Содержание к диссертации
Введение
1 Тональные рельсовые цепи и их диагностирование на железных дорогах России 8
1.1 Выбор и обоснование критериев для оценки эффективности использования систем с ТРЦ 8
1.2 Анализ измерительных приборов и систем диагностики рельсовых цепей тональной частоты 16
1.3 Выводы 20
2 Разработка математической модели тональной рельсовой цепи 21
2.1 Обобщенный метод исследования рельсовых цепей тональной частоты... 21
2.2 Применение аппарата конформных отображений и дробно-линейных преобразований для анализа тональной рельсовой цепи 30
2.3 Определение погрешностей при расчете параметров тональных рельсовых цепей 41
2.4 Анализ модели тональной рельсовой цепи при возникновении продольных и поперечных неисправностей 50
2.5 Выводы 57
3 Методы и средства диагностики тональной рельсовой цепи 58
3.1 Построение алгоритма измерения параметров тональной рельсовой цепи.. 58
3.2 Расчет и построение карты областей основных диагностических состояний тональной рельсовой цепи с использованием упрощенной математической модели 60
3.3 Выводы 75
4 Экспериментальные исследования и экономическая эффективность 76
4.1 Экспериментальные исследования тональной рельсовой цепи 76
4.2 Экономическая эффективность внедрения устройств диагностики тональной рельсовой цепи, использующих упрощенную математическую модель 83
Заключение 92
Библиография: 93
Приложение 100
- Анализ измерительных приборов и систем диагностики рельсовых цепей тональной частоты
- Применение аппарата конформных отображений и дробно-линейных преобразований для анализа тональной рельсовой цепи
- Расчет и построение карты областей основных диагностических состояний тональной рельсовой цепи с использованием упрощенной математической модели
- Экономическая эффективность внедрения устройств диагностики тональной рельсовой цепи, использующих упрощенную математическую модель
Введение к работе
С каждым годом на железнодорожном транспорте увеличиваются объемы внедрения современных средств автоматики и телемеханики. Мощным средством увеличения пропускной способности железнодорожных линий и повышения безопасности движения поездов является АБ. АБ позволяет организовать движение поездов попутного следования с малыми интервалами. Кроме того, она повышает производительность труда эксплуатационных работников, сокращает эксплуатационные расходы и обеспечивает высокую безопасность движения поездов.
Одним из путей повышения надежности технических средств, обеспечивающих безопасность движения поездов, является внедрение устройств непрерывного контроля за их состоянием. Системы диагностики и телеконтроля позволяют уменьшить количество отказов в устройствах СЦБ за счет прогнозирования предотказных состояний, ускорить поиск отказавшего элемента, свести к минимуму время нахождения технического персонала в опасных зонах железнодорожного транспорта, повысить культуру труда электромеханика СЦБ, а также создать базу для перехода от системы планового обслуживания к предупредительно - восстановительной системе с возможностью последующего сокращения обслуживающего персонала. Устройства автоматического контроля позволяют предупреждать возникновение аварийных ситуаций путем обнаружения неисправностей, приводящих к опасным отказам и помогают решать задачи по обеспечению безопасности систем железнодорожной автоматики и телемеханики [1,2].
Своевременный контроль технического состояния устройств СЦБ в динамике позволяет устанавливать необходимость и очередность мероприятий по предупреждению или оперативному устранению отказов.
Исправность РЦ и безопасность их функционирования зависят от множества факторов, меняющихся с течением времени. Установлено, что при неблагоприятном сочетании сопротивлений балласта, рельсовой линии, места по ложения шунта и колебаний напряжения сети, отрегулированная в соответствии с нормалями рельсовая цепь может дать ложную информацию о состоянии участка пути.
Предупредить появление таких отказов могут только системы непрерывного контроля технического состояния РЦ [3], применение которых из-за нерешенности целого ряда теоретических и практических проблем диагностики рельсовой линии весьма ограничено.
Поиск отказов в РЦ не автоматизирован и осуществляется с использованием различных измерительных средств. Нередко для обнаружения характера отказа электромеханику СЦБ необходимо направляться к месту расположения РЛ, что значительно увеличивает время поиска неисправности.
На современном этапе развития систем АБ широкое распространение получила система с ТРЦ.
