Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ методов и средств диагностики рельсового пути 10
1.1 Параметры рельсового пути и методы их измерения 10
1.2 Средства контроля состояния рельсового пути 18
1.3 Конструкционная и алгоритмическая основа инерциальной системы мониторинга рельсового пути 25
1.4 Выводы по главе 1 28
Глава 2 Выработка требований к бесплатформенной инерциальной системе в задачах диагностики рельсового пути 31
2.1 Постановка задачи 31
2.2. Математическая модель колебательного движения элементов вагона 33
2.3. Применение математической модели вагона для выработки требований к бесплатформенной инерциальной навигационной системе 52
2.4 Выводы по главе 2 61
Глава 3 Навигация на рельсовом пути, с использованием стыков в качестве навигационных отметчиков 63
3.1 Положение рельсового пути в плане, особенности навигации на рельсовом пути 63
3.2 Учет влияния горизонтальных неровностей на процесс измерения параметров рельсового пути 72
3.3 Использование датчиков микромеханических в задаче коррекции одометра 78
3.4 Выводы по главе 3 87
Глава 4 Метод диагностики неровностей поверхности катания рельсов с использованием микромеханических датчиков 89
4.1 Анализ недостатков существующих методов 89
4.2 Алгоритм оценки дефектов поверхностей катания рельсовых нитей
4.3 Экспериментальные исследования
- Средства контроля состояния рельсового пути
- Применение математической модели вагона для выработки требований к бесплатформенной инерциальной навигационной системе
- Учет влияния горизонтальных неровностей на процесс измерения параметров рельсового пути
- Алгоритм оценки дефектов поверхностей катания рельсовых нитей
Средства контроля состояния рельсового пути
Железнодорожный путь (ЖП) – сложный комплекс линейных и сосредоточенных инженерных сооружений и обустройств, расположенных в полосе отвода, образующих дорогу с направляющей рельсовой колеёй; предназначен для бесперебойного круглогодичного движения подвижного состава. ЖП состоит из верхнего строения пути, земляного полотна с укрепительными устройствами и сооружениями, водоотводными и регуляционными сооружениями, а также искусственных сооружений, специальных защитных устройств на полосе отвода.
Верхнее строение пути состоит из рельсошпальной решетки, образованной рельсами, соединенными между собой стыковыми накладками, а со шпалами – промежуточными скреплениями, заглубленными в балластный слой, который вне искусственных сооружений опирается на основную площадку земляного полотна.
Расстояние между рабочими кантами рельсов зависит от соответствующих размеров колесных пар и колеблется в значительных пределах (от 500 до 1676 мм). Тип верхнего строения пути в значительной мере определяется линейной плотностью укладываемых рельсов, а также зависит от густоты движения (грузонапряженности), осевых нагрузок, скоростей движения. Конструкция строения пути может быть звеньевой с рельсами длиной обычно до 60 м (на отечественных железных дорогах – 25 м) и бесстыковой, уложенной сварными плетями длиной до 1500–2500 м [3].
Нормативы и технические требования по сооружению верхнего строения железнодорожного пути жестко регламентированы. В частности для самой распространенной в России ширины колеи 1520 мм, они установлены «Инструкцией по устройству верхнего строения железнодорожного пути» (ВСН 94-77 [4]).
Параметры, подлежащие контролю при сооружении и эксплуатации рельсового пути (РП), весьма разнообразны: контролируется геометрия рельсовой колеи (РК), внутренние дефекты рельсов, состояние балластного слоя и земляного полотна, а также объектов путевой инфраструктуры. Параметры РП, характеризую 11 щие его геометрию можно разделить на две группы: собственно, геометрические параметры РК и дефекты поверхности катания рельсов.
Геометрическими параметрами рельсовой колеи являются положения рельсовых нитей в профиле, плане, по уровню и по расстоянию между ними [1].
Ширина колеи определяется по расстоянию между боковыми гранями рельсов на глубине 13 мм ниже поверхности катания и оценивается по величине отклонения от номинального размера ширины колеи (таблица 1.1) [5].
Измерение ширины колеи осуществляется либо контактным (расстояние между специальными роликами), либо оптическим методом (расстояние между отсканированными профилями левого и правого рельса). При этом следует отметить, что отклонения в ширине колеи (шаблона) на прямых и кривых участках пути при сдаче в эксплуатацию всех линий на деревянных или железобетонных шпалах не должны превышать по уширению 4 мм и по сужению 3 мм.
Просадки рельсовых нитей характеризуют неровности рельсовых нитей в продольной плоскости длиной от 2 до 6 м. Определяются с помощью датчиков линейных перемещений (ДЛП) по каждой рельсовой нити по разности вертикальных перемещений ходовых колес относительно кузова вагона. Просадки рельсовых нитей также могут быть получены с использованием инерциальных датчиков: микромеханические модули, содержащие акселерометры и гироскопы и установленные на буксах колесных пар ходовых колес вагона, позволяют построить траекторию движения колес вагона, а значит, и измерить пространственное положение рельсов [2].
Взаимное положение рельсовых нитей по уровню определяется с помощью инерциальной навигационной системы (ИНС) по наклону кузова вагона к плоскости горизонта и двух ДЛП, определяющих наклон цилиндрической колесной пары относительно кузова вагона в поперечной плоскости. Отклонения в уровне расположения рельсовых нитей от установленных норм как на кривых, так и на прямых участках пути допускается не более чем 4 мм.
Перекосы на базе ходовой тележки (короткие) пропорциональны углу между осями 3-й и 4-й (по ходу движения) колесных пар в вертикальной поперечной плоскости. Характеризуют короткие неровности длиной до 5 м, вызывающие непараллельность колесных пар тележки. Определяется с помощью четырех ДЛП, установленных на некотловой тележке.
Уклон продольного профