Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ методов и средств диагностики рельсового пути 13
1.1 Анализ методов диагностики рельсового пути 13
1.2 Бесхордовые инерциальные методы 25
1.3 Дефекты поверхности катания рельсовых нитей 29
1.4 Обзор путеизмерительных вагонов-лабораторий российских и зарубежных разработок 32
1.5 Анализ схем построения ИСОН 39
1.5.1 Определение углового положения кузова вагона
относительно рамы тележки 42
1.5.1.1 Способ построения оптической системы измерения
взаимного положения двух плоскостей 46
1.5.2 Определение пройденной дистанции 51
1.6 Нормирование результатов измерений по нагрузке и скорости... 53
1.7 Концепция построения системы динамического мониторинга рельсового пути 65
1.8 Выводы по главе 1 68
2 Математическое описание динамического взаимодействия рельсового пути и подвижного состава 69
2.1 Постановка задачи 69
2.2 Математическая модель упругих деформаций рельсового пути.
2.2.1 Результаты моделирования 79
2.2.2 Результаты экспериментальных исследований 86
2.3 Математическая модель колебательного движения элементов вагона 92
2.4 Выработка требований к динамическим характеристикам инерциальных датчиков и систем 97
2.5 Выводы по главе 2 102
3 Система диагностики неровностей рельсового пути с использованием микромеханических модулей 104
3.1 Концепция построения 104
3.2 Алгоритм оценки дефектов поверхностей катания рельсовых нитей и колес тележки 109
3.3 Экспериментальные исследования
3.3.1 Описание процедуры монтажа 119
3.3.2 Результаты экспериментальных исследований 124
3.4 Выводы по главе 3 139
4 Специализированные системы навигации в задачах диагностики рельсового пути 140
4.1 Постановка задачи 140
4.2 Алгоритм коррекции по координатам 143
4.3 Алгоритм коррекции по скоростям 153
4.4 Интегрированные системы навигации на рельсовом пути
4.4.1 Исследование параметров модели погрешностей сигналов системы 156
4.4.2 Коррекция по СНС с привлечением СДП 159
4.4.3 Коррекция по СНС без привлечения СДП 161
4.4.4 Коррекция по скоростям, вырабатываемым ИНС 165
4.5 Результаты испытаний интегрированной системы 166
4.5.1 Система навигации на рельсовом пути в составе немецкого путеизмерительного вагона (OMWE) 166
4.5.2 Система навигации на рельсовом пути в составе путеизмерительного вагона ЦНИИ-4 173
4.6 Модель погрешности датчика пути 177
4.7 Анализ путей развития схем ИСОН на рельсовом пути 179
4.8 Выводы по главе 4 189
5 Методы и средства испытаний инерциальных измерительных модулей (ИИМ) 190
5.1 Алгоритм испытаний ИИМ согласно рекомендациям IEEE 190
5.1.1 Анализ результатов испытаний 206
5.1.1.1 Результаты калибровки триады ВОГ 206
5.1.1.2 Результаты калибровки триады ММГ 210
5.1.1.3 Результаты калибровки триады ММА 211
5.2 Модернизация алгоритмов испытаний ИИМ 213
5.2.1 ВОГ 213
5.2.1 ММГ 217
5.3Динамические методы калибровки ИИМ 221
5.3.1 Алгоритм для ВОГ 223
5.3.2 Алгоритм для ММГ 228
5.3.3 Алгоритм для ММА 230
5.3.4 Результаты экспериментальной апробации 234
5.4 Методика аттестации испытательного оборудования 244
5.4.1 Метод оценки отклонений от перпендикулярности осей многоосных стендов 246
5.4.2 Описание методики 257
5.5 Выводы по главе 5 258
Заключение 260
Список литературы
- Обзор путеизмерительных вагонов-лабораторий российских и зарубежных разработок
- Выработка требований к динамическим характеристикам инерциальных датчиков и систем
- Экспериментальные исследования
- Исследование параметров модели погрешностей сигналов системы
Введение к работе
Актуальность темы исследования определяется сохраняющейся тенденцией роста грузоперевозок, а следовательно, и интенсивности движения по железным дорогам, что в условиях развития высокоскоростного транспорта предъявляет более жесткие требования к методам и средствам диагностики текущего состояния рельсового пути. При этом вопросам динамического взаимодействия ж.д.-состава и пути должно быть уделено особое внимание, так как степень упругих деформаций рельсовых нитей непосредственно сказывается на достоверность результатов измерений геометрических параметров.
