Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обзор методов и средств диагностики рельсового пути 7
1.1 Геометрические параметры рельсового пути и методы их измерения 7
1.2 Обзор средств контроля состояния рельсового пути 21
1.3 Системы определения взаимного положения объектов 31
1.4 Выводы по главе 1 39
Глава 2 Концепция построения системы измерения взаимного положения объектов 40
2.1 Постановка задачи 40
2.2 Варианты построения измерительной системы 45
2.3 Концепция построения системы определения взаимного положения объектов 51
2.3.1 Математическая модель 57
2.4 Выводы по главе 2 63
Глава 3 Концепция построения измерительных каналов 64
3.1 Принципы построения оптической системы определения взаимного положения объектов 64
3.2 Концепция построения измерительного канала системы 68
3.3 Оценка погрешностей системы 76
3.4 Выводы по главе 3 78
Глава 4 Результаты экспериментальных исследований 79
4.1 Описание подсистем лабораторного макета 79
4.2 Оценка влияния воздушного потока на измерительную систему 85
4.3 Результаты натурного эксперимента 97
4.4 Выводы по главе 4 102
Заключение 103
Обозначения и сокращения 104
Список литературы
- Обзор средств контроля состояния рельсового пути
- Варианты построения измерительной системы
- Концепция построения измерительного канала системы
- Оценка влияния воздушного потока на измерительную систему
Обзор средств контроля состояния рельсового пути
Россия третья страна в мире по протяженности рельсовых путей, их эксплуатационная длина составляет 87,5 тыс. км уступая по протяженности дорог США (194,7 тыс. км) и Китаю (общая протяженность железных дорог к декабрю 2013 года превысила 100 тыс. км, причем из них более 10 тыс.км обслуживают высокоскоростные поезда). Ежегодно перевозится 1,3 млрд. тонн грузов и почти два миллиарда пассажиров. Каждый участок железнодорожных линий в России имеет огромное значение не только для конкретного региона, но и для всей страны.
Объединив новейшие достижения науки и техники, отрасль испытывает бурный рост в последние десятилетия. Увеличивается доля высокоскоростных дорог, общая протяженность полотна.
Возможность перевозки крупногабаритных грузов, безопасность и комфорт пассажиров - это лишь малая часть тех преимуществ, которые делают этот вид транспорта востребованным на сегодняшний день. Проблемы, связанные с обеспечением безопасности на железнодорожном транспорте, всегда были и остаются в числе первоочередных задач. Для поддержания уже существующей сети железных дорог, обеспечения безопасности грузоперевозок и создания новых высокоскоростных железнодорожных путей необходим качественный и своевременный контроль и измерение параметров, характеризующих состояние железнодорожного полотна.
Для решения задачи диагностики необходим систематический надзор и контроль состояния железнодорожного полотна, который можно разделить на два основных направления: измерение геометрических характеристик рельс и слежение за целостностью структуры самого полотна.
Традиционно, выше обозначенные задачи решались разными типами устройств: геометрические характеристики измерялись путеизмерительными тележками (для снятия показаний без нагрузки на полотно или путеизмерительными вагонами (для измерений под нагрузкой)), а поиск каверн и трещин в структуре рельса осуществлялся специальными вагонами-дефектоскопами, оснащёнными ультразвуковыми либо магнитными искателями.
Для описания геометрии пути, как правило, используют следующие основные геометрические параметры: Кривизна рельсовой колеи (по курсовому углу кузова вагона); Ширина колеи; Отклонение от продольного профиля; Просадка; Отклонения от прямолинейного положения в плане прямых участков пути (по измерению азимутального угла кузова вагона); Рихтовка; Уровень; Горизонтальные и вертикальные ускорения кузова. Рассмотрим подробнее используемые на практике характеристики рельсового пути [1], [2], [11]–[14]. Ширина колеи (шаблон) - расстояние между внутренними гранями головок рельсов. Данный параметр должен контролироваться на расстоянии 13 мм ниже поверхности катания рельса, что соответствует, с учетом подуклонки рельсов, 16 мм ниже линии, соединяющей верхние точки рельсов и проведенной по нормали к рихтовочной нити (рисунок 1.1, а). Ширина колеи измеряется оптической системой, включающей в себя два лазерных датчика, жестко закрепленных на неподрессоренной раме ходовой тележки (рисунок 1.1, б) [14]. Зная базовое расстояние между датчиками, можно вычислить расстояние между боковыми поверхностями рельсов. Это расстояние и является измеряемой шириной колеи lx. Значения номинального размера ширины колеи между внутренними гранями головок рельсов представлены в таблице 1.1, в соответствии с нормами, установленными инструкцией по текущему состоянию железнодорожного пути: ЦП-774 [2]. Значение ширины колеи для отечественных железных дорог лежит в диапазоне от 1512 и до 1548 мм. Величина отклонения от номинального размера ширины колеи по сужению не должны превышать -4 мм, по уширению +8 мм.