Цель работы. Целью настоящей работы является разработка методики и алгоритма непрерывного контроля и прогнозирования постепенных отказов с определением характера и места неисправности ТРЦ в системе централизованной автоблокировки с поста электрической централизации.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1) Обоснование необходимости включения в системы диагностики ТРЦ функции прогнозирования состояния рельсовой линии;
2) Исследование комплексных параметров ТРЦ с помощью теории представлений линейных групп и аппарата конформных отображений;
3) Разработка методов уменьшения погрешности при измерении параметров ТРЦ;
4) Определение диагностической карты областей состояний рельсовой линии на комплексной плоскости;
5) Проведение экспериментальных исследований эффективности применения алгоритма и методики непрерывного контроля и прогнозирования состояний ТРЦ; 6) Определение экономической эффективности использования разработанных алгоритма и методики в средствах контроля и диагностики ТРЦ.
Методика исследований. В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования. Построение областей нормального режима и областей неисправной рельсовой линии выполнено на основе аппарата конформных отображений. Расчеты выполнялись с использованием ЭВМ на базе пакетов анализа MathCAD 13 и Microsoft office Excel 2003. До проведения эксперимента выполнялся расчет и построение областей. Экспериментальные измерения проводились с использованием компьютерной техники и специализированных программ для анализа частотно-модулированных сигналов, таких как SONY Sound Forge 8.0, Syntrillium Cool Edit Pro 2.1, TONE и ADC_VIEW версия 2.0.
При составлении схем замещения ТРЦ использованы основные положения теории четырехполюсников и линий с распределенными параметрами. Данные, полученные экспериментальным путем, обрабатывались с использованием аппарата регрессионного анализа. Результаты расчетов согласуются с данными, полученными в результате экспериментальных исследований, а расхождение между ними не превышает 5-10%. 1 Тональные рельсовые цепи и их диагностирование на железных дорогах России
1.1 Выбор и обоснование критериев для оценки эффективности использования систем с ТРЦ
Важнейшим элементом систем железнодорожной автоматики и телемеханики, обеспечивающих безопасность движения поездов, являются рельсовые цепи. Они выдают первичную информацию о состоянии контролируемых участков пути.
Рельсовые цепи, впервые предложенные американским инженером Вильямом Робензоном в 1867 г., до настоящего времени, по существу, являются самыми распространенными средствами, позволяющими контролировать состояние участков пути (занят или свободен) в устройствах автоматики и телемеханики.
Непрерывная модернизация подвижного состава, верхнего строения пути, повышение весовых норм и скоростей движения поездов предопределили дальнейшее совершенствование РЦ, в результате чего они претерпели значительные изменения.
Наиболее распространенной системой интервального регулирования движения поездов сегодня является автоблокировка числового кода. Числовая кодовая автоблокировка 50 лет находится в эксплуатации, практически без принципиальных изменений. Она построена на релейно-контактной элементной базе, которая морально устарела. В силу ограниченности функциональных возможностей, высокой энерго- и материалоёмкости аппаратуры, низкой помехозащищенности и надёжности эта система не в полной мере удовлетворяет возросшим требованиям, предъявляемым к современным устройствам интервального регулирования движения поездов. Кроме того, в процессе многолетней эксплуатации выявлен ряд недостатков, в том числе приводящих к опасным отказам. Так, например, дешифратор АБК устроен таким образом, что практически любая хаотическая кодовая последовательность импульсов может быть воспринята как код КЖ, Ж или 3. Такая ситуация возможна при перемежающемся контакте изостыка или одновременной «подпитке» РЦ паразитным током при проследовании поезда по соседнему пути. Анализ отказов числовой кодовой автоблокировки показывает, что более 51% из них приходится на рельсовую цепь. Почти половина из них вызвана её неустойчивой работой при изменениях сопротивления балласта и мешающим действием помех от тягового тока [4].
Возросшие потребности в высоконадежной системе автоблокировки, тяжелые условия эксплуатации рельсовых цепей продиктовали появление принципиально новой автоблокировки с рельсовыми цепями на тональных частотах. Использование сигнального тока тональной частоты позволило повысить защищенность от воздействия помех тягового тока, практически на порядок снизить потребляемую мощность, применить современную элементную базу, осуществить централизованное размещение аппаратуры, исключить взаимные влияния между рельсовыми цепями. К достоинствам следует отнести также возможность исключения малонадежных в эксплуатации изолированных стыков, что особенно важно для участков с цельносварными рельсовыми плетями, где установка изолирующих стыков снижает прочность пути и эффективность цельносварных плетей, особенно при устройстве коротких рельсовых цепей [5].
