колее или вблизи железнодорожного пути, значения измеряемой скорости необходимы для работы системы автоматического регулирования скорости роспуска составов на сортировочных горках - для исключения нагонов и достижения требуемой дальности пробега отцепов. При этом электромагнитные колебания излучаются в направлении движущегося отцепа, отраженный от поверхности вагона сигнал в ДИС преобразуется в выходной сигнал в виде напряжения, пропорционального фактической скорости отцепа, и подается в устройство управления замедлителем и в сигнальное устройство. При совпадении заданной и фактической скоростей, замедлитель растормаживается. Для обеспечения переездной и пешеходной сигнализации установку ДИС осуществляют на заданном расстоянии до переезда (пешеходного перехода) вблизи каждого из путей в правильном и в неправильном направлении движения, что позволяет непрерывно, от начата и до конца поезда, измерять фактическую скорость движения. Постоянная передача информации о фактической скорости поезда в программный модуль переезда (пешеходного перехода), ее обработка и расчет времени приближения к переезду (переходу) дают возможность включить сигнализацию своевременно. В варианте использования переносного ДИС, он дополнен визуальной и звуковой индикацией. Значения непрерывно измеряемой скорости необходимы для своевременного оповещения работников о скорости приближающегося поезда и минимальном времени приближения к месту производства работ по обслуживанию пути и напольных устройств, что особенно важно при плохой видимости в условиях тумана, при осадках. При облучении электромагнитными колебаниями неподвижной цели (балласта железнодорожного пути) радиальную скорость локомотива V_r можно записать как V_r=Vcosα, где V - скорость движения поезда, α - главный угол излучения антенны по отношению к направлению движения. При V=const доплеровский сдвиг несущей частоты сигнала, отраженного от точки цели имеет максимальное значение при горизонтальном излучении (cosa→1). В то же время, мощность отраженного сигнала у принимающей антенны (без учета потерь при распространении, приеме и обработке сигнала) задается уравнением (Гришин Ю.П., Ипатов В.П., Казаринов Ю.М., Коломенский Ю.А., Ульяницкий Ю.Д. Радиотехнические системы: Учебник для вузов по спец. «Радиотехника» / Под ред. Ю. М. Казаринова. - М.: Высшая школа, 1990. - 496 с.):

где: P_r - мощность сигната. принимаемая антенной; P_t - мощность передатчика; G_t - коэффициент усиления передающей антенны; A_r - эффективная площадь приемной антенны; σ - эффективная площадь рассеяния цели в данном ракурсе; R - расстояние от ДИС до цели при совмещенном приеме.

Поскольку мощность уменьшается пропорционально 4-ой степени расстояния до цели, то для получения сигнала достаточного уровня расстояние R должно быть в допустимых пределах, для чего нужно увеличить угол излучения α по отношению к горизонтали. При α=35…70° доплеровское смещение составляет 35…80% (G. Hilger. GlasersAnnalen, 1998, N9/10, S. 533-541).

Из выражения (3) видно, что при увеличении угла излучения относительно его основного значения появляется множество частот, расширяющих полосу доплеровского излучения. Если отражающие свойства поверхности в пределах облучаемой площади одинаковы, то форма огибающей спектра зависит от угла β. Ширина спектра отраженного сигнала:

где F_дв2, F_дв1 - Доплеровские сдвиги частоты соответственно от первой и второй точек цели. Уменьшение угла излучения β антенны приведет к возможности исчезновения сигнала вследствие его зеркального отражения, например, от поверхности катания рельса в момент проследования поездом стрелки.

Качество сигнала, попадающего на приемную антенну, зависит от неровности основания, отражающего сигнал. Исходя из критерия Релея (Гавриленко В.Г., Яшнов В.А. Передача информации по беспроводным сетям в условиях пересеченной местности. Учебно-методический материал по программе повышения квалификации «Новые подходы к проблемам генерации, обработки, передачи, хранения, защиты информации и их применения». Нижний Новгород, 2007, 112 с.), чтобы часть переданного сигнала, отразившись от поверхности, вернулась к приемнику должно выполняться неравенство где h - максимальный размер неоднородности основания; α - угол падения излучаемых волн; λ - длина излучаемых волн.