Рихтовка - это положение рельсовых нитей в плане (в горизонтальной плоскости пути) от несимметричной хорды длиной L (рисунок1.2), например для ПВ серии ЦНИИ-4 /, = 21,5 м [1], которое определяется по каждой рельсовой нити относительно кузова вагона с помощью оптических датчиков «рельс-кузов» (Р-К), фиксирующих перемещения контролируемых точек, задаваемых схемой измерения шаблона, в трех сечениях [1].
В плане путь должен содержаться без видимых отклонений от прямого направления на прямых участках; с одинаковыми стрелами изгиба — на кривых одного радиуса; с равномерным нарастанием стрел — на переходных кривых [2].
Воздействие подвижного состава на обе рельсовые нити может привезти к сдвигу рельсошпальной решётки в горизонтальной плоскости пути. Для выправки пути, смещенного в ту или иную сторону, необходим параметр рихтовки.
На рисунке 1.2 приведена схема измерения рихтовки (система координат OXKYKZK связана с кузовом вагона). Измеряя рихтовку левого рельса (для правого вычисления будут аналогичными) следуют следующим положениям: отрезок, соединяющий точки лі и лЗ, является хордой, по которой вычисляется рихтовка. Расстояние, отмеренное от точки л2 до отрезка л1лЗ перпендикулярно оси вагона, является искомой рихтовкой f. хкл2 — хкл2 "I -Ь. (I-1) При измерении рихтовки ручным способом в качестве измерительной хорды используется шнур из капроновой нити толщиной 0,6—0,8 мм. Его прижимают к незакруглённой части рабочей грани головки наружного рельса в точках, смежных с той, где измеряется стрела. Перед измерением шнур натягивают так, чтобы не было провисания, а колебания шнура останавливают. Стрела изгиба измеряется линейкой, с ценой деления 1 мм, с обрезанным “под нуль” концом. Таким образом, измеряется расстояние (рихтовка) от определенной точки лески до рельса, т.е. рихтовка измеряется перпендикулярно хорде.
Для облегчения съёмки кривой можно использовать надёжное и простое приспособление конструкции ЦНИИ в виде скобы для промера стрел изгиба кривой (рисунок 1.3). Комплект состоит из измерительной линейки и двух одинаковых скоб со шнуром [6], [40].
Просадка - неровность рельсовой нити в вертикальной плоскости по отношению к среднему уровню. Отклонения рельсовых нитей в расположении по уровню от номинальных нормативов зависят от многих факторов, наиболее существенными из которых являются: неодинаковая степень уплотнения балласта под шпалами, угон пути, неодинаковые размеры шпал, разная интенсивность износа элементов верхнего строения пути, деформации основной площадки земляного полотна.
По аналогии с гармонической кривой, протяженность железнодорожной неровности принято называть длиной волны и в зависимости от ее величины, просадки разделяют на длинные (с длиной волны более 6 м) и короткие (с длиной волны до 6 м).
Измерения производятся с помощью датчиков линейных перемещений «букса-кузов» (Б-К), схема расположения которых (для первой колесной пары) приведена на рисунке 1.4. Датчики крепятся к корпусу вагона в точках A и B. Размеры t и T могут варьироваться в зависимости от конструкции конкретного вагона, например для ПВ фирмы ТВЕМА [14] t = 400 мм, T = 2400 мм.