При отсутствии изолирующих стыков обеспечивается надежная электрическая непрерывность тяговой сети, в несколько раз сокращается число используемых дросселей-трасформаторов, снижаются потери электроэнергии на тягу поездов [6]. Тональные рельсовые цепи позволяют обеспечить соблюдение контрольного режима (изъятие рельса, излом рельса, изъятие ДТ) при обеспечении требований канализации тягового тока [7,8,9]. Такие рельсовые цепи практически без изменения могут применяться при любом виде электрической тяги.
Особенностью тональных рельсовых цепей является более высокое сопротивление рельсов, чем на частотах 25, 50 и 75 Гц, что позволяет исключить взаимное влияние через три рельсовые цепи при отсутствии изолирующих сты ков. Рельсовая цепь без изолирующих стыков имеет зону дополнительного шунтирования, т.е. может быть зашунтирована подвижным составом, находящимся на смежной рельсовой цепи на некотором расстоянии от точки подключения путевых приемников. При сопротивлении балласта 0.8 - 1 Ом-км максимальная длина тональной рельсовой цепи составляет 1000 м, а зона дополнительного шунтирования может достигать величины 100 м [10].
Дальнейшее совершенствование систем автоблокировки обусловлено необходимостью сокращения расходов на техническое обслуживание и повышением надежности работы устройств с переводом технических средств на современную, более надежную микроэлектронную элементную базу. Это позволяет расширить функциональные возможности АБ, снизить энерго- и материалоемкость аппаратуры. Применение новых, более совершенных алгоритмов обработки сигналов КРЛ, реализация которых на старой элементной базе принципиально невозможна, обеспечивает повышение устойчивости функционирования системы КРЛ в условиях воздействия дестабилизирующих факторов.
На сегодняшний день в эксплуатации на железных дорогах России известны следующие виды систем автоблокировки, использующие рельсовые цепи тональной частоты:
- Автоблокировка с тональными рельсовыми цепями и централизованным размещением аппаратуры;
- Микропроцессорная система автоблокировки с децентрализованным размещением аппаратуры и рельсовыми цепями без изолирующих стыков АБ-Е2 [11,12];
- Микропроцессорная унифицированная система автоблокировки АБ-УЕ [12,13];
Автоблокировка с тональными рельсовыми цепями и централизованным размещением аппаратуры, реализованная на базе микропроцессорной централизации Ebilock-950 [14]; — Микропроцессорная автоблокировка с тональными рельсовыми цепями, централизованным размещением аппаратуры и дублирующими каналами передачи информации АБТЦ-М [15,16].
Системы автоблокировки с тональными рельсовыми цепями находят все более широкое внедрение на сети железных дорог, таких как Красноярская, Московская, и др. Этому способствует проводимая ОАО «Российские железные дороги» техническая политика, согласно которой на перегонах проектируется автоблокировка с тональными рельсовыми цепями и централизованным размещением аппаратуры по типовым материалам для проектирования 410003-ТМЩ17].
Проанализируем системы автоблокировки, для чего выделим и обоснуем следующие критерии:
1. Способ размещения аппаратуры. Различают системы, с централизованным и децентрализованным размещением аппаратуры. Централизованное размещение аппаратуры приводит к увеличению расхода кабеля и снижает эксплуатационные характеристики системы в целом, однако обладает рядом существенных преимуществ:
— обеспечивает работу оборудования в благоприятных условиях отапливаемого помещения, что повышает надежность и долговечность приборов;
— исключает необходимость передачи информации между светофорами, на переезды и на станцию, что упрощает схемные зависимости АБ и повышается надежность системы в целом;
— облегчает техническое обслуживание устройств и снижает затраты на обслуживание;
— уменьшает время работы на открытом воздухе и в зонах повышенной опасности в непосредственной близости движущихся поездов;
— снижает стоимость системы за счет исключения расходов на оборудование сигнальных точек релейными шкафами, линейными трансформаторами высоковольтных линий и кабельными ящиками.
