Содержание к диссертации
Введение
Комплексная оценка состояния контактной сети и верхнего строения пути
Анализ производственной деятельности служб пути и электроснабжения забайкальской железной дороги
Системный подход к оценке состояния контактной сети и верхнего строения пути
Выводы
Средства диагностирования состояния контактной сети и верхнего строения пути .
Современные средства контроля геометрических параметров рельсового пути, контактной сети и земляного полотна
Методы диагностирования верхнего строения пути, земляного
полотна и контактной сети
Методы оценивания состояния при диагностировании верхнего
строения пути и контактной сети
Информационный метод оценки диагностируемых параметров „
Требования к первичным датчикам при комплексном диагно
стировании верхнего строения пути и контактной сети
Выводы
Формирование структуры вихретоковых преобразователей, систем технического зрения и радиолакациопного зондирования
Оптимизация структуры первичных датчиков
Теория вихретокового многопараметрового контроля
3.3 Использование принципа резонанса при построении параметрических преобразователей 53
3.4 Синтез структуры вихретокового преобразователя 55
3.5 Алгоритм определения контролируемых параметров по сигналам матричных преобразователей 73
3.6 Автоматизированный контроль геометрических параметров контактной сети на основе систем технического зрения 80
3.7 Радиолокационное зондирование земляного полотна 92
Выводы 97
4 Создание мобильного комплекса дигностирования контактной сети и верхнего строения пути 99
4.1 Структурная схема мобильного комплекса диагностирования 99
4.2 Автоматизированные измерительные системы комплекса 100
4.3 Тенлоинзионный контроль устройств контактной сети 103
4.4 Измерение радиуса кривой 104
4.5 Система вихретокового и радиолокационного контроля верхнего строения пути, контактной сети и земляного полотна
4.6 Разработка методик настройки и поверки аппаратуры контроля технических средств
4.7 Структура информационно-справочной системы передвижной лаборатории комплексного диагностирования
Выводы 121
Заключение 123
библиографический список 125
Приложения 136
- Анализ производственной деятельности служб пути и электроснабжения забайкальской железной дороги
- Современные средства контроля геометрических параметров рельсового пути, контактной сети и земляного полотна
- Оптимизация структуры первичных датчиков
- Структурная схема мобильного комплекса диагностирования
Введение к работе
Содержание технических средств железнодорожного транспорта на высоком эксплуатационном урошіе, обеспечивающем безопасность движения поездов, невозможно без наличия объективной информации об их фактическом состоянии. Такая информация позволяет своевременно принять комплекс мер, обеспечивающих надёжность.
Проблема оценки состояния устройств верхнего строения пути (ВСП) и контактной сети (КС) является одной из наиболее актуальных. Для поддержания на нормативном техническом уровне объектов путевого и энергетического хозяйств периодически осуществляются контрольные осмотры и объезды с использованием различных методов контроля, в основном визуального. На основании полученной информации производят оценку состояния технических средств, объёмы и сроки проведении текущих и капитальных ремонтов. Проводимое таким образом диагностирование не позволяет объективно судить о характере изменения параметров объектов, динамически связанных между собой. В результате снижается качество ремонтных работ, участковая скорость и надёжность технических средств, увеличиваются эксплуатационные затраты. Внедрение комплексного диагностирования объектов железнодорожного транспорта но фактическому состоянию сдерживается из-за недостатка многофункциональной контрольно-измерительной аппаратуры с бесконтактными измерительными преобразователями, длительно сохраняющими высокие показатели надёжности и помехоустойчивости в реальных условиях экс-шгуатацни. Сильные механические воздействия, воздушные потоки, вызванные движением поезда, мощные электромагнитные поля предъявляют особые требования к измерительной аппаратуре. Проведенный анализ показал, что наиболее полно удовлетворяют жёстким эксплуатационным условиям магистральных железных дорог матричные нихретоковые преобразователи (ВТП) и системы технического зрения (С'ГЗ) на базе телевизионной и вычислительной техники.
К! настоящему времени разработаны общая теория вихрегокового контроля электропроводящих объектов, методики расчёта и проектирования параметрических и дифференциальных накладных ВТП с катушками разнообразных форм. Решению :>тнх задач посвящены работы В.К. Аркадьева, В.Г. Герасимом, Л.Л. Дорофеева, В.В. Клюева, В.Г. Пустынпикова, В.Ф. Мужицкого и др. Теория контроля матричными ВТП тел ограниченной формы предложена В.Е. Шатерниковым, ІО.И. Стеблевым.
Однако применение ВТП и СТЗ для контроля геометрических параметром движущихся узкопрофильных поверхностей (стыковая рельсовая нить и контактный провод) требует летальных теоретических и экспериментальных исследований, направленных на кардинальное изменение функциональных и метрологических возможностей систем контроля.