Варианты построения измерительной системы
Измерения положения рельсовых нитей по уровню производятся с помощью двух датчиков, установленных на противоположных буксах колесной пары опускается, а другой поднимается. С помощью системы рычагов и тяг производится прямое измерение этих перемещений относительно плоскости горизонта, создаваемой гироскопическим устройством, установленным в подрессоренной части вагона. Таким образом, способ измерения любого из перечисленных выше геометрических параметров, реализованных в вагоне-путеизмерителе ЦНИИ-4, состоит в следующем: снимается информация о состоянии пути первичными измерителями - роликами; преобразовывается в линейные или угловые перемещения; передается в суммирующий орган с помощью механических (рычажно-трос-блочных) передач, а также к регистрирующему органу - самопишущему устройству, далее обрабатываются полученные графики.
В результате, из шести искомых перемещений (три линейных, три угловых) вычисляются только четыре, значениями двух других пренебрегают, считая перемещения близкими к нулю. Другим существенным недостатком описанного выше способа является сложность его реализации, необходимость использования специальных вагонов путеизмерителей с сложными механическими устройствами (системы блоков, тросов, пружин), сложность в настройке и эксплуатации. Необходимость использования специальных вагонов-путеизмерителей не дает возможности оперативного контроля состояния пути в процессе нормальной эксплуатации железной дороги, накладывает ограничение на скорость движения состава из-за вибро неустойчивости системы. На систему оказывают значительное воздействие внешние воздействия (вибрации, тряска). Значительную роль играет качество тросов (жесткость, температурная зависимость). Путеизмерительные вагоны имеют значительную массу и рабочие скорости в диапазоне от 50 до 120 км/ч.
Положение рельсовых нитей по уровню выражают в виде разности вертикальных координат точек касания левого и правого колес. Просадку каждой рельсовой нити выражают в виде разности вертикальных координат точки касания колеса, соответствующих двум моментам времени. Устройство содержит инерциальный измерительный модуль, связанный с бортовым компьютером.
Компьютер предназначен для вычисления положения рельсовых нитей по уровню, просадок рельсовых нитей и стрелы изгиба рельсовой нити по определенным с использованием алгоритма инерциальной навигации координатам точек касания левого и правого колес колесной пары, связанный с измерителем ширины рельсовой колеи. Перемещения колёсной пары сравниваются с базовым показаниями гироскопа, расположенного в вагоне.
При повышении рабочих скоростей путеизмерителей до 180—200 км/ч целесообразно применять методы бесконтактного измерения, что позволяет избежать ряда существенных недостатков выше рассмотренного метода.
Примером такой бесконтактной системы стала оптическая измерительная система, применяемая в путеизмерительных вагонах Oberbau-Messwagen-Einheit (OMWE).
В середине 70-х годов в ФРГ построена партия вагонов-лабораторий с рабочими скоростями до 300 км/ч [55]. [56]. Совместная разработка вагона осуществлялась фирмами “Мессершмитт-Белков-Блюм”, “AEF-телефункен”, “Крупп” и “Лува” в сотрудничестве с исследовательскими лабораториями, а также научно-исследовательскими центрами железных дорог ФРГ в Миндене и Мюнхене. В конце 80-х, начале 90-х годов отделением научно-исследовательского центра DB AG в Миндене созданы вагоны-лаборатории нового поколения OMWE и RAILabR (Rolling Analyzing Inspection Laboratory). Вагоны обеспечивают измерение неровностей длиной от 0,5 м до 150 м на скорости до 300 км/час. Основой измерительной системы являются модифицированная морская инерциальная навигационная система MINICIN 4 французской фирмы Sagem (в вагоне OMWE) и БИНС SIGMA 40 на лазерных гироскопах (в вагоне RAILabR). С 1994 г. по настоящее время СПГЭТУ совместно с научно-исследовательским центром железных дорог ФРГ в Миндене выполнили целый ряд работ по применению лазерных гироскопов в путеизмерительных системах и по построению интегрированных систем на базе БИНС, GPS и других датчиках комплекса [26], [28], [34]–[37], [40]–[44]. В результате инерциальная навигационная система MINICIN 4 в вагоне OMWE заменена БИНС на лазерных гироскопах SIGMA 40 французской фирмы Sagem (в вагоне RAILabR), внедрена интегрированная система БИНС/GPS. Новые решения, которые были реализованы в вагоне OMWE: 1) Внедрение БИНС для измерения углового положения кузова вагона, которая повысила точность измерения относительного положения рельс, их неровностей, а также коротких и длинных неровностей рельсового пути; 2) Значительное уменьшение погрешности, вызванное движением и колебаниями кузова вагона относительно рельсового пути; 3) Благодаря внедрению бесконтактных методов с использованием специальных опто-электронных измерительных головок, стало возможным непрерывное измерение геометрических параметров рельсового пути, в том числе стрелочных переводов и контррельсов; 4) Точное измерение углового положения оси рельса в горизонтальной и вертикальной плоскостях; 5) Непрерывный самоконтроль элементов измерительной системы и автоматический контроль всей измерительной системы путем расчета избыточных геометрических соотношений во время измерения; 6) Максимальная скорость движения во время инспекционной поездки составила 300 км/ч.