Для диапазона сантиметровых волн, при длине волны λ=1,25 см, и α=45°, h должен быть не менее 2 мм. что выполняется для однородного щебеночного балласта. Условие (6) ввиду особенностей конструкций вагонов, их гладкой поверхности, сложно выполнимо. Поэтому для получения ДИС сигнала, отраженного от вагона, измеритель должен облучать его по всей длине. Протяженность и неравномерность облучаемой поверхности вагона приводит к флуктуатации отраженного сигнала, уменьшить влияние которой можно правильной установкой и настройкой скоростемера. При установке измерителя в колее железнодорожного пути в уравнении (3) cosa→1, доплеровский сдвиг частоты максимален. Однако в этом случае существенно усложняются условия эксплуатации ДИС. Для обеспечения длины участка измерения L_иy в пределах 25…30 м необходимо иметь угол β=6…10°, при этом главный угол излучения антенны по отношению к направлению движения α=5…8°, а расстояние между местом установки измерителя и осью железнодорожного пути L=2,2…2,4 м (Шелухин В.И. Автоматизация и механизация сортировочных горок; Учебник для техникумов и колледжей ж.-д. транспорта. - М.: Маршрут, 2005. - 240 с.). В этом случае расстояние относа измерителя от ближней границы измерительного участка лежит в пределах 10 м<L_мин<16 м. Необходимо соблюдать условие, где L_д - максимальная дальность работы ДИС, L_иy - длина измерительного участка.

Важнейшей статистической характеристикой отраженного сигнала является спектр доплеровского сигнала. По оценке тяжести доплеровского спектра в темпе поступления сигнала дается оценка средней частоты радиосигнала.

Ширина спектра доплеровских частот зависит не только от изменения угла излучения антенны относительно его основного значения, но и от интервала корреляции τ_к, характеризующего скорость изменения случайного процесса во времени(Финкельштейн М.И. Основы радиолокации: Учебное пособие для вузов. - М: Радио и связь,1983. - 536 с.) и от ускорения движения подвижного объекта. Расширение спектра доплеровского сигнала влияет на величину потенциальной среднеквадратической погрешности измерения радиальной скорости объекта. Вариантом решения проблемы стабильности сигнала, связанной с изменением отражательной способности различных оснований, является способ оценки сигнала по точкам пересечения. Так, точность измерения скорости радарными доплеровскими устройствами DRS05 (DEUTA, Германия) составляет 0,5%, при наличии ускорения 1 м/с² погрешность измерения скорости составляет 0,65 км/ч (G.Hilger. GlasersAnnalen, 1998, N9/10, S. 533-541).

Доплеровские измерители скорости позволяют, по сравнению с одометрическими скоростемерами, осуществлять бесконтактное измерение скорости движения поезда и имеют иной спектр ошибок измерений. Последнее позволяет выполнить комплексирование результатов измерений доплеровских, одометрических, аэродинамических и инерциальных измерителей, и, тем самым, повысить точность, непрерывность и устойчивость сигнала скорости в системе управления локомотивом. Однако при использовании доплеровских измерителей скорости, работающих от подстилающей поверхности имеется ряд сложностей, обусловленных размещением приемоизлучающих устройств, как в подкузовном пространстве локомотива, так и на корпусе локомотива, а также их высокая стоимость. Кроме того, при неоднородной структуре подстилающей поверхности необходимо учитывать состояние шероховатости для ввода соответствующих поправочных коэффициентов. Также негативное влияние на точность измерения скорости оказывает наличие бытового мусора вдоль железнодорожной колеи.

Известны также устройства, предназначенные для преобразования вращения колесной пары локомотивов в последовательности электрических импульсов по двум каналам, на основании которых маневровая автоматическая сигнализация формирует информацию о скорости, направлении движения и пройденного пути локомотива.

Так, например, известен датчик частоты вращения (а.с. на изобретение №1689859, от 1989 г. Бюллетень «Открытия. Изобретения.» №41, 1991 г. [12]) состоящий из постоянного магнита, жестко закрепленного на вращающемся объекте, и чувствительного элемента, выполненного из композиционной керамики с электродами на торцах. Сигнал датчика принимается регистрирующим устройством. Однако известный датчик имеет сложную конструкцию, и точность его зависит от числа постоянных магнитов, закрепленных на вращающемся объекте.

Известен также импульсный датчик частоты вращения (патент RU на полезную модель №28254 U1 от 16.08.01 г.. Бюллетень «Изобретения. Полезные модели» №7, 2003 г. [13]), содержащий модулятор, чувствительный элемент и два постоянных магнита, чувствительный элемент расположен между дисками модулятора с выполненными по их периметру отверстиями, при этом магнитная ось постоянных магнитов, расположенных с внешней стороны модулятора, центры отверстий и центр чувствительного элемента находятся на одном расстоянии от центра вращения модулятора.

Недостатком известного устройства является низкая точность измерения из-за недостаточной скорости вращения, обусловленной соосным расположением элементов модулятора, малый срок службы вследствие трения вращающихся деталей модулятора и большая масса.

Для повышении точности определения скорости и пройденного пути локомотива, увеличения срока службы и уменьшения массы известных устройств [12, 13] предложено аналогичное устройство (патент на полезную модель RU №63937111, 10.06.2007 [14]), представляющее собой датчик импульсов локомотивный содержащий установленный на валу модулятор, чувствительный элемент Холла, установленный между перфорированными дисками модулятора и постоянные магниты, расположенные с внешней стороны модулятора, при этом магнитная ось постоянных магнитов, центры отверстий дисков и центр чувствительного элемента Холла находятся на одном расстоянии от центра вращения модулятора. Датчик содержит полумуфту привода, установленную на входном валу, мультипликатор, выполненный по планетарной схеме, и расположенный в герметичном отсеке корпуса, заполненном жидкой смазкой. Корпус датчика выполнен из алюминиевого сплава.

Технический результат данного устройства достигается тем, что в датчик импульсов локомотивном, содержащим установленный на валу модулятор, чувствительный элемент Холла, установленный между дисками модулятора и постоянные магниты, расположенные с внешней стороны модулятора, при этом магнитная ось постоянных магнитов, центры отверстий дисков и центр чувствительного Холла находятся на одном расстоянии от центра вращения модулятора в котором датчик содержит полумуфту привода, установленную на входном валу, мультипликатор, выполненный по планетарной схеме, и расположенный в герметичном отсеке корпуса, заполненном жидкой смазкой, для уменьшения массы изделия корпус датчика выполнен из алюминиевого сплава.

Применение датчика Холла позволяет увеличить надежность системы. Однако при эксплуатации железнодорожных составов при нарушении поперечной устойчивости происходит занос подвижного состава. При этом начинают скользить колеса одного из мостов - переднего или заднего и выработка значений скорости прекращается, и соответственно не транслируются значения скорости в унифицированное комплексное локомотивное устройство безопасности.

Кроме недостаточно высокой точности измерений данные измерители имеют дополнительные составляющие погрешности измерений при неполном сцеплении колеса с рельсом (юз, буксование колес) и зависимость погрешности измерения от износа бандажей колес (Правила технической эксплуатации железных дорог Российской федерации: утв. Приказом Минтранса России от 21.12.2010 г. N286. - М.: ООО «Трансинфо ЛТД», 2011. - 256 с. [15]).

При этом ведомое колесо наиболее устойчиво против заноса так как касательная реакция дороги R_x, представляющая собой силу сопротивления качению, мала по сравнению с силой сцепления Р_сц. Ведущие и тормозящие колеса менее устойчивы против заноса, так как через них передается соответственно тяговая и тормозная силы. В тот момент, когда сила сцепления будет равна касательной реакции дороги (P_сц=R_x) сцепление колеса с дорогой будет полностью использовано касательной реакцией. В этом случае достаточно действия небольшой боковой силы, чтобы начался занос колеса. Для ликвидации начавшегося заноса следует уменьшить касательную реакцию на колесе (уменьшить тяговую силу, прекратить торможение). При прямолинейном движении подвижного состава наиболее вероятен занос заднего ведущего моста, так как на его колеса при разгоне и преодолении повышенных сопротивлений дороге действует касательная реакция дороги во много раз больше, чем на колеса переднего ведомого моста. Приторможение подвижного состава, в следствии перераспределении нагрузки (увеличивается на передний мост) увеличивается сила сцепления задних колес, что так же способствует заносу заднего ведущего моста.

Занос заднего ведущего моста подвижного состава в эксплуатации не только вероятнее чем переднего, но и наиболее опаснее. При заносе заднего моста поперечная составляющая P_y центробежной силы действует в направлении задних колес, что усиливает начавшийся занос заднего моста. При еще большем угле поворота передних колес скольжение задних колес начнется в противоположную сторону. Поэтому после прекращения заноса задних колес подвижной состав нужно вывести на прямолинейное движение. В эксплуатации занос подвижного состава происходит чаще всего при торможении, когда в месте контакта колес с дорогой действуют большие тормозные силы. В результате колеса теряют способность воспринимать боковые силы. При торможении занос часто возникает также из-за разной величины тормозных моментов на колеса одного моста. Это происходит в следствие неправильной регулировки тормозных механизмов или их замаслевание и загрязнение. Как правило, известный датчик измерения скорости локомотива устанавливается на валу ведущих колес, в то время как, изменение режима функционирования других пар колес существенно влияют на результаты измерения скорости локомотива.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение надежности измерения скорости подвижного железнодорожного состава.

Поставленная задача достигается за счет того, что в систему определения скорости локомотива, содержащую датчик измерения скорости движения, соединенный с унифицированным комплексным локомотивным устройством безопасности и установленный на валу ведущей колесной пары, дополнительно введены еще два датчика измерения скорости, которые соединены с унифицированным комплексным локомотивным устройством безопасности и установлены на валах пары ведомых и тормозящих колес, при этом все три датчика измерения скорости содержат QR-код, нанесенный на валы пар колес, считывающее устройство, установленное над валом, и регистратор оборотов вала колесных пар, а в систему определения скорости локомотива введен инерциальный измерительный модуль, соединенный с унифицированным комплексным локомотивным устройством безопасности.

Размещение трех датчиков измерения скорости на валах пары ведущих, ведомых и тормозящих колес, позволяет исключить негативные явления, возникающие при неполном сцеплении колес с рельсами (юз, буксование колес), так как значение скорости в унифицированное комплексное локомотивное устройство безопасности будет транслироваться от работающего датчика.

Ввод инерциального измерительного модуля, соединенного с унифицированным комплексным локомотивным устройством безопасности позволяет вырабатывать и транслировать в унифицированное комплексное локомотивное устройство безопасности значения скорости при выходе из строя или сбоях в работе всех трех ведущих датчиков измерения скорости.

Датчик измерения скорости состоит из считывающего устройства и регистратора оборотов вала колесных пар и PR-кода, нанесенного на валы пар колес.

Инерциальный измерительный модуль состоит из устройства измерения угловой скорости представляющего собой трехосный блок волоконно-оптических гироскопов марки ТИУС500 и устройства измерения линейного ускорения, выполненного в виде блока акселерометров марки БА-30С.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Считывающее устройство устанавливается на буксу колесной пары локомотива вместо крышки. Посредством считывающего устройства регистрируется PR-код, нанесенный на валы пар колес. Каждый считываемый PR-код соответствует одному обороту вала. Со считывающего устройства, зарегистрированный сигнал транслируется на регистратор, в котором получают величину поступи вала за один оборот Р=30,86 α, где α - величина аванса, определяемую по результатам скоростных испытаний локомотива, как отношение скорости V локомотива к частоте n вращения вала: α=V/n.

Величина поступи вала за один оборот Р=30,86 α служит масштабным коэффициентом суммарного счетчика оборотов.

Скорость локомотива и пройденное им расстояние при этом вычисляется по формулам:

V=PN/Δt, S=PN, где N - суммарное число оборотов, сделанных валом за промежуток времени Δt.

При неполном сцеплении колеса с рельсом (юз, буксование колес) значение скорости в унифицированное комплексное локомотивное устройство безопасности транслируется от работающего датчика.

При выходе из строя или сбоях в работе всех трех датчиков измерения скорости значение скорости в унифицированное комплексное локомотивное устройство безопасности транслируется от инерциального измерительного модуля.

В вычислителе унифицированного комплексного локомотивного устройства безопасности по специальной программе определяют как комплексную скорость движения локомотива, определяемую, как среднюю скорость движения локомотива, при равенстве значений скорости от каждого датчика или по одному или двум датчикам при нарушении работоспособности одного из датчиков при экстремальных условиях движения локомотива и состава в целом.

При выходе значений измеренной скорости каждым датчиком измерения скорости за ограничительные пределы, установленные в зависимости от режима движения по данным силовой установки, в специальной программе вычислителя унифицированного комплексного локомотивного устройства предусмотрена возможность измерения скорости по параметрам, вырабатываемых инерциально - измерительным модулем.