Степень ее разработанности
При анализе динамического взаимодействия ж.д.-состава и рельсового пути рассматриваются различные кинематические схемы колебательных систем вагона и пути, в большинстве случаев представляющие собой дифференциальные уравнения 5-го и более высоких порядков. Это приводит к трудностям в реализации их решений в режиме реального времени. С другой стороны, благодаря стремительному развитию вибро- и ударопрочных микромеханических гироскопов (ММГ) и акселерометров (ММА) и возможности построения миниатюрных трехосных микромеханических модулей (ММ), устанавливаемых непосредственно на крышки подшипников колесных пар, становится возможным выполнять измерения результирующих сил такого взаимодействия непосредственно в точках контакта «колесо-рельс». В свою очередь это позволит снизить порядок дифференциальных уравнений, описывающих колебательное движение элементов вагона (колесной пары, рамы тележки и кузова вагона) и получить теоретико-экспериментальное обоснование требований к бесплатформенной инерциальной навигационной системе (БИНС) в зависимости от места ее установки. В последующем такой подход даст возможность выполнять пересчет деформации пути, возникающей в процессе движения путеизмерительного вагона, к ситуации, когда по контролируемому участку будет следовать грузовой состав, обладающий существенно большей массой по сравнению с путеизмерительным вагоном (ПВ).
Одним из эффективных путей развития систем диагностики является оснащение подвижных единиц (вагона или локомотива) регулярно курсирующих составов малогабаритными комплексами среднего класса точности с различной степенью автономности, контролирующих основные геометрические параметры пути. С одной стороны это экономически более привлекательно, чем производство дорогостоящего оборудования высокоточного ПВ, требующего, в том числе привлечения группы сотрудников для его обслуживания, с другой стороны, благодаря сопоставлению результатов от проезда к проезду, становится возможным выявление участков пути с тенденцией к развитию дефектов. Тогда ремонтные работы по такому участку могут быть выполнены заблаговременно до возникновения ситуаций, требующих снижения скоростного режима или закрытия движения.
В настоящее время наиболее эффективным средством мониторинга рельсового пути остаются путеизмерительные комплексы на базе пассажирских вагонов, включаемые в составы регулярно курсирующих поездов. При этом для построения базовой системы координат, в которой производятся измерения основных геометрических параметров пути, используется интегрированная система ориентации и навигации (ИСОН), в состав которой традиционно входят БИНС, спутниковая навигационная система (СНС) и датчик пути
(ДІЇ) [1]. Однако, учитывая относительно небольшое количество подобных комплексов как в России, так и за рубежом, в качестве БИНС, привлекаются системы изначально спроектированные для морского или воздушного транспорта. Поэтому алгоритмы функционирования таких ИСОН в недостаточной мере адаптированы к условиям эксплуатации на железной дороге. В частности, задача навигации на рельсовом пути, определяющем квазипостоянную траекторию движения, сводится к определению не географических координат, а величины пройденной дистанции S. Основным источником информации об этом параметре выступает Дії, в основе которого используется датчик угла поворота колеса (одометра). Соответственно для построения эффективного алгоритма функционирования ИСОН требуется знание математической модели его погрешностей, которая характеризуется как инструментальными погрешностями - уменьшение диаметра колеса в процессе эксплуатации, так и его проскальзыванием в результате динамических процессов взаимодействия вагона и рельсового пути, приводящим, в том числе, к упругим деформациям последнего. Это приводит к проблеме воспроизводимости решения задачи локализации обнаруживаемых дефектов.
Особое внимание в процессе производства инерциальных измерительных модулей (ИИМ) и БИНС уделяется вопросам их калибровки и испытаний. При этом разработчики руководствуются стандартами IEEE, носящими рекомендательный характер и предусматривающими использование в качестве испытательного оборудования одно-, двух- и трехосных стендов в режимах угловых позиционирований и вращений с постоянными угловыми скоростями. Однако вполне логичным являлось бы выполнять испытания в режимах близких к условиям последующей эксплуатации на объекте. При этом в большинстве случаев речь идет о движениях с квазигармоническими угловыми колебаниями. В условиях инфраструктуры железной дороги ИИМ подвержен не только изменениям температуры, но и существенным электромагнитным помехам.
Указанный комплекс проблем составил предмет данной диссертационной работы и определил ее цель.
Цель работы - решение научно-технической проблемы разработки новых принципов построения систем динамического мониторинга рельсового пути, в основе которых используются последние достижения интегрированных инерциальных технологий.
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
-
Анализ методов и средств диагностики рельсового пути и формулирование тенденций развития путеизмерительных средств в условиях высокоскоростного движения, опираясь на последние достижения технологий инерциальнои и спутниковой навигации и геоинформационных систем (ГИС).
-
Разработка концепции построения ИСОН для задач диагностики рельсового пути.
3. Разработка математического описания динамического взаимодействия рельсового
пути и подвижного состава для формулирования требований к техническим характеристи
кам инерциальных систем, используемых в составе путеизмерительных средств.
-
Разработка системы диагностики рельсового пути с использованием микромеханических датчиков.
-
Анализ методов калибровки ИИМ и оценка эффективности комплексирования показаний ИИМ и испытательного стенда в режимах квазигармонических колебаний.
6. Формулирование требований к испытательному оборудованию для калибровки инерциальных датчиков и систем на их основе, а также разработка методики его поверки.