И
2. Наличие проходных светофоров. В системах автоблокировки без проходных светофоров снижаются затраты на их установку и обслуживание, исключаются такие ненадежные элементы, как лампы накаливания. Системы без проходных светофоров целесообразно применять при централизованном размещении аппаратуры. С точки зрения безопасности движения и психологии работы машинистов, применение проходных светофоров является более предпочтительным. Кроме того, при отсутствии напольных светофоров основным средством регулирования становится система АЛС. Дополнением в перспективе для систем АЛС является интеграция дублирующего канала связи между локомотивом и сервером, организованного по радиоканалу, что заметно повышает надежность системы и позволяет получить дополнительную информацию о нахождении подвижной единицы.
Изучая опыт эксплуатации зарубежных систем интервального регулирования движения поездов выявлено, что преимущество остается за системами, не использующими проходные светофоры. В качестве устройств регулирования интервального движения поездов используется радиоканал [18,19].
3. Наличие изолирующих стыков на границах БУ. ТРЦ могут работать без ИС, что является положительным качеством. Однако наличие зоны дополнительного приводит к ложному включению запрещающего сигнала на светофоре, к которому приближается поезд. Установка ИС на границах БУ позволяет увеличить длину ТРЦ до 1300 м.
С точки зрения эксплуатации, изолирующие и токопроводящие стыки являются самыми ненадежными звеньями в рельсовой линии. Укрепление верхнего строения пути, балластной призмы и возрастающая потребность в комфортном передвижении продиктовали появление бесстыковой рельсовой линии. В настоящее время ведется работа, направленная на обеспечение максимальной эффективности использования бесстыкового пути [20,21,22,23].
Прогрессивная конструкция бесстыкового пути с рельсовыми плетями длиной до перегона получила широкое внедрение на железных дорогах России: Западно-Сибирской, Московской и др. [24,25,26,27]. Увеличению полигона укладки бесстыкового пути способствуют не только указанные факторы, но и проводимая ОАО «Российские железные дороги» техническая политика, согласно которой с 2001 г. бесстыковой путь на железобетонных шпалах принят в качестве основной конструкции на главных и второстепенных линиях [28].
4. Элементная база. Применение микропроцессорных устройств позволяет выполнять и проверять зависимости, напрямую или косвенно связанные с той или иной функцией. По этому признаку системы АБ с ТРЦ можно разделить на системы с релейно-контактными устройствами и микроэлектронные системы. В настоящее время подавляющее большинство разработанных и внедряемых в эксплуатацию систем относится к последней группе устройств, которые сейчас проходят опытную эксплуатацию.
5. Система диагностики. Является неотъемлемой частью систем АБ. Помимо непосредственного контроля занятости или свободности участков существует необходимость контроля изменения параметров рельсовой линии, аппаратуры приемного и питающего конца, для исключения опасных и предупреждения постепенных отказов. Системами диагностики в той или иной мере обладают все новые системы автоблокировок [12,13,14,15,16], за исключением АБТЦ. В основном данные системы отслеживают показатели аппаратуры АБ (измерение номинальных значений напряжений в контрольных точках) [29]. Рельсовая линия же в этом случае остается не исследованной и не диагностированной. Существующие системы диагностики могут информировать о том, что рельсовая линия предположительно неисправна без указания причин и места возникновения отказа.