Концепция построения измерительного канала системы
Погрешность измерения углов должна составлять ±Г, погрешность измерения линейных перемещений ±0,001м, учитывая минимальную величину пространственного смещения, которую можно зарегистрировать при произвольной геометрии системы (глава 2.1).
Рассмотрим основные параметры компонентов и выработаны требования к изготовлению деталей системы. Измерительный канал состоит из двух частей - приемного и излучающего каналов. С учетом того, что поступательные и вращательные перемещения тележки могут приводить к смещению отдельных ее точек в системе координат вагона в пределах ±150 мм вдоль каждой из осей, система слежения должна иметь ширину и высоту поля зрения, равно как и глубину резкости, как минимум 300 мм. Современные стандартные камеры, имеющие сравнительно невысокую стоимость и обеспечивающие вывод информации в виде, пригодном для компьютерной обработки в реальном времени, имеют характерный размер порядка 1000х1000 пикселей. Учитывая величину поля зрения и размерности матриц, минимальная величина пространственного смещения, которую можно зарегистрировать при произвольной геометрии системы, составляет 0.3…0.5 мм.
Излучающий канал Излучающий канал состоит из источника света и рассеивающей линзы (рисунок 3.2). В качестве реперных источников света целесообразно использовать диодные (полупроводниковые) лазеры невысокой мощности. Они предпочтительнее светодиодов по причине более высокой монохроматичности, это позволяет организовать надежное подавление фоновых засветок с помощью узкополосных интерференционных фильтров. примерно равно 1:30 - 1:40. Расстояние от источника до приемника составляет 1-1,5м. Оптимальным местом для размещения камер является область между днищем вагона и тележкой, т.к. в данном случае частично обеспечивается защита оптических элементов от внешних загрязнений и турбулентных воздушных потоков, также для предотвращения воздействия негативных факторов агрессивной среды оптические части системы могут быть
Фокусное расстояние объективов должно быть равно 30-40 мм. Область апланатизма, т.е. область пространства, для которой обеспечивается достаточная глубина резкости изображения, располагается в этом случае в области, отстоящей от камер на (L±0.1L) или (L±0.15L), где L выбирается в диапазоне 1-1,5 м. Требования к качеству изображения в этом случае достаточно мягкие, т.к. поперечный размер изображения может варьироваться по глубине резкости системы в 3-4 раза (этой величины достаточно для обеспечения надежного выявления центра тяжести светового пятна, как при наименьшем, так и наибольшем диаметрах пятна изображения).
Указанная глубина резкости может быть получена при использовании объективов диаметром 3-5 мм (наиболее близкими аналогами являются фотообъективы с фиксированным положением, используемые в фотокамерах сотовых телефонов; при этом в данном случае исследования монохромного объекта нет необходимости корректировать хроматические аберрации).