Поэтому создание методов диагностики верхнего строения пути и контактном сети на основе мпогопараметровых измерительных преобразователен СТЗ м приборов впхретоковой диагностики имеет несомненную актуальность.
Цель диссертационной работьі состоит в создании, исследовании и внедрении комплексной бесконтактной системы диагностики технических средств и устройств пути и электроснабжения магистральных железных дорог на основе СТЗ, ВТП и радиолокационного зондирования.
Методы исследования, используемые и работе, основаны на применении современных информационных технологий и математических методов обработки сигналов, анализа изображений, распознавания образов.
В диссертационной работе впервые получены, составляют предмет научной новизны и выносятся па защиту следующие результаты:
1.Системный подход к оценке состояния технических средств и устройств путевого и энергетического хозяйств магистральных железных дорог, основанный на комплексе теоретических и экспериментальных исследований.
Не имеющая аналогов автоматизированная система бесконтактных измерений параметров контактной сети, созданная с помощью методов теории распознавания образов.
Выполненная на базе комплексных экспериментальных исследовании разработка миогопараметрового вихретокопого преобразователя, позволяющего про- изводить комплекс бесконтактных измерений параметров верхнего строения пути и контактной сети.
4. Новая методика проведения мониторинга состояния бокового износа и стыкового зазора рельс магистральных железных дорог.
Практическая ценность диссертации состоит в том, что впервые в отечественной практике создан и принят в эксплуатацию передвижной комплекс бесконтактного диагностирования верхнего строения пути, земляного полотна и контактной сети магистральных железных дорог, включающий и себя систему технического зрения и пнхретоковые преобразователи. Комплекс позволяет осуществлять автоматические измерения параметров КС и ВСП с дальнейшей обработкой полученных данных в информационно-вычислительной системе. Полученные в работе результаты внедрены в промышленную эксплуатацию в филиале «Забайкальская железная дорога» ОАО «Российские железные дороги». Отдельные результаты исследований нашли применение в филиалах «Восточно-Сибирская железная дорога» и «Красноярская железная дорога» ОАО РЖД. По результатам работ получено 5 патентов РФ на изобретения.
Первая глава посвящена анализу проблемы обеспечения высоких технико-экономических показателей ВСП и КС магистральных железных дорог. Показано, что система технической эксплуатации должна быть ориентировала на сокращение числа и длительности перерывов в движении поездов, оптимального их использования. На примере филиала «Забайкальская железная дорога» ОАО РЖД проведен системный анализ деятельности служб пути и электроснабжения. Показано, что до настоящего времени нет четкой системы организации достоверных измерений параметров КС и ВСП, ремонта и обслуживания технических устройств этих хозяйств. Предпринимаются лишь попытки оптимизации отдельных элементов без учета конкретных связей между смежными подсистемами. Организация технического обслуживания и ремонтов базируется на строго нормируемых показателях и устанавливаемых заранее сроках службы различных устройств и объединяющих их факторах, например, пропущенных тонпо-километрах брутто.
Верхнее строение пути и контактная сеть как объект управления являются системой, состоящей из ремонтируем [.їх и перемонтируемых элементов, качеством функционирования которой можно управлять. Ее можно рассматривать как комплекс взаимосвязанных подсистем, каждая из которых (железнодорожный путь, земляное полотно, опоры КС, контактный провод), не имеет самостоятельного значения и только в соединении с остальными в сложную структуру обеспечивает выполнение необходимых функций.
Под управлением понимается процесс перевода системы в новое, заранее назначенное состояние через управляющее воздействие. Чем выше эффективность долгосрочного планирования деятельности по текущему обслуживанию и ремонту, тем меньший объём работ приходится па долю оперативного управления. Полому вопросы организации технического обслуживания, капитальных ремонтов и управления должны решаться в тесной взаимосвязи на основе данных комплексного системного диагностирования.
Во второй главе рассматриваются средства контроля объектов верхнего строения пути, земляного полотна, искусственных сооружений и контактной сети как системы в целом, делается обзор состояния отечественных и зарубежных измерительных средств, рассматриваются вопросы вероятностного и детерминированного методов диагностирования.
На железных дорогах мира эксплуатируются мобильные и стационарные диагностические системы, которые дают значительный экономический эффект. Эти системы предназначены для оценки технического состояния отдельно выбранного объекта контроля или его узла, то есть они работают на принципе параметрического диагностирования, результатом которого является информация о параметрах отдельного объекта, не связанного с другими. Вместе с тем практика требует всё более совершенных многофункциональных автоматизированных приборов и аппаратуры комплексного диагностирования, позволяющих судить о реальном техническом состоянии каждого из объектов, находящихся в динамическом взаимодействии. При этом устанавливается ресурс работы этих объектов, их пригодность к дальнейшей эксплуатации, а также прогнозируются сроки проведения технического обслуживания и ремонта.