Научная новизна проведенных исследований заключается в том, что в ходе их выполнения:
разработана концепция построения ИСОН для задач диагностики рельсового пути;
предложена математическая модель динамического взаимодействия вагона и рельсового пути;
разработана система диагностики импульсных неровностей рельсовых нитей;
предложен и разработан новый метод высокоточной привязки результатов контроля рельсовых нитей к пройденному пути на основе интегрированной системы ДП/БИНС/СНС/ММ, позволяющий создать геоинформационную базу данных состояния пути;
проанализированы традиционные и предложены новые динамические методы калибровки НИМ в режимах квазигармонических колебаний.
Теоретическая значимость работы заключается в обобщении опыта построения комплексов для диагностики состояния рельсового пути, модернизации существующих и разработки новых алгоритмов их функционирования, предполагающих более эффективное использование потенциальных возможностей систем инерциальной навигации и ориентации.
Практическая значимость работы:
Сформулированы требования к техническим характеристикам ММА и ММГ для построения НИМ, устанавливаемых непосредственно на крышки подшипников колесных пар. Это позволило уточнить перечень обобщенных координат достаточных для создания математической модели, описывающей колебательные движения элементов вагона. Сформулированы требования к БИНС, установленной на раме тележки;
Разработан способ бесконтактного измерения относительного положения кузова вагона и рамы железнодорожной тележки, обеспечивающий контроль угловых перемещений с точностью 1' и линейные 1 мм, что является достаточным для приведения показаний СНС к месту расположения БИНС на раме тележки;
Разработана и реализована инерциальная система диагностики рельсового пути на микромеханических чувствительных элементах, позволившая автоматизировать процесс выявления дефектов поверхности катания рельсовых нитей и колес;
Разработаны методы и алгоритмы высокоточной привязки результатов контроля к пройденной дистанции, базирующиеся на построении ИСОН на рельсовом пути, объединяющей Дії, ИНС, СНС и ММ, которые позволяют обеспечить независимость результатов измерений от изменения скорости движения и локализовать обнаруженные дефекты с погрешностью 0,5 м на 20 км пути;
Разработаны и апробированы методы динамической калибровки гироскопов и акселерометров, позволяющие обеспечить наблюдаемость всех параметров модели нескомпен-сированных погрешностей соответствующих датчиков, а также реализовать их калибровку в заданном (рабочем) диапазоне угловых скоростей;
Разработан и реализован бесконтактный способ оценки отклонения от перпендикулярности двух осей стенда для случая, когда к ним отсутствует физическая доступность (невозможен монтаж измерительной аппаратуры).
Методология и методы исследования базируются на общей теории инерциальной навигации и теории интегрированных навигационных систем, теории измерений, теории точности, теории оптимальной обработки информации, теории кинематики и динамики твердого тела, теории колебаний, аналитической механике и векторной алгебре, теории случайных процессов и статистических методах их анализа, методах математического и имитационного моделирования.
В результате проведенных исследований получены следующие основные научные положения, выносимые на защиту:
-
Концепция построения системы динамического мониторинга рельсового пути, использующая ММ в качестве измерителей результирующих сил в точках контакта «колесо-рельс», позволяет повысить степень воспроизводимости результатов вне зависимости от скорости и массы вагона.
-
Математическое описание динамического взаимодействия рельсового пути и подвижного состава, предполагающее использование в качестве измерителей результирующих сил в точках контакта «колесо-рельс» показания ИИМ на МЭМС, дает возможность сформулировать требования к БИНС при ее установке на раме тележки.
-
Система диагностики неровностей рельсового пути с использованием ММ создает предпосылки для автоматизации процедуры выявления не только дефектов поверхности катания рельс, но и колес измерительной тележки, что также повышает точность измерений традиционными хордовыми методами.
-
Комплексирование ДП/БИНС/СНС с привлечением в качестве дополнительных навигационных отметчиков (НО) - стыки, стрелочные переводы и пр., позволяет сформировать единую для всех ПВ геоинформационную базу состояния рельсового пути, которая может быть использована в дальнейшем, как для коррекции инерциальных систем, так и для формирования прогноза развития дефектов.
-
Динамические методы калибровки, предполагающие комплексирование показаний ИИМ и испытательного стенда при квазигармоническом изменении угловых скоростей с прохождением через угловые положения, используемые традиционными методами, обеспечивают наблюдаемость и требуемую точность всех искомых параметров модели погрешностей при существенном сокращении времени испытаний.
Степень достоверности и апробации результатов.
Достоверность результатов исследований определяется их использованием при создании следующих измерительных комплексов:
-
Малогабаритная инерциальная система диагностики рельсового пути (МИСД РП-М) (ОАО «Радиоавионика»);
-
Блок интеграции БИ-1.0 данных БИНС, СНС и ДП (Группа компаний ТВЕМА);
-
Стенд для испытаний инерциальных навигационных систем СИ ИНС (ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»);
-
Стенды двухосные автоматизированные СДА-15, СДА-2Т и СТА-IT (ООО «ИНЕРТЕХ», СПбГЭТУ «ЛЭТИ»),
прошедших приемо-сдаточные испытания с привлечением метрологических служб и ВНИИМ им. Д.И. Менделеева.
Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на российских и зарубежных конференциях, симпозиумах, выставках и семинарах: Национальном симпозиуме с международным участием "Аэрокосмические приборные технологии" (Москва, 1999), Международном симпозиуме Gyro Technology (Германия, Штутгарт, 2001), Семинаре по физике и астрономии (С.-Петербург, Физико-технический институт имени А.Ф. Иоффе, 2002), НТК «Технические науки -промышленности региона» (С.-Петербург, СПбГТУ, 2002), 57-ой научно-технической конференции, посвященной Дню радио (С.-Петербург, СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, 2002), Всероссийской НТК "Лазеры, измерения, информация" (С.-Петербург, 2000, 2001, 2003), НТК памяти Н. Н. Острякова "Навигация и гироскопия" (С.-Петербург, ОАО "Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»»", 2000-2008, 2012), Третьей Всероссийской НТК «Измерения и испытания в судостроении и смежных отраслях» СУДОМЕТРИКА-2010 (Санкт-Петербург, 2010), НТК молодых ученых "Навигация и управление движением" (С.-Петербург, ОАО "Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»»", 2000-2008), Международном научно-практическом семинаре «Конструкция железнодорожного пути и вопросы технического обслуживания высокоскоростных магистралей» (С.-Петербург, ПГУПС, 2010), Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам (С.-Петербург, ОАО "Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»»", 2011), I международной НИК «Интеллектуальные технологии на транспорте» (С.-Петербург, 2011), Международном симпозиуме "Инерциальные сенсоры и системы" (Германия, Карлсруэ, 2012), Общероссийском семинаре «Современные методы навигации и управления движением-2012» (Москва, 2012), Заседании Объединенного ученого совета ОАО РЖД (Москва, 2012), Международном МЭМС-ФОРУМ 2012 (Москва, 2012), на профессорско-преподавательских конференциях СПГЭТУ "ЛЭТИ" (2000 - 2012) и СПбГИТМО (ТУ) (2000 - 2001), а также научно-технических выставках: 7th International Exhibition of Equipment (Базель, Швейцария, 2003), Промышленник (Санкт-Петербург, 2011, 2012), InnoTrans 2012 (Берлин, Германия, 2012), Raillog Korea Railways & Logistics Fair (Южная Корея, 2013).
Основные теоретические и практические результаты диссертации изложены в 98 публикациях, среди которых 3 монографии, 3 учебных пособия, 22 статьи в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК, 13 патентов на изобретения и полезные модели, 5 статей в других изданиях, 52 - в научных сборниках и трудах российских и международных конференций.
Структура и объем диссертационной работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и библиографического списка использованной литературы, включающего 174 наименования. Основная часть работы изложена на 280 страницах машинописного текста. Работа содержит 199 рисунков и 20 таблиц.
Обзор путеизмерительных вагонов-лабораторий российских и зарубежных разработок
Уровень - взаимное положение рельсовых нитей в поперечной плоскости по высоте, определяемое как взаимное положение по высоте средних точек головок рельсов, измеренных по нормали к рихтовочной нити и приведенное к измерительной базе (Г-2t, см. рис. 1.4) h = I sin(9 - 90ТН) при 90ТН = arcsin ——-. (1.2) Данный параметр измеряется (рис. 1.8) с привлечением показаний ИНС (в - положение по углу крена Oxyz относительно ГСК), системы Б-К (9отн) и шаблона /. При этом особое внимание должно уделяться вопросам монтажа ИНС. В случае установки ИНС на кузове вагона (рис. 1.8) система координат Oxyz должна быть совмещена «физически» или «аналитически» с OXKJKZK- ЭТО может быть выполнено в условиях стоянки с привлечением дополнительных средств. Например, для юстировки уровня - ручной шаблон.
Уровень является одним из ключевых параметров, так как железнодорожный путь характеризуется такими участками как: прямые, переходные кривые, круговые кривые. Переходными кривыми называются участки дороги длиной не менее 20 м переменного радиуса, посредством которых осуществляется плавный переход с прямого участка в круговую кривую постоянного радиуса.
Для компенсации центробежного ускорения вагона при прохождении криволинейных участков пути, наружный рельс укладывается выше внутреннего. Возвышение наружной нити на криволинейных участках пути зависит от радиуса кривой и не должно превышать 150 мм. Верх головок рельсов обеих нитей пути на прямых участках должен быть в одном уровне. Разрешается на прямых участках пути содержать одну рельсовую нить на 6 мм выше другой в соответствии с нормами, установленными соответствующей инструкцией МПС России [2]. Кривизна рельсовой колеи определяется по изменению угла поворота скользящей вдоль пути хорды длиной, равной базе вагона (17 м), в горизонтальной плоскости [1], [11]. Угол поворота определяется по курсовому углу (азимуту продольной оси кузова), измеряемого ИНС. Кривизна используется для расчета параметров кривых.
Отклонения от прямолинейного положения в плане прямых участков пути (по измерению азимутального угла кузова вагона);
Горизонтальные и вертикальные ускорения кузова, учитывая стремительно развивающееся высокоскоростное движение (более 80 км/ч), уделяется особое внимание, так как они позволяют судить о динамическом (интегральном) воздействии параметров устройства и содержания рельсовой колеи на пассажирский подвижной состав. Количественно ускорения кузова оцениваются величинами среднеквадратических отклонений и количеством превышений пороговых значений на километровых отрезках пути [1], [14].