Рассмотрим объектив с фокусным расстоянием f=40 мм, строящий изображение объекта, удаленного от объектива на Si=1000 мм. По формуле тонкой линзы расстояние до изображения S2 определяется как:
Т.о., в этом случае величина S2=41.66 мм. Допустим, что расстояние Si=1000 мм соответствует центру области перемещения изображаемого объекта. При его продольном смещении на величину 150 мм Si=l 150 мм, и, соответственно, S2=41.44 мм, т.е. смещение плоскости наилучшего видения от номинальной составит =0.22 мм. Допустим, диаметр объектива составляет d=4 мм, а его светосила составляет 1:10. Т. о., в случае точечного объекта его изображение будет иметь величину 2.44(/d)f=24.4 мкм., или, при длине волны 680 нм, 16.6 мкм. При наблюдении точки на краю расчетной глубины резкости размер пятна в изображении увеличится по сравнению с плоскостью наилучшего видения на 1/10=22мкм. Окончательный размер пятна составит примерно 40 мкм, т.е. увеличится по сравнению с оптимальным в 2.5 раз. Заметим также, что самосветящаяся природа реперного объекта позволяет использовать и меньшие диаметры объективов, т.к. проблемы передачи энергии в этом случае практически несущественны.
Каждый канал системы слежения создает уменьшенное изображение окрестности соответствующей марки - лазерного диода - в плоскости приемной матрицы. При перемещениях объекта, на котором расположены реперные источники, относительно системы объектив - матрица происходит перемещение изображения светового пятна - отклика по поверхности матрицы. Обработка результатов зарегистрированных перемещений точечных изображений в нескольких каналах позволяет вычислить значения перемещений объекта по трем координатам. Так как перемещения происходят в некотором объеме, расфокусировка точечных изображений светодиодов не должна быть значительной. Отсюда вытекает требование к светосиле объективов: она должна быть невысокой, -1:11 - 1:16. Полное угловое поле зрения должно быть около 40. Полученные параметры объективов:
В качестве регистрирующего устройства была выбрана матрица на основе технологии КМОП (комплементарный металл - окисел -полупроводник, CMOS - complementary metal oxide semiconductor). В виду необходимости автономности работы данной системы одним из основных требований, предъявляемых к матрицам, было низкое энергопотребление. КМОП-матрицы обладают таким достоинством, что позволяет применять их в составе энергонезависимых устройств малых габаритов, например, в датчиках движения и системах наблюдения.
Другим важным преимуществом КМОП матрицы является единство технологии с остальными, цифровыми элементами аппаратуры. Это приводит к возможности объединения на одном кристалле аналоговой, цифровой и обрабатывающей части (КМОП-технология, являясь в первую очередь процессорной технологией, подразумевает не только "захват" света, но и процесс преобразования, обработки, очистки сигналов), что послужило основой для миниатюризации камер для самого разного оборудования и снижения их стоимости ввиду отказа от дополнительных процессорных микросхем. В результате, информация «на выходе» представлена в удобном для хранения и обработки виде. Следует так же отметить, что КМОП-камеры дешевле ПЗС-матриц.
В условиях данной задачи недостатки КМОП-камер (такие как меньшая площадь фоточувствительного элемента, больший уровень шума) не являются существенными. В результате сравнения выбор был сделан в пользу КМОП-камер. На основании данных о параметрах оптических компонентов измерительного канала, была разработана конструкторская документация и спроектированы защитные кожухи, представленные на рисунках 3.4, 3.5 в разрезе и юстировочная подвижка(рисунок 3.6) для крепления приемного и передающего каналов (рисунок 3.7, 3.8).
Особенностью кожуха приемного канала является возможность установки дополнительных нагревающих элементов, что позволит устранить запотевание при перепадах температуры.
Оценка влияния воздушного потока на измерительную систему
Из приведенных графиков (рисунок 4.7) видно, что максимальное отклонение светового пятна от начального положения не превышает 0,01мм, что соответствует перемещению двух плоскостей друг относительно друга в пределах 0,3мм. Следует отметить, что при повышении скорости наблюдается рост СКО величины, характеризующей отклонение светового отклика, так же, как и при движении по грунтовой дороге наблюдается больший разброс случайной величины.