Иа осноие проведенного анализа показано, что: измерение параметров КС и ВСП должно проводится а комплексе, бесконтактным методом, в реальном масштабе времени. аппаратура для измерения систем должна быть многоиараметровои, обладающей высокой степенью устойчивости к воздействию окружающей среды. получаемая информация должна собираться в базу данных единой информационно-справочной системы. выходная информация должна отражать состояние системы в удобной для пользователя форме. для измерения контролируемых параметров КС, ВСП и земляного полотна наиболее приемлемы вихретоковые методы неразрушающего контроля, системы технического зрения, устройства геолокации.
Третья глава посвящена теоретическим основам метода вихревых токов, систем технического зрения, радиолокационньїм способам диагностирования ВСІЇ. Раскрыта физическая сущность методов, приведены основные зависимости. Описывается разработанная интегрированная система, алгоритмы расчёта параметров КС и ВСП, структурная многофункциональная схема, реализующая созданные алгоритмы.
Несмотря на большие достижения в области создания матричных вихретоко-вых преобразователей, в публикациях отсутствуют сведения по расчёту и проектированию структурных схем многопараметровых ВТП для узкопрофильных поверхностей, исследованию их метрологических показателей и функциональных возможностей. Для решения задачи диагностики КС и ВСП наибольший интерес представляют матричные ВТП, выполненные в виде плоско-совмещённых катушек восьмёр-кообразной, треугольной, вытянутой форм. Такая конструкция матричного ВТП существенно повышает точность и достоверность контроля за счёт хорошей локализации контролируемой зоны узкопрофильной поверхности объекта, лежащей в его поперечном сечении, проходящем через ось симметрии ВТП. Ma основе проведенных исследований выполнено проектирование матричного вихретокового преобразователя, определены его допустимые габариты, установочное положение и возможные смеїцеїіия датчиков. Экспериментально доказано, что па сигиалі,і преобразователя практически не влияют влажность, давление, загрязнение поверхности объекта.
Втором системой, позволяющей решить задачу диагностики КС и ВСГ1, является система технического зрения. Проведенные исследования показали, что на основе стандартных средств телевизионной и вычислительной техники возможна реализация эффективной диагностики КС.
В работе предложена гибкая структура алгоритмического и программного обеспечения СТЗ, ориентированная на использование аппаратной поддержки.
Па основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработаны: ммогопараметровая бесконтактная аппаратура, осуществляющая контроль состояния верхнего строения пути її контактной сети на основе ппхрстоковых преобразователей ; конструкция датчиков и технические условия к их закреплению; автоматизированная система бесконтактных измерений на основе стандартной телевизионной и вычислительной техники; алгоритмі,! расчета контролируемых параметров верхнего строения пути и контактной сети по сигналам вихретоковых преобразователей; программно-аппаратный комплекс для ввода и обработки информации о состоянии системы; техническое решение, обеспечивающее контроль состояния земляного полотна методом радиолокационного зондирования.
Четвертая глава раскрывает структурную и блочную схемы лаборатории, описывает информационно-справочную систему (ИСС) и систему управления базами данных.
Все данные в базе ИСС упорядочены и расположены в строгой последовательности согласно расположению объектов контроля вдоль железнодорожного иу- ти. Объекты, представляющие интерес при проведении контроля и анализа состояния хозяйства, классифицированы и объединены в группы.
Результатом работы является решение важной технической проблемы комплексной оценки состояния технических средств, непосредственно участвующих в перевозочном процессе, что способствует повышению технико-экономических показателей магистральной дороги, увеличению ее пропускной способности, повышению надежности и безопасности.
Па основе комплекса теоретических и экспериментальных исследований получены следующие основные результаты.
Разработана новая методика проектирования матричных вихретоковых преобразователей для узкопрофильных поверхностей, позволяющая но математическому описанию объекта контроля найти оптимальное количество катушек в матричном преобразователе, их форму и ориентацию над поверхностью контроля. Синтез структуры матричных ВТП обеспечил возможность одновременного определения шести геометрических параметров стыковой рельсовой нити с помощью четырехка-тушечного ВТП и двух геометрических параметров контактного провода с помощью двухкатушечпого ВТП.
Реализована комплексная автоматизированная система бесконтактных измерений параметров контактной сети и верхнего строения пути в динамике на основе ннхретоковой системы, радиолокационного метода, телевизионной и вычислительной техники в реальном масштабе времени.