Проектное значение уровня рельсового пути на криволинейном участ ке определяется его радиусом и планируемой скоростью движения ж.д. составов, что обеспечивает распо ложение проекции вектора суммар ного ускорения на вертикальную плоскость по нормали к полотну (рис. 1.9). Соответственно, в случае нарушений по каким-либо причи нам параметров рихтовки, уровня или текущей скорости движения, возникают так называемые неском пенсированные ускорения, которые для обеспечения безопасности дви- Рисунок 1.9 жения не должны превышать 0,7 м/с . Данный тип ускорений также подпадает под так называемый класс «вредных», которые при реализации алгоритмов ИНС следует измерять для последующей коррекции сигналов акселерометров. В работах [21]-[29] в рамках разработки специализированных аналитических гировертикалей с усеченным составом чувствительных элементов были предложены следующие методы:
С привлечением ИНС и ее датчиков: как длина вектора разности проекций векторов суммарного ускорения и ускорения свободного падения g на перпендикулярную оси рельсового пути плоскость (рис. 1.9): «ц.с. = № +W?-g2 cos2 v/ = W2+W2-g2. как разность текущего ускорения Wx, измеренного поперечным акселе рометром, и вычисленного поперечного ускорения с учетом углов, вы работанных на предыдущем такте:
Без привлечения инерциальных датчиков: как отношение квадрата скорости движения объекта, полученной по да тированным отсчетам одометра о у., деленного на радиус циркуляции /?,: au.c,-=4./V При этом Щ может быть определен: где d - база между центрами ходовых тележек (рис. 1.5, L); ссг - угол между продольными осями кузова вагона и тележки (рис. 1.10). Рисунок 1.10 в качестве еще одного неинерциального источника дополнительной информации о текущем радиусе циркуляции может выступать канал измерения рихтовки (см. рис. 1.3), так как в этом случае речь идет об определении радиуса описанной окружности треугольника с известным взаимным положением координат вершин (точки лі, л2 и лЗ для рис. 1.3). из паспорта кривой. Ri=vy./AKi, где AKj определяется дифференцированием АК[ по показаниям ПА СНС: АК{ = arctg /A O-arctg /A -iJ-V,-, где Д, Аг) - приращения географических координат антенны ПА СНС, установленной на крыше вагона; 7/ _ угол рыскания кузова вагона относительно рельсового пути.
Так как оценки центростремительного ускорения получаются по информации различных каналов, то их погрешности будут иметь различные спектральные плотности. Поэтому для повышения точности определения йц с целесообразно применить комплексирование (интегрирование) приведенных оценок [29]-[35] . Комплексированные оценки могут находиться как, например, среднее арифметическое или среднее геометрическое, полученные из исходных оценок, либо с использованием оптимальной фильтрации. БИНС-1М БИНС-2М БИНС-Тек
На современных ПВ во всем мире активно внедряются бесплатформенные ИНС (БИНС). Одной из первых разработок, реализующих бесплатформенные технологии и сориентированных на использование в составе ПВ, можно считать аналитические гировертикали с усеченным составом инерциальных датчиков (рис. 1.11). В настоящее время на отечественном рынке активно внедряются системы производства ЗАО НПК «Электрооптика» (г. Москва) БИНС-1М и БИНС-2М на лазерных гироскопах. Кроме этого, учитывая стремительное развитие волоконно-оптических гироскопов, может рассматриваться продукция, например фирмы Текнол БИНС-Тек (г. Москва).
Выработка требований к динамическим характеристикам инерциальных датчиков и систем
Важным моментом, необходимым для достижения достоверного контроля геометрических параметров пути, является воспроизводимость результатов измерения, обусловленная зависимостью значений вертикальных неровностей от нагрузки на рельсовые нити, состоянием балласта (влиянием температуры окружающей среды на упругость основания), скоростью движения вагона. Вертикальные неровности рельсового пути, обнаруживаемые при измерении под нагрузкой, такие как поперечный уровень, продольный уклон и просадка, в основном обусловлены характером распределения вертикальной жесткости пути по продольной координате. Изменение жесткости пути по его протяжению носит случайный характер. Значения жесткости пути существенно зависят от рода шпал (деревянные или железобетонные), балласта, жесткости применяемых в скреплениях прокладок и от климатических условий [8], [76], [77]. Краткий обзор методов, используемых для оценки жесткости пути, был приведен в главе 1.
Поэтому контроль геометрических неровностей рельсового пути без учета кинематической схемы используемого ПВ не позволяет спрогнозировать состояние пути при движении по контролируемому участку других вагонов с отличными характеристиками как по массе, так и по скорости движения.
Вопросами динамики вагона занимались такие заслуженные ученые, как Попов А.А., Короткевич М.А., Винокуров М.В., Львов А.А., Хохлов А.А., Анисимов П.С, Хусидов В.В. [78]-[84]. В работах данных авторов изложены основы теории свободных и вынужденных колебаний вагона с учетом трения в рессорном подвешивании, результаты исследований колебаний вагонов в системе поезда, движущегося по упругому рельсовому пу ти, а также явления резонанса при колебаниях вагона под действием периодических неровностей.