Ввод инерциального измерительного модуля, соединенного с унифицированным комплексным локомотивным устройством безопасности, позволяет вырабатывать и транслировать в унифицированное комплексное локомотивное устройство безопасности значения скорости при выходе из строя или сбоях в работе всех трех датчиков измерения скорости.

Достоинством предлагаемого устройства является отсутствие механических элементов в устройстве измерения скорости локомотива.

Источники информации.

1.Венцевич Л.Е. Локомотивные скоростемеры и расшифровка скоростемерных диаграммных лент. М.: УМК МПС России, 2002. С.272. ISBN 5-89035-052-8.

2. Астрахан В.И., Зорин В.И., Кисельгоф Г.К. Унифицированное комплексное локомотивное устройство безопасности (КЛУБ-У), М.: УМЦ по образованию на железнодорожном транспорте. 2007. С. 272. ISBN 978-5-89035-465-5.

3. Марюхненко B.C. Информационный анализ навигационного обеспечения управляющих систем подвижных транспортных объектов: монография; - Иркутск: изд-во ИрГУПС, 2009. - 112 с.

4. B.C. Марюхненко, Мухопад Ю.Ф., Демьянов В.В., Миронов Б.М.. Информационное обеспечение подвижных транспортных средств на основе интегрированных навигационных систем: Монография; под ред. д-ратехн. наук, профессора B.C. Марюхненко. - Новосибирск: Наука, 2014. - 256 с.

5. Козюков А.И. Локомотивный скоростемер. Информационная система [Электронный ресурс] - Режим доступа: www.ielectro.ru.

6. Устройство КЛУБ-У. Руководство по эксплуатации. Часть первая. 36991-00-00 РЭ. - Ижевск: изд-во ИРЗ, 2014. - 264 с.

7. Правила технической эксплуатации железных дорог Российской федерации: утв. Приказом Минтранса России от 21.12.2010 г. N286. - М.: ООО «Трансинфо ЛТД», 2011. - 256 с.

8. Носков В.Я. и др. «Современные гибридно-интегральные автодинные генераторы микроволнового и миллиметрового диапазона и их применение» ч. 9 «Радиолокационное применение автодинов. Успехи современной радиоэлектроники», 2016, №3, стр. 32-80.

9. Патент RU №2378654 от 10.01.2010.

10. Патент RU №2769956С1. 11.04.2022.

11. М.А. Гурулева. B.C. Марюхненко. Применение доплеровского измерителя для определения скорости подвижных железнодорожных единиц. Иркутск. Иркутский государственный университет путей сообщения. 2016, №1(108), с. 129-142.

12. А.с. на изобретение №1689859, от 1989 г. Бюллетень «Открытия. Изобретения.» №41, 1991 г.

13. Патент RU на полезную модель №28254U1 от 16.08.01 г., Бюллетень «Изобретения. Полезные модели» №7. 2003 г.

14. Патент на полезную модель RU №63937 U1, 10.06.2007 (прототип).

15. Правила технической эксплуатации железных дорог Российской федерации: утв. Приказом Минтранса России от 21.12.2010 г. N286. - М.: ООО «Трансинфо ЛТД», 2011. - 256 с.

Изобретение относится к определению скорости подвижного состава. Система определения скорости локомотива содержит три датчика измерения скорости движения, соединенные с унифицированным комплексным локомотивным устройством безопасности и установленные на валу ведущей колесной пары, и инерциальный измерительный модуль, соединенный с унифицированным комплексным локомотивным устройством безопасности. При этом все три датчика измерения скорости содержат QR-код, нанесенный на валы пар колес, считывающее устройство, установленное над валом, и регистратор оборотов вала колесных пар. Технический результат заключается в повышении надежности измерения скорости подвижного железнодорожного состава.

Система определения скорости локомотива, содержащая датчик измерения скорости движения, соединенный с унифицированным комплексным локомотивным устройством безопасности и установленный на валу ведущей колесной пары, отличающаяся тем, что дополнительно введены еще два датчика измерения скорости, которые соединены с унифицированным комплексным локомотивным устройством безопасности и установлены на валах пары ведомых и тормозящих колес, при этом все три датчика измерения скорости содержат QR-код, нанесенный на валы пар колес, считывающее устройство, установленное над валом, и регистратор оборотов вала колесных пар, а в систему определения скорости локомотива введен инерциальный измерительный модуль, соединенный с унифицированным комплексным локомотивным устройством безопасности.