Разработаны методики поверки и настройки средств измерения и обработки полученной информации.
Создана система передачи и обработки информации, работающая в "жестких эксплуатационных условиях магистральных железных дорог регионов Сибири и Дальнего Востока.
5. Сформирована программно-аппаратная база лаборатории, позволяющая производить автоматические измерения, собирать и отображать в виде таблиц, гра фиков и специальных отчетов данные по 25 параметрам, характеризующим состоя ние измеряемых объектов.
6. Разработаны методика компьютерной поверки матричных ВТП, стенд настройки н программное обеспечение. Это поп кол ил о исключить необходимость использования дорогостоящих эталонных образцов.
1. Создан мобильный многофункциональный лабораторный комплекс, позволяющий в динамике производить независимые друг от друга измерения контролируемых параметров, выполнять их обработку, хранение и выдачу информации в удобной для пользователя виде.
Для обеспечения комплексной оценки состояния путевого хозяйства применен и увязан в один программно-аппаратный комплекс георадар для исследования геологической структуры земляного полотна и обнаружения в нем образовавшихся аномалий тина лож, пустот, мешков, ледяных линз, а также каналов, трубопроводов и др.
Передвижная диагностическая лаборатория прошла комплексные рабочие и ходовые испытания па Забайкальской железной дороге, испытательном кольце Щербинка Вссросийского научно-исследовательского института железнодорожного транспорта и признана годной в эксплуатацию по всей сети дорог РФ.
Анализ производственной деятельности служб пути и электроснабжения забайкальской железной дороги
Эффективное функционирование железнодорожного транспорта невозможно без обеспечения высокого уровня надёжности сложных іпЕженерні.іх сооружений и устройств в постоянно меняющихся условиях эксплуатации. Это может быть достигнуто только благодаря чётко действующей системе обслуживания и ремонта на основе современных техЕЕИческих средств. Система технической эксплуатации должна быть ориентирована на сокращение числа и длительности перерывов в движении поездов, оптимального их исполі зования. В регионах Сибири и Дальнего Востока к железнодорожному транспорту предъявляются особьіе требования, как к связующему звену всех экономических и социальных инфраструктур. Нормальное функционирование железных дорог напрямую зависит от организации обслуживания технических средств, задействованных її перевозочном процессе.
Проводимая па Забайкальской железной дороге работа, направленная на улучшение эксплуатации и ремонта технических средств, повышение безопасности движения поездов, не даёт в должном объёме положительного результата. Количество задержек поездов, вызванных браками ЕЕ авариями в хозяйствах пути и энергоснабжения, продолжает оставаться на высоком уровне. Па содержание технических средств и устройств этих хозяйств идут значительные затраты. Анализ работы хозяйств электроснабжения и пути показывает, что при относительном уменьшении объёма перевозок количество браков, затратіл на текущее содержание и ремонт технических средств продолжают оставаться высокими. Принимаемьіе меры по обеспечению эксплуатационной надежности пути и контактной сети явно недостаточньї. Количество повреждений за период 1992...2002 гг. возросло в три раза. Уровень технического обслуживания и качество вьнюлняемых работ не отвечают поставлен-шлм задачам. Из показателей работы дороги за период І992...2002 гг. (табл. 1.1, рис. 1.1 ...1.5) видно, что при снижении объема перевозок увеличиваются убытки от аварий, крушений її неправильной эксплуатации технических средств. За период 1992 -1996 гг, они возросли в 36 раз. Наблюдается рост затрат па техническое содержание хозяйств электрификации и пути, что указывает па нерациональное использование трудовых, материальных и денежных ресурсов.
Это ставит под сомнение правильность выбора мероприятии, направленных на повышение эффективности и надёжности работы технических средств и устройств, от которых зависит весь перевозочный процесс. Эти мероприятия должны основываться на данных, предоставляемых диагностическими лабораториями пути и контактной сети.
По результатам статистического анализа надёжности устройств контактной сети за периоде 1995 по 1999 год установлено, что наибольшее число браков и отказов вызвано нарушениями регулировки и габарита контактной подвески, причём од-па треть из них связана с уходом опор по причине нарушений их заделки в грунте. Эго даёт возможность ставит вопрос о том, что земляное полотно, верхнее строение пути н опорное хозяйство контактной сети надо рассматривать в тесном взаимодеи спиш. Назрела необходимость коренного пересмотра планок работ по повышению надёжности контактной сети и верхнего строения пути
Забайкальская магистраль является транзитной, что требует более внимательною отношения к потерям участковой скорости, которые должны быть минимальными. Однако анализ показывает, что имеет место тенденция сохранения участков пути с ограниченными скоростями. Скорости движение грузовых поездов не превышают 44..46,5 км/час, что ниже установленных норм. На скорости движения поездов влияют следующие факторы: состояние земляного полотна, искусственных сооружении, продольный профиль и план пути, состояние опорного хозяйства контактной сети. Усложняющим фактором является то, что протяжённость кривых участков пути с радиусом менее 600 м составляет на Забайкальской магистрали 2300 км и скорость прохождения таких участков строго ограничена по условиям безопасности. При анализе текущего состояния технических устройств, задействованных в перевозочном процессе, требуется выявить функциональные связи между хозяйственной деятельностью дистанций пути и контактной сети и ее результатом - безопасностью движения поездов.