А.Я. Коганом [5], [8] разработаны статистические методы определения сил взаимодействия и характеристик напряженного и деформированного состояния пути. О.П. Ершковым [85] предложен обобщенный аналитический метод определения поперечных сил в круговых кривых и дана оценка воздействия на путь различных типов подвижного состава в кривых. Л. О. Грачевой [86], [87] разработаны принципиальные основы статистической теории вынужденных колебаний вагона. В.Д. Дановичем [88], [89] исследованы пространственные колебания вагонов на инерционном пути. В работах Ю. С. Ромена проанализированы методы расчетов динамических процессов в подвижном составе с учетом неровностей железнодорожного пути, рассмотрены вопросы динамических деформаций рель-сошпальной решетки [90], [91].
Стоит отметить, что в существующих на сегодняшний день моделях используются дифференциальные уравнения 4-ого и 5-ого порядков, поэтому их достаточно сложно реализовать на практике. Более сложные модели сопряжены с большим объемом вычислений, трудоемким и длительным приведением многочисленных параметров к заданному строению пути.
При расчетах напряженно-деформированного состояния пути наибольшее распространение получила расчетная схема рельса и шпалы как балок на сплошном упругом основании, удовлетворяющем гипотезе Фусса-Винклера, т.е. связь между действующей от рельса на основание распределенной нагрузкой и его осадкой под действием этой нагрузки принимают линейной. Но в модели Винклера присутствуют уравнения, которые:
1) применимы только в условиях статического нагружения, что не приемлемо при оценивании влияния динамического взаимодействия, имеющего место при реальном движении транспорта; 2) учитывают внутренне демпфирование, но рассматриваются только для стационарных процессов.
Уравнения колебаний балок Бернулли-Эйлера и Тимошенко [92] дают возможность для исследования динамической жесткости распределенной упругой системы в движущемся контакте. Стоит отметить, что знание динамической жесткости пути важно при анализе колебаний, возникающих в высокоскоростном диапазоне. Анализ данных уравнений проводится в частотной области, эквивалентная динамическая жесткость рассматривается как функция скорости движения объекта. Для построения зависимости динамической жесткости балки от частоты необходимо знать комплексные корни полиномов, это связано также с большим объемом вычислений и применением дополнительных программ. В качестве возмущений для ПВ на высоких скоростях (более 160 км/ч) следует учитывать, в том числе, появление аэродинамических сил. Так, например, работе [93] анализируется аэродинамика двух высокоскоростных составов, идущих встречными курсами со скоростями 380 км/ч (рис. 2.1). На рис. 2.2 приведены поперечные силы, действующие на головной вагон при движении составов в различных условиях: на мостах на высотах 10, 12 и 15 м, на насыпи высотой 5 и 7 м, и на балласте.
В работе [95] изучаются динамические свойства макета рельсового пути на балластной основе. На рис. 2.4 представлен график зависимости переменной нагрузки, которая должна быть приложена к макету, для того чтобы деформировать путь на некоторую величину. Моделировались различные скорости движения состава: 160, 320 и 400 км/ч. Авторами предлагаются масштабные коэффициенты для пересчета моделируемых значений величин к величинам, соответствующим реальному пути. Так, масштабный коэффициент для силы составляет 1/27, для деформации - 1/3, для скорости - 1/л/З.
Анализ показал, что при максимальных скоростях движения отечественных ПВ 160 км/ч, используя график рис. 2.4 с учетом рис. 2.2 и 2.3, степень подобных перераспределений нагрузки на путь приведет к дополнительным деформациям на уровне сотых долей миллиметра, что, согласно табл. 1.2, является несущественным. Дальнейшие исследования будут строиться по следующей схеме: 1) разработка математической модели рельсового пути, выработка требований к датчикам, располагаемым на буксовых узлах тележки вагона; 2) проведение экспериментальных промеров динамической составляющей и уточнение перечня необходимых и достаточных обобщенных координат, описывающих движение элементов конструкции железнодорожного вагона; 3) разработка математической модели вагона, для исследования которой возмущающие воздействия будут формироваться по экспериментальным записям вертикальных ускорений по показаниям ММА, входящих в состав ММ, установленных согласно предложенной концепции (см. главу 1, рис. 1.39) на крышках буксовых узлов колесных пар ходовой тележки. Предлагается рассматривать путь в виде балки, расположенной на опорах, которые могут совершать вертикальные перемещения, то есть являются подвижными опорами.
Так как в качестве рельса берется абсолютно ровная балка, расположенная на опорах [66], [96], то для исследования силовых неровностей, связанных с давлением нагрузки на рельс, необходимо рассматривать модель изогнутой оси балки при статическом и динамическом нагружении.