Анализ измерительных приборов и систем диагностики рельсовых цепей тональной частоты
Безусловно, мобильным измерительным приборам необходимо находить свое применение на железнодорожном транспорте, однако они должны обладать автономностью и наглядностью. Информация об измеряемом сигнале должна выводиться в наиболее полной форме (амплитуда, частота, СКЗ), фаза, временные характеристики и т.д.), так как мобильные измерительные приборы используются, прежде всего, при поиске не однотипных неисправностей. Наряду с мобильными измерительными приборами существуют и стационарные измерительные системы, рассчитанные на измерения определенных параметров в определенных точках. Представителями таких систем являются: - Преобразователь многоканальный измерительный сигналов рельсовых цепей (ПМИ-РЦ). Разрабатывался в кооперации с ВНИИАСом для применения в составе системы АБТЦ-М [37]. Прибор устанавливается на станции, имеет 36 гальванически развязанных измерительных каналов и т.д. Предусмотрена воз можность автономных измерений на приборе укомплектованном клавиатурой и монитором. Недостатками прибора являются относительно высокая стоимость. Устройство контроля тональных рельсовых цепей (УК ТРЦ-8) [29]. Прибор зарегистрирован в Государственном реестре средств измерений под номером 23044-02. Основной задачей данной системы является измерение параметров аппаратуры ТРЦ. Устройство предназначено для применения в системах диспетчерского контроля и системах диагностики технического состояния устройств электрической централизации и автоматической блокировки с централизованным размещением аппаратуры. - Автомат диагностики тональных рельсовых цепей (АДТРЦ) [29]. Выполняет аналогичные функции с УК-ТРЦ-8. АДТРЦ осуществляет получение, измерение, обработку и передачу оперативной информации по последовательному интерфейсу в составе иерархических или автономных систем измерения. Стационарные измерительные приборы должны фиксировать избыточную информацию о диагностируемом объекте, выдавать краткую установку электромеханику о неисправности того или иного рода. Так же не исключается возможность получения полной информации об измеряемых величинах в установленных точках при появлении неоднотипных отказов.
По принципу действия измерительные системы и системы диагностики можно разделить на: - автоматические, - информация выводится в обработанном виде, система сама осуществляет поиск неисправности с точностью до элемента замены (централизованные системы); - полуавтоматические, - информация выдается в обработанном виде, необходимо классифицировать отказ. Места подключения могут быть как определены, так и нет. - ручные, - место подключения не определено. Подключение прибора, а так же вывод о той или иной неисправности делается самостоятельно. К такому классу приборов относятся мобильные измерительные системы. Несмотря на продолжительный период эксплуатации ТРЦ, до конца не решен вопрос о принципах и приборах измерения параметров тональных рельсовых цепей. Опыт разработки диагностических устройств ТРЦ ранее имел место в таких работах, как [38,39,40,41,42]. Для того, что бы найти параметры рельсовой линии, необходимо измерять одновременно следующие величины: напряжение, ток и фазу между ними на питающем и релейных концах соответственно, в зависимости от режима работы рельсовой цепи. Схема подключения измерительных устройств к аппаратуре ТРЦ приведена в приложении 1. Для диагностики ТРЦ необходимо решение следующей задачи: определить по всем доступным для измерений с поста ЭЦ электрическим величинам характер и, возможно, место отказа, а также своевременно обнаружить предот-казное состояние.
Ставится задача измерения параметров рельсовой линии не мешая нормальной работе устройств СЦБ. Для этого необходимо условиться ограничениями: 1. Любые рельсовые линии рассматриваются отдельно друг от друга. Для определения параметров ЧП имеется возможность подключения только на питающем и на релейном конце (пост ЭЦ); 2. Параметры согласующих устройств и кабельной линии являются величинами известными и постоянными для определенной частоты сигнального тока. 3. Аппаратура диагностики подключается к ТРЦ только через гальваническую развязку на питающем и релейном концах рельсовой линии к выходу полосового фильтра ФПМ и входу путевого приемника ПП соответственно [39]. 4. Измерения проводятся в соответствии с временными контрольными точками.
Применение аппарата конформных отображений и дробно-линейных преобразований для анализа тональной рельсовой цепи
Для упрощения модели рассмотрим схему замещения изолированной рельсовой линии. Каскадному соединению четырехполюсников соответствует перемножение матриц первого, второго и третьего четырехполюсников в соответствии с направлением передачи [55] (см. формулу 2.9). Традиционная методика расчета режимов работы рельсовой цепи предполагает подстановку в формулы вычислений набора параметров, соответствующих наихудшим условиям выполнения рассматриваемого режима работы РЦ. Исходя из этих условий, определяются значения напряжения и тока на входе рельсовой цепи. где А, В, С, D- коэффициенты ЧП рельсовой цепи учитывающие согласующие устройства и саму рельсовую линию. Традиционная методика расчета режимов работы РЦ имеет существенные недостатки: - не позволяет целиком увидеть область изменений входных параметров РЦ на питающем конце для данного режима работы; - не решает вопрос определения области погрешностей значений вычисляемых параметров при известной погрешности измерений критических значений; - отсутствует геометрическая наглядность полученных результатов. Чтобы устранить вышеуказанные недостатки, автор предлагает использовать более удобный математический аппарат, эквивалентный старому матричному - аппарат конформных отображений. Впервые он был использован в работах Цыганкова В. И. [61,62,63], для обычных РЦ, и на более глубокой основе методика его применения была разработана Власенко СВ. и Гателю комО.В. [64,65]. Как показано в [64,66], матрицы четырехполюсников пред ставляют элементы группы PSL C) (проективной специальной линейной группы второго порядка с коэффициентами из поля комплексных чисел). Элементы этой группы получаются отождествлением следующих матриц: Эта группа широко известна в математике и применяется при решении множества собственно математических проблем. Группа PSL2(C) имеет также представление дробно-линейными преобразованиями комплексной плоско-сти[67].