Современные средства контроля геометрических параметров рельсового пути, контактной сети и земляного полотна
Широкому внедрению контрольно-измерительных систем в различные сферы техники железнодорожного транспорта способствует большой вклад, вносимый отечественными научными организациями: Всероссийским научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (ВГІИЖТ); Московским (МГУПС), Санкт-Петербургским (ПГУГІС), Дальневосточным (ДнГУПС) Иркутским (ИрГУПС) государственными университетами путей сообщения; ПИИ интроскопии МНПО «Спектр»; научно-производственным центром ИИФОТРАНС; НПО «Тензор». Заметные достижения it этой области достигнуты зарубежными фирмами: TAMPER (Австралия), PLASSER und THEURER (Германия), MATISA (Швейцария), PLASSERAIL (Англия), FAIVELEY (Франция), ORIAN (Канада), PIVOTEX (Финляндия).
Так-, бортовая автоматизированная система (БАС), разработанная НИИЭФЛ совместно с ВНИИЖТ, установлена в вагоне-путензмерителе ІДМИИ-2. В качестве измерительных механизмов здесь используются ролики качения, расположенные на измерительной тележке. Аппаратура БАС состоит из вычислительного комплекса на базе ЭВМ типа PC/AT 386, сельсинпых датчиков, кинематически связанных с измерительными механизмами тележки путеизмерителя, и устройств сопряжения датчиков с ЭВМ. Обнаруженные неисправности с их полной характеристикой (амплитудой, длиной, степенью и Сальностью) и местоположением выводятся на экран монитора п принтер. Во время движения со скоростью до 40 км/час производится балльная оценка состояния рельсовой колеи с распечаткой результатов по каждому километру. В 1994 г. БАС испмтывалась п полевых условиях на Куйбышевской дороге в составе путеизмерителя ЦІ-ІИИ-2, однако дальнейшего использования и развития БАС не получила.
Вагон-нутеизмсритель фирмы TAMPER позволяет контролировать параметры верхнего строения пути и контактной сети. Его аппаратный комплекс, разработанный компанией ELEKTROLOGIC PTY Ltd (США), содержит бесконтактную оптическую систему контроля, геометрических параметров пути и поперечного сечения головки рельса, датчики высоты подвески контактного провода, пространственного положения консолей, поперечин подвески, а также электронную систему регистрации, обработки, анализа и храпения данных измерений. На каждом из трех мониторов одновременно отображаются по 10 параметров. Измерение параметров пути и контактной сети осуществляется при движении путеизмерителя со скоростью до 100 км/ час.
Весьма перспективная разработка была выполнена в Японии, где использовано вихре го ко вое устройство для технической диагностики рельсового пути. Измерительный преобразователь матричного тина выполнен в виде пары идентичных ка тушек индуктивности треугольной намотки, разнесённых к плоскости относительно оси симметрии преобразователя. Такое конструктивное решение и компланарное расположение катушек индуктивности позволяет измерять одним преобразователем одновременно два параметра: смешение рельса в плане и боковой износ его головки. Аппаратура была внедрена в составе путеизмерителя на попой железнодорожной линии ТОХОКУ ДЗЕСЭЦУ в 1990 г, для измерения параметров рельса иод снегом и показала удовлетворительные результаты.
Диагностирование контактной сети с помощью вагонов-лабораторий является одним из основных средств повышения надежности контактной сети и снижения эксплуатационных расходов. Считается общепризнанным вывод о том, что обслуживание КС должно проводится «по состоянию». Диагностирование является гем средством, которое позволяет определить объемы и места профилактических работ. Однако для того, чтобы это стало возможным, диагностирование контактной сети должно обеспечить получение информации, с высокой степенью точности описывающей состояние объекта, а также локализующей неисправности и определяющей их характер. Диагностирование является достаточно сложной задачей, требующей знаний о связях между комплексом состояний объекта и его выходными параметрами. Диагностирование контактной сети затрудняется в силу ее протяженности, трудоемкости получения достоверной статистики о связях между отказами и состояниям КС, взаимодействия между параметрами, входящими в систему измерений.