Простейший случай расположения балки длиной L на трех опорах приведен на рис. 2.5, а. Так как целью разработки модели является выработка требований к АЧХ точек креплений ММА на буксовых узлах, рассматривается модель с отсутствием демпфирующих устройств. Крайние опоры являются неподвижными, а промежуточная - имеет возможность перемещаться (для этого используется пружина жесткостью А,пр). Сила Р прикладывается на расстояние хі от левого конца балки. Величина прогиба балки и форма ее изогнутой линии определяются методом сложения сил, известным из теории сопротивления материалов [97], [98]. Для нахождения результирующего прогиба балки под действием нагрузки рассматриваются следующие этапы. Во-первых, исключается промежуточная опора и находится прогиб балки у\, лежащей только на двух крайних опорах, под нагрузкой Р (рис. 2.5, б). Значение этого прогиба в точке, где расположена промежуточная опора, обозначается у\. Так как подвижная промежуточная опора рассматривается в виде пружины, то под действием силы упругости Fynp опора переместится на величину у2 и значение прогиба балки в точке расположения опоры станет Ау. Этот результирующий прогиб Ау необходимо найти.
Экспериментальные исследования
Результаты определения взаимной ориентации БИНС и ММ. После записи показаний БИНС на буксах и хребтовой балке полученные значения курсов, углов крена и тангажа приводятся к единой системе координат (учитывается различное положение БИНС под кузовом и на буксах). Графики изменения углов ориентации БИНС в процессе определения взаимной ориентации датчиков приведены на рис. 3.10-3.12.
Можно отметить, что графики имеют ступенчатый вид и воспроизводятся по результатам повторных измерений (отличие углов тангажа и крена в двух экспериментах находится в пределах нескольких угловых минут, а угла курса - десяти угловых минут, и характеризуется погрешностью БИНС).
Так как в процессе определения ориентации датчиков БИНС начинает и заканчивает свой путь на ПУ, то значения углов на первой и последней "полочках" графика должны быть одинаковы с точностью до погрешности БИНС. Однако при подробном рассмотрении графика изменения курса можно видеть уход показаний БИНС с течением времени (следствие автономного режима). Таким образом, имеется линейно нарастающая во времени погрешность в измерении курса. Для ее исключения можно воспользоваться повторяемостью измерений (БИНС в конце эксперимента должна показывать то же значение курса, что и в начале). Можно представить курс, полученный по показаниям БИНС, следующим выражением: К = К0+ 1, (3.3) At где К - курс; KQ - значение угла курса в начале измерений (на хребтовой балке); ДА - изменение курса за время осуществления процедуры определения ориентации датчиков (от начала измерений до его окончания на хребтовой балке); At - время, за которое была осуществлена процедура определения ориентации датчиков; t - время, прошедшее с начала эксперимента.
На рис. 3.16 приведен результат идентификации дефекта поверхности катания, возникшего при пробуксовке ведущих колес локомотива в момент трогания и получившего название "пробуксовка". На рис. 3.17 и 3.18 приведены результаты измерения реакций буксовых узлов на возмущения в виде стыков рельсовых нитей, из видеоизображения которых могут быть сделаны соответствующие выводы. Однако качество данных участков может быть оценено и по показаниям ММ (по амплитудам реакций) [76].
Влияние состояния поверхности катания колес вагона на результаты измерений датчиками было обнаружено в ходе обработки показаний ММ в экспериментальных проездах на участке Завидово - Тверь (16-20 декабря 2011 года, плановые скорости движения 100 - 160 км/ч). Внутри одного оборота колеса были выявлены периодические отклонения в сигналах каждого из трех вертикальных микромеханических акселерометров, входящих в состав ММЗ (на рис.3.19 и далее ускорения разнесены по оси ординат для наглядности, а разброс значений ускорения 100 м/с2 при скорости 152 км/ч (3.1) соответствует неровности порядка 0,13 мм). Выбросы повторяются вне зависимости от скорости и направления движения с периодичностью 3м, что обусловлено наличием неровности именно на поверхности катания колеса (длина окружности 950л = 2984мм). боки 50--100 -150 2 - W»«» %vWyVWW «WvW женными на буксе данного колеса (ММЗ), но и расположенными на противоположной стороне (ММ1, см. рис. 3.21). Корреляция со следом идущим ММ2 имеет место только в случае наличия неровности на поверхности катания рельса, интервал корреляции при этом составляет 2,4м - базу тележки.
При обработке данных одного из экспериментальных проездов со скоростью движения 118 км/ч по показаниям ММ1 был вновь обнаружен дефект поверхности катания колеса (ММ2 - следом идущее по рельсовой нити колесо тележки) (рис. 3.22).
Определение дефекта на поверхности катания колеса На рис. 3.23 периодические удары, зафиксированные одним из акселерометров, сведены по шкале датчика пути к одному обороту, что также подтвердило наличие дефекта на поверхности катания колеса.
Таким образом, при проведении автокорреляционного анализа сигналов вертикальных акселерометров каждого из ММ на пространственном интервале Зм, имеется возможность выявлять дефекты на поверхности катания колеса (периодические удары в сигналах акселерометров), а также некруглость колеса (гармонический характер ускорений).