В задачах электротехники дробно-линейное преобразование задается формулой (2,11) и описывает отображение множества выходных параметров четырехполюсника во множество входных. Дадим определение конформного отображения. Взаимно однозначное отображение W = f(Z) = U(x,y) + j-V(x,y) области D на D называется конформным, если в окрестности любой точки D главная часть этого отображения есть ортогональное преобразование, сохраняющее ориентацию [68]. Обоснуем электротехнический смысл конформных преобразований. В качестве нагрузки ЧП рассматривается область значений комплексных сопротивлений, от значения Z = 0 - короткого замыкания до Z = оо разрыва или холостого хода. Так как действительная часть комплексного сопротивления всегда неотрицательна, Re(Z) 0, то значение его представляет собой правую полуплоскость комплексных чисел. Как показано в [65,66], конформное отображение, соответствующее ЧП, преобразует правую полуплоскость, дополненную бесконечно удаленной точкой, на окружность или полуплоскость, лежащую в правой полуплоскости. Положение области, получившейся при таком отображении будет зависеть от параметров рельсового ЧП, а положение точки внутри области - от сопротивления выходной нагрузки. Пример такого преобразования представлен на рисунке 2.10. Рассмотрим свойства конформных преобразований [68, 69]: 1. Конформное отображение преобразует бесконечно малые окружности в окружности с точностью до малых высших порядков (круговое свойство дробно-линейных отображений). 2. Конформное отображение сохраняет углы между кривыми в точках их пересечения (свойство сохранения углов). 3. Любая пара точек, симметричных относительно окружности С, преобразуется в пару точек, симметричных относительно образа окружности С (свойство сохранения симметричных точек). 4. Каковы бы ни были односвязные области D и D (с границами, состоящими более чем из одной точки) и как бы ни были заданы точки z0 из D и щ из D и действительное число ад, существует одно и только одно конформное отображение W = f(Z) области D на область D такое, что f(Zo) = wo агЕ/Х о) = Подробно-линейными преобразованиями будем называть отображения, осуществляемые дробно-линейными функциями W = . Рассмотрим свойства дробно-линейных преобразований [68,69]:
Дробно-линейная функция осуществляет взаимно однозначное и непрерывное отображение С на С, где С = С и {оо}. 1. Дробно-линейное отображение конформно во всех точках С, т.е. дробно-линейные преобразования это частный случай конформных отображений. Введем понятие группы. В математике группой называется непустое множество элементов G, на котором для любых элементов aeG и eeG задана бинарная алгебраическая операция а-в є G еудовлетворяющая условиям: 1) ассоциативность (ае)с = а(вс); 2) существование единицы, т.е. такого элемента h є G, что ah = ha = a; 3) существование обратного, т.е. для любого элемента aeG существует элемент а 1 є G, что ad1 = a 1 a = h [69]. Если на множестве S задана бинарная алгебраическая операция, а-в є S, которая удовлетворяет первому условию, но может не удовлетворять второму и третьему условию, то такое множество называется полугруппой. Множество реализуемых электрическими схемами ЧП относительно каскадного соединения образуют полугруппу.