13 рекомендациях VIII Международной организации сотрудничества железных дорог (ОСЖД) дана структурная схема аппаратуры нагона-лаборатории с указанием необходимых датчиков, измеряемых и вычисляемых параметров. Рекомендациями Р-636/2 комиссии ОСЖД определены диагностические параметры, сформулированы требования к системе технического диагностирования, в которых в состав измеряемых параметров включены данные, характеризующие состояние верхнего строения пути. Наиболее близко отвечает этим требованиям лаборатория ИИИЭФА, в основу которой заложен бесконтактный способ измерения с возможным расширением измеряемых параметров как контактной сети, так и параметров верхнего строс пня пути на основе стереотелевизионной системы с тремя линейными телевизионными камерами на фотоприемных матрицах. В дорожном конструкторско-техпологическом бюро Белорусской железной дороги разработана установка для контроля износа гребней колёс подвижного состава во время движения поезда. Монтируется такой преобразователь перед входной горловиной парка прибытия станции. Блок обработки и регистрирующее устройство разметают либо на специально оборудованном пункте, либо в диспетчерском помещении станции. Степень износа гребня определяют по величніш угла наклона его конической боковой поверхности. Если угол меньше 69, то сцепление колеса с рельсом считается нормальным и не фиксируется. Если угол превышает 69м, то колёсная пара регистрируется как неисправная. Контроль над состоянием гребней колёсных пар осуществляется при движении поезда со скоростью до 50 км/час. Одной из главных задач железнодорожного транспорта является увеличение пропускной способности и безопасности движения. Выполнение этих задач впрямую зависит от состояния земляного полотна железной дороги. Поэтому контроль над его состоянием приобретает первостепенное значение. В первую очередь подлежат контролю участки, в пределах которых в результате длительной эксплуатации и наблюдений прогнозируются возможные деформации и нарушения земляных насыпей, способные вызвать аварийное состояние.
В практике обследования земляных насыпей железных дорог используются геофизические методы в комплексе с небольшим объёмом контрольного бурения. Указанные методы можно разделить на два вида: электрометрический и сейсмический. Сущность электрометрического метода, предложенного В.Я. Пригодой![37]со-стоит в том, что в массив грунта на исследуемую глубину вбивается металлический зонд ударами эталонного груза. По мере погружения зонда в земляное полотно через определённые интервалы времени измеряется сила тока, пропускаемого в грунт через электроды, смонтированные на конце зонда. Сейсмический метод основан на анализе упругих волн, которые распространяются в земляном полотне от искусственно создаваемых ударных воздействий па грунт. Внедрение сейсмического метода и аппаратуры «Поиск» было осуществлено па многих дорогах сети в соответствии с научно-технической программой по хозяйству пути па 1986 - 1990 гг., утверждённой указанием министра путей сообщения № S3 -У от 23.01.82 г.
Оптимизация структуры первичных датчиков
Для определения оптимальной структуры системы первичных датчиков, улучшения ее рабочих параметров, создания высокой помехоустойчивости необходимо исследовать влияние объекта контроля на первичные преобразователи. При выбранных условиях и методе измерения в качестве объектов исследования выступают:
Железнодорожная колея с ее параметрами - как контролируемыми (шириной, износом, стыками) - так и остальными, влияющими на измерения. Такими параметрами могут, например, являться: электрофизические свойства рельса (проводимость, магнитная проницаемость), наличие и величина обратного тока, текущего но рельсу, наклон рельса в поперечном профиле, изменяющиеся высота и положение первичного преобразователя относительно колеи, нарушение физической структуры рельса (трещины, несплошности, сколы у стыков, наклеп на поверхности), удары колес о стыки.
В процессе измерений эти факторы влияют на показания датчиков, информация о контролируемых параметрах рельсовой колеи искажается, погрешность определения параметров возрастает. Воздействия многих мешающих факторов можно исключить. Однако, влияние некоторых из них исключить не удается. 2. Первичные преобразователи как важнейшее звено создаваемой системы. С их помошмо параметры объекта контроля преобразуются и информационные сигналы, с которые преобразуются другими звеньями системы. Затем выполняется опенка результатов измерений и составление отчета о состоянии рельсового пути, контактной сети и земляного полотна. Как и объекты измерения, датчики обладают набором своих собственных параметров, которые определяют их показания.
Для анализа оптимальной структуры ВТП необходимо рассмотреть физические процессы взаимодействия электромагнитного поля, возбуждаемого в нем генератором электрического тока, с объектом контроля. При этом ВТП допустимо рассматривать как катушку индуктивности.