Как показали натурные испытания, измерительная система определения взаимного положения двух плоскостей не испытывает воздействия существенных завихрений и турбулентностей, т.к. расстояние между излучателем и приемником незначительно, по сравнению с масштабами воздушных неоднородностей, и составляет 1,5-2 м. 4.3 Результаты натурного эксперимента
Для проверки достоверности теоретических результатов диссертационной работы был изготовлен прототип системы, который позволяет имитировать движение тележки относительно кузова вагона в пределах заданных диапазонов (глава 2, таблица 2.1) и в последствии оценить правильность выбранной схемы измерений и правильность выбранных подбора компонентов.
1. Крепление источников, начальные координаты: На крепежной раме БИНС закрепляются излучательные каналы. Их положение однозначно определяется с помощью лазерного фазового дальномера (погрешность измерений которого не превышает единиц микрометров, в данной задаче точность такого порядка является избыточной, т.к. конечная юстировка будет производится с помощью микрометрической подвижки) или концевой меры (погрешность определения десятки микрометров). Источники закрепляются на равном расстоянии от точки качания тележки вагона. Фиксация источников излучения на раме обеспечивает жесткую связь и однозначное определение положения в системе координат связанной с БИНС. Угловое положение относительно плоскости крепления задается одинаковым для всех источников излучения, измерит его можно с помощью электронного угломерного инструмента (имеет встроенный электронный датчик угла) или с помощью косвенных измерений, производимых дальномером, и тригонометрических вычислений.
2. Крепление приемников: Приемники закрепляются на неподвижной раме, имитирующей днище кузова вагоны, таким образом, что расстояние между ними составляет 1,5- 2 м. расстояние от источника до приемника измеряется с помощью лазерного дальномера или концевой меры. Следует отметить, что измеряется расстояние от торца оптоволокна (как от излучателя) до плоскости приемной матрицы.
3. С помощью юстировочных винтов осуществляется тонкая настройка пары излучатель- приемник: центр тяжести светового пятна должен находится в центре поля зрения камеры (рисунок 4.15), как можно ближе к точке пересечения координатных осей, а оптические оси Рисунок 4.15- Отклики, получаемые на матрицах в процессе начальной юстировки приемного и передающего каналов должны совпадать, невыполнение этого условия может привести к потере светового пятна в пределах допустимых перемещений в процессе движения. Отклик на матрице должен иметь вид круга с размытыми краями, эллипсовидная форма отклика говорит о неправильной юстировке системы, в частности о несовпадении оптических осей приемного и передающего каналов.
Для подтверждения работоспособности математической модели выполнили следующий эксперимент (вид сверху лабораторного макета, представленного на рисунке 4.14, показан на рисунке 4.17): на тележке (2) на равном расстоянии от центра качаний (4) установлены реперные источники света(З), за которыми следят приемные матрицы (5), установленные на неподвижной раме (1), имитирующей кузов вагона. Изначально отклики получаемые на матрицах были выставлены в нулевое положение (в центр Принципиальная схема эксперимента пересечения осей координат связанных с центром приемной матрицы). Плоскость тележки и вагона параллельны друг другу. Для получения отклика камер было задано только линейное смещение по координате X, оно составило 0,01м.
Получены следующие значения смещения координат на матрице (указаны в таблице 4.2.), зная расстояние L=0,658м. По формулам 2.10 было рассчитано значение углов (К,6,4 ), затем, подставив в формулу 2.8 значения углов, были найдены линейные перемещения(Д/,х, ALy, ALZ). Таблица 4. zlУі началь ное, м конечное, м началь ное, м конечное, м началь ное, м конечное, м 0.00581 z2 0 0.02881 z3 0 -0.00662 -0.01131 У2 0 0.01280 Уз 0 -0.00317
После подстановки в формулу 2.8 получим искомые линейные перемещения: ALX = -0,011(м); Му = 0(M);ALZ = -0,001(м). Результат вычислений показал, вычисленное линейное перемещение системы отличается от истинного на 0,001 м, что соответствует требованиям, предъявляемым к точности определения линейных перемещений системы (таблица 2.1). Следует отметить, что данная погрешность наблюдается и при измерение перемещения по координате Z. Неточность результатов может быть вызвана тем, что «рельсовый путь», используемый в лабораторном макете, имеет некоторый угол наклона, в результате чего, при перемещении тележка наклоняется на малый угол и происходит смещение одной плоскости относительно другой.