Расчет и построение карты областей основных диагностических состояний тональной рельсовой цепи с использованием упрощенной математической модели
После того, как подвижная единица удалится на некоторое расстояние и не будет влиять на работу рельсовых линий РЛ1 и РЛ2, ТРЦ переходит в нормальный режим работы. В этом режиме есть возможность измерять токи и напряжения на питающем и приемных концах, находить изменение фазы и анализировать рельсовую линию на возникновение постепенных неисправностей. Автором предлагается: 1) автоматизировать процесс измерений с использованием персональной ЭВМ; 2) по результатам измерений выполнить анализ полученных значений, рассчитать сопротивление РЛ и межрельсовой проводимости; 3) строить области допустимых параметров; 4) диагностировать состояние ТРЦ в реальном режиме времени согласно разработанной модели. Можно выделить следующие этапы в процессе измерений: 1. Сбор данных. В ходе каждого отдельного измерения необходимо получить значения напряжения, тока и фазового сдвига угла на приемном и питающем концах рельсовой линии. Для этого необходимо применение фильтра. Тип фильтра определяется частотой сигнального тока. По синхронизирующим отметкам времени значения напряжения, тока и фазового сдвига между ними регистрируются измерительным средством. Для последующей обработки полученные данные необходимо записать на носитель информации (флэш, память, ПЭВМ). 2. Анализ сигнала. Задача этого этапа заключается в расчете значений полного входного сопротивления в режимах короткого замыкания, холостого хода и нормального функционирования рельсовой линии для соответствующих рельсовых цепей. Необходимо отделить сигнал от остаточных помех, для точ ного определения значения фазового сдвига между током и напряжением. Для этого необходимо пропустить сигнал через виртуальный фильтр с высокой добротностью. 3.
Послеоперационная обработка. Пакет программ (XL, Mathcad, Mathlab, Soundforge) используется для нахождения параметров четырехполюс ника рельсовой линии и расчета производных параметров (волнового сопро тивления и постоянной распространения сигнала). Обработка результатов ве дется в реальном масштабе времени. Параметры линии передачи можно определить на основании результатов типовых измерений в указанных режимах. Измерения параметров железнодорожного пути сопряжено с трудностями, связанными, в частности с длиной участка пути. Короткие участки характеризуются очень низким входным сопротивлением короткого замыкания и очень высоким холостого хода; на длинных участках значения этих двух сопротивлений выравниваются, из-за чего их трудно различить. Максимальная длина ТРЦ не должна превышать 1 км. Расчеты показали, что для таких длин возможна идентификация отказов, с помощью предложенной математической модели. Для анализа основных диагностических состояний бесстыковой рельсовой линии необходимо рассмотреть схему замещения с рассредоточенными параметрами. На рисунке 2.9 изображена схема замещения ТРЦ. Для упрощения модели рассмотрим отдельно нижнюю ее часть без учета дополнительного сопротивления, вносимого смежной рельсовой линией. Согласно [74], параметры ЧП рельсовой линии можно выразить через ее вторичные параметры. где Ze - волновое сопротивление рельсовой линии, Ом; у - коэффициент распространения волны, 1/км; 1Р - длина рельсовой линии, км. Волновое сопротивление линии и коэффициент распространения, в свою очередь, находятся по формулам [74]: где Z„ - удельное сопротивление рельсовой петли переменному току, Ом/км; ги - сопротивление изоляции рельсовой линии, Ом-км. Воспользуемся теорией конформных отображений и рассчитаем рельсовую линию. Для построения областей основных диагностических состояний рельсовой линии воспользуемся пакетом анализа MathCAD. Построение областей на комплексной плоскости производится в соответствии с преобразованиями (формула 2.13): поворот, растяжение, инверсия и т.д.
Пусть несущая и модулирующая частота сигнального тока равны 580 и 12 Гц соответственно, длина рельсовой линии 650 метров, сопротивление изоляции рельсовой линии 1 Ом/км. Удельное сопротивление петли сигнальному току рассчитывается по формуле (2.8) для соответствующей частоты. Согласно [69], правая полуплоскость ReZ 0 при конформном отображении перейдет на окружность с центром в точке, рассчитываемой по формуле (2.20) и радиусом, рассчитываемым по формуле (2.21) (см. рисунок 3.2). В результате такого преобразования получаем область значений входных сопротивлений данного ЧП. Для любой нагрузки значение измеренного входного сопротивления будет на- ходиться в полученной области. Размер и место нахождения области полностью зависят от параметров ЧП рельсовой линии. Нормальной областью рельсовой линии будем называть область входных сопротивлений, измеренных при свободной и исправной рельсовой линии.