Проведение обработки, алгоритм которой подробно описан в п. 3.2., было осуществлено с использованием данных, полученных при экспериментальных проездах на одноколейном участке рельсового пути Дмитро-воград - Обамза. После проведения корреляционного анализа и статистической обработки был получен ненормированный профиль (без учета длины волны неровности в (3.1)) для каждого из колес ходовой тележки вагона, на которой располагались ММ (см. рис. 3.24 и рис. 3.25). СКО для каждого из полученных профилей приведены на рис. 3.26 и рис. 3.27.
Исследование параметров модели погрешностей сигналов системы
Для определения случайных составляющих сдвигом нулей гироскопов Дсо[ используется метод вариаций Аллана - метод представления среднеквадратичного отклонения (СКО) случайного дрейфа гироскопа (а(т)) в зависимости от времени усреднения (х) [10], [155]. На рис. 5.3 показана теоретическая зависимость СКО Аллана, приведенная в стандартах IEEE [10].
Зависимость изменения СКО Аллана строится в логарифмическом масштабе от времени усреднения и аппроксимируется следующим полиномом [10]: где Е - коэффициент случайного углового ухода (Angle Random Walk); В - коэффициент нестабильности смещения нуля (Bias Instability); R - коэффициент линейного изменения угловой скорости (Rate Ramp); Q - коэффициент шума квантования (Quant Noise); К - коэффициент случайного ухода угловой скорости (Rate Random Walk). Quant. Noise - шум квантования (наклон = -1); Angle Random Walk - случайный дрейф угла (наклон = -1/2); Correlated Noise - коррелированный шум; Sinusoidal - синусоидальный шум
Случайный угловой уход. Эта компонента обусловлена спонтанным излучением фотонов, которое всегда присутствует в выходе источника и носит название квантовой границы. Другие частотные шумовые составляющие, которые имеют время корреляции много меньше, чем период измерения, также могут вносить свой вклад в случайный угловой уход гироскопа. Однако большинство из этих источников можно устранить на стадии разработки. Все эти случайные составляющие характеризуются спектром белого шума в выходном сигнале ВОГ.
Нестабильность сдвига нуля. Источник этого шума - электроника или другие компоненты, чувствительные к случайным мерцаниям (фликкер-шумам). Из-за низкочастотной природы, они проявляются как флуктуации систематической погрешности.
Случайный уход угловой скорости. Этот случайный процесс не имеет определенного источника, возможно это предельный случай экспоненциально коррелированного шума с очень большим временем корреляции. Представляется как прямая с наклоном +1/2 на двулогарифмическом графике а(т).
Линейное изменение (отклонение) угловой скорости. Для больших, но конечных временных интервалов это скорее детерминированная ошибка, чем случайный шум. Ее присутствие в данных может показывать очень медленное монотонное изменение выходной интенсивности ВОГ, сохраняющееся на длительном отрезке времени.
Кроме приведенных основных случайных составляющих в ряде случаев приходится учитывать Марковский коррелированный шум с определенной амплитудой и временем корреляции и гармонические сигналы, присутствующие в реализациях по различным причинам. Шум квантования обусловлен цифровой природой выхода ВОГ.
Таким образом, любое количество случайных процессов, описанных выше, может присутствовать в сигнале ВОГ. Практика показывает, что в большинстве случаев различные шумовые составляющие проявляются на разных участках времени усреднения. Это позволяет идентифицировать различные случайные процессы, содержащиеся в сигнале. Если предположить, что все имеющиеся в данных случайные процессы статически независимы, то можно показать, что вариации Аллана для любого х есть сумма вариаций Аллана для индивидуальных случайных процессов для того же т. То есть, оценка амплитуды отдельно взятого случайного шума на любом отрезке времени усреднения требует знания амплитуд других шумовых составляющих на данном отрезке.
Для определения вариаций Аллана проводилась запись показаний гироскопов в течение 8 суток с частотой съема данных 1 Гц [150], [156]. На рис. 5.4 показана зависимость а(т) для х-гироскопа.
В выходном сигнале данной модели ВОГ можно выделить два основных случайных процесса, оценка уровней которых дает следующие составляющие: случайный угловой уход и нестабильность сдвига нуля. Случайный угловой уход характеризует точность датчика, которая ограничивается уровнем «белого» шума в выходном сигнале угловой скорости гироскопа. Численное значение данного параметра может быть получено путем построения прямой линии наклоном -0,5 и определения значения СКО в точке т = 1 (см. рис. 5.4 - линия синего цвета): 2,28-Ю- /с/уГц =0,015/л/ч . Случайный угловой уход характеризует скорость нарастания интегрированного сигнала (угла) со временем. То есть для данной модели ВОГ погрешность в оценке угла составит за 1 минуту работы 0,002, за 30 минут - 0,01.
Причиной нестабильности сдвига нуля является, так называемый, фликкер-шум, источником которого служит электроника. Величина нестабильности сдвига нуля получена как минимальное значение о(т) на участке кривой Аллана с нулевым наклоном за период времени, равный 400 с (см. рис. 5.4). Данная составляющая проявляется на значительных временах