Таким образом, для вихретоковых преобразователей необходимо: исследовать взаимодействие катушки индуктивности с проводящим ферро магнитным пространством (рельсом); описать основные физические зависимости этого взаимодействия; рассчитать параметрі,! оптимальной структуры исследуемого преобразователя и сравнить их с реальными, полученными при изготовлении ВТП. Следующей фазой исследования является определение количества и взаимного расположения отдельных катушек датчика для проектирования системы съема первичной информации, настроенной на получение необходимых данных и как можно более нечувствительной к влиянию мешающих факторов.
Для систем технического зрения необходимо исследовать возможность проведения бесконтактных измерений параметров КС на основе стандартной телевизионной и вычислительной технике.
Для задач радиолокационного зондирования необходимо реализовать техническое решение конкретной инженерно- геологической задачи: прослеживание зон механических пеоднородностей (мешков, гнезд, пучин) в предела железнодорожной насыпи и подстилающих ее фунтов с помощью высокочастотного стробоскопического преобразователя. 3.2. Теория вихретокового многопараметрового контроля
Вихретоковые методы основаны иа анализе взаимодействия внешнего электромагнитного поля с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых возбуждающей катушкой в электропроводящем объекте контроля. Плотность вихревых токов в объекте зависит от геометрических и электромагнитных параметров объекта, а также от взаимного расположения измерительного ВТП и объекта. В качестве преобразователя используют одну или несколько катушек индуктивности. Синусоидальный (или импульсный) ток, протекающий в катушках ВТП, создает электромагнитное поле, которое возбуждает вихревые токи в электропроводящем объекте. Электромагнитное поле вихревых токов воздействует на катушки преобразователя, наводя в них ЭДС или изменяя их полное электрическое сопротивление. Регистрируя напряжение па зажимах катушки или их сопротивление, получают информацию об объекте и о положении преобразователя относительно него.
Особенность вихретокового контроля состоит в том, что его можно проводить без контакта преобразователя с объектом. Их взаимодействие происходит на расстоянии, достаточном для свободного движения преобразователя относительно объекта (от долей миллиметра до нескольких миллиметров). Поэтому таким методом можно получать хорошие результаты контроля при высоких скоростях движения объектов. Получение первичной информации в виде электрических сигналов, бес-контактность и высокая производительность определяют широкие возможности автоматизации вихретокового контроля.
Одна из особенностей вихретоковых методов состоит в том, что на сигналы преобразователя практически не влияют влажность, давление, радиоактивные излучения, загрязнение поверхности объекта контроля непроводящими веществами. Простота конструкции преобразователя - еще одно преимущество вихретокового метода. Гак как катушки преобразователя помещают в предохранительный корпус и залипают компаундами, это делает их устойчивыми к механическим и атмосферным воздействиям.
Надёжность и достоверность контроля геометрических параметров рельсового пути, колёсных пар подвижного состава и контактного провода наиболее полно могут обеспечить локальные матричные ВТП. К настоящему времени разработаны общая теория нихретокоиого контроля свойств и качества электропроводящих объектов с поверхностью простой и сложной геометрии, методики расчёта и проектирования параметрических и дифференциальных ВТП с катушками разнообразных форм. Решению этих задач посвящены фундаментальные работы В.ЬС. Аркадьева, В.Г. Герасимова, АЛ. Дорофеева, В.В. Клюева, В.Г. Пустынпикова, В.Ф. Мужицкого, В.II. Шатерникова, Ю.М. Шкарлета, Ю.К. Федосеико и др. В работах С.Ф. Лазарева, В,В. Сухорукова, ІО.И. Стеблева, Ю.К. Федосеико исследовано взаимодействие миогопа-раметровьіх ВТП с объектом контроля, получены выражения для функции пространственного преобразования векторного потенциала таких ВТП. Теория контроля матричными ВТП тел ограниченной формы наиболее полно рассмотрена. В.Е. Шатер-никонмм, Ю.И. Стеблевым и их учениками.[40, 41 ].
Известные средства контроля основаны либо на возбуждении ВІГІ многочастотным током, либо па расположении над контролируемым объектом одноиарамет-роных ВТП, объединённых о в пространственно-распределённую матрицу. В работе [21] всесторонне исследованы однопараметровые ВТП для контроля геометрических параметров узкопрофильных торнов лопаток энергоустановок в динамике. Эффективность контроля таким ВТП достигнута за счёт восьмёркообразной конфигурации его катушки, конструкция которой позволила локализовать зону взаимодействия ВТП с объектом контроля в направлении одной из координат.