Экономическая эффективность внедрения устройств диагностики тональной рельсовой цепи, использующих упрощенную математическую модель
Обработка полученных результатов показала адекватность теоретических исследований и целесообразность использования разработанной математической модели. Применение разработанных алгоритма и методики непрерывного контроля и прогнозирования состояния рельсовой линии, позволяет выявлять характер и место возникновения продольных и поперечных неисправностей с точностью до 25 м и погрешностью не более 10 %. Проведенные эксперименты показали перспективность диагностики состояния тональных рельсовых цепей с использованием предложенной математической модели. На основании проведенных исследований сделаны рекомендации по выявлению и прогнозированию предотказных состояний ТРЦ при централизованном размещении аппаратуры (приложение 7, приложение 10). При внедрении средств диагностики тональных рельсовых цепей экономический эффект обеспечивается за счет уменьшения количества отказов автоблокировки и снижения времени на их устранение. Уменьшение числа отказов автоблокировки влечет за собой экономию за счет снижения простоев поездов, уменьшения среднего времени поиска и устранения неисправностей, сокращения убытков от отправленных с нарушением графика поездов. На участке Зеледеево - Бугач Красноярской ж.д. за период с начала 2004 по конец 2005 г.г. произошло 95 сбоев по причинам неисправностей, диагностируемых с использованием новой математической модели. От общего числа неисправностей эта цифра составляет 59 %. После внедрения системы диагностики общее количество отказов на данном участке уменьшится не менее чем на 30 %, а среднее время поиска неисправности уменьшится на порядок. Согласно официальной информации (программы АСУШ), по участку
Зеледеево - Бугач Красноярской ж.д. за два года эксплуатации системы АБТЦ приведены показатели эксплуатационной работы (см. таблицу 4.1). Согласно [75] применительно к поставленной задаче расчеты могут быть ограничены определением показателей сравнительной экономической эффективности, учитывающей, в отличие от общей, лишь изменяющиеся финансовые последствия внедрения рассматриваемого мероприятия. В большинстве случаев основными показателями оценки общей экономической эффективности инвестиционных проектов на железнодорожном транспорте выступают ЧДД, ИД и срок окупаемости инвестиций [76]. ЧДД представляет сумму текущих эффектов за весь расчетный период, приведённых к начальному году, или как превышение интегральных результатов над интегральными затратами. Чистый дисконтированный доход определяем по формуле: где Р( - текущие результаты экономии от внедрения, руб.; Т- горизонт расчета, лет. Г=10 лет. 3 t - текущие затраты без капиталовложений, руб.; К0 - единовременные затраты в 0-м году, руб.; —- - коэффициент дисконтирования, коэффициент приведения раз-Kd новременных затрат к расчетному периоду; t - анализируемый период, год, /=0,1,2... 10 год. Если ЧДД положителен, то проект является эффективным.
Чем больше ЧДД, тем эффективнее проект. В расчетах принято, что капитальные вложения осуществлялись в нулевой год, а первые результаты появились в первый год рассматриваемого периода. Результаты экономии от внедрения Pt определили по формуле: где Эсп - экономия расходов за счет снижения простоев поездов, руб.; Эп/ошк - экономия заработной платы за счет использования предот-казной технологии, руб.; Эуп - сокращение убытков от отправленных с нарушением графика поездов, руб. В формуле (4.2) возможно наличие еще одной составляющей - экономия заработной платы за счет сокращения трудозатрат. Но в данном случае сокращения трудозатрат не произойдет. Согласно графика технического обслуживания, [77] работы по измерению напряжения на релейном и питающем концах заменяются работами по обслуживанию новой техники (квалификации электромеханика 8-9 разряда). Аппаратура диагностики будет самостоятельно производить измерения параметров рельсовой линии. Рассчитаем результаты экономии от внедрения Pt. Согласно данным таблицы 4.1, экономия расходов за счет снижения простоев поездов рассчитывается по следующей формуле: где еост - расходная ставка на остановку поезда, руб. Принимаем для грузового поезда равной 169,09 руб., пассажирского - 92,06 руб., пригородного - 28,95 руб.; Єп-ч расходная ставка на поездо-час простоя. Принимаем для грузового поезда равной 1664,04 руб., пассажирского - 3717,26 руб., пригородного -627,45 руб.;