Структурная схема мобильного комплекса диагностирования
Мобильный комплекс диагностирования, рис. 4.1, имеет блочную структуру, включающую в себя следующие компоненты: аппаратуру многопараметроиого контроля геометрического положения рельсовых нитей пути, износа головок рельсов, величины зазора и температуру в стыке, превышения рельсов в стыке, ширины колеи, скорости движения поезда и пройденного им расстояния; подсистему контроля радиуса кривой поворота пути, углов возвышения в продольном и наклона пути в поперечном его сечении; приборы контроля смещения контактного провода вдоль токосъёмной лыжи пантографа локомотива и лаборатории; аппаратуру для автоматического учета опор, тепловизиопиой диагностики изоляторов и контактных соединений КС; аппаратуру контроля состояния земляного полотна; электронно-вычислительный центр (ЭВЦ) с программным обеспечением, включающим информационно-справочную систему (ИСС).
При создании аппаратуры лаборатории применен ряд новых технологических решений, обладающих патентоспособностью и патентной чистотой в основных промышленно развитых странах.
Вместе с тем в лаборатории были, по возможности, широко использованы унифицированные узлы и элементы, блоки электропитания и измерительные приборы, за счёт этого коэффициент унификации составил 70%.
Использование фундаментальных физических принципов позволило применить при решении большинства задач диагностирования КС и ВСП серийно выпускаемые компоненты, что существенно снизило стоимость разработки, упростило материально-техническое снабжение, ремонтные работы, обучение персонала. Оригинальные приборы, созданные в рамках настоящей работы, применены в тех случаях, когда к ходе предварительного анализа было установлено отсутствие серийно выпускаемых измерительных средств, с помощью которых можно было бы решить поставленные задачи.
Впервые в отечественной практике разработана методология для температурного мониторинга состояния рельсовых нитей как в стыковых зазорах, так и но всей длине, с выдачей информации о температурном состояния через каждый метр. В качестве средств контроля применены измеритель температурі,! рельса «ИТР-03» модели М67 производства США и инфракрасный температурный трансмиттер.
Температурный датчик с помощью кронштейна крепится на измерительной раме под прямым углом к измеряемой мишени. Для прибора М67 на заводе-изготовителе проводится предварительное фокусирование на расстояние, обозначенном в паспорте прибора. Настройка датчика заключается в том, чтобы терминальная радиация от рельса поступала и нифральюсер. Инфрадыосер устроен таким образом, что имеется возможность выбора диапазона спектрального ответа, выраженного в отношении диапазона длин волн, при которых происходит получение радиации. Область мишени, рассматриваемая иифрадыосе-ром, имеет фиксированный диаметр 25 мм. Размер мишени должен быть больше размеров этой минимальной области. Поле зрения выражается п виде соотношения расстояния к размеру. Для инфрадыосера М67 поле зрения составляет 15:1; это означает, что прибор способен «увидеть» пятно диаметром 25мм па расстоянии 380 мм от головки рельса (рис. 4.2). Калибровка прибора заключается в его вертикальной регулировке расстояния от головки рельса. Показания эталонного контактного термометра должны совпадать с показанием инфракрасного трансмиттера. Питание прибора осуществляется от источника постоянного тока ±24В. Связь с ЭВМ осуществляется через АЦП с помощью специального программного обеспечения. Для работы прибора при низких температурах, от-10С до -60С, предусмотрена герметизированная теплозащитная рубашка, позволяющая автоматически поддерживать постоянную температуру оптико-электронных устройств. Стабильность и точность измерений не превышает ± 1"С.
Для проведения тепловизионной диагностики состояния изоляции и контактных соединений КС используется тепловизионная камера ПТКВ-1. Прибор обладает следующими техническими характеристиками: 1) спектральный диапазон -8...13 мкм; 2) пределы расстояний до контрольного объекта - 0.8 - со; 3) минимально разрешаемая разность температур, не более: в режиме панорамирования - 0.3С; в режиме модуляции теплового потока - 0.6С.
Прибор на специальном кронштейне размешается в смотровой вышке лаборатории, обеспечивая попадание контролируемых объектов в поле зрения камеры. Информация поступает на видеоконтролыюс устройство (ВКУ), записывается на видеомагнитофон, параллельно сигнал обрабатывается на ЭВМ. Конечные данные собираются в базе данных ИСС лаборатории. Структурная схема тепловизионной диагностики с расположением органов управления представлена па рис. 4.4.
Для бесконтактного измерения радиуса кривых используется классический метод преобразования тангенциальных ускорении, возникающих при движении вагона на криволинейном участке, в напряжение переменного тока с частотой, пропорциональной величине этого ускорения. Преобразователь линейных ускорений устанавливается в помещении лаборатории на специальной площадке на оси вагона. Конструктивно прибор состоит из трех частей: преобразователя линейных ускорений; блока обработки индикации; блока сопряжения с ЭВМ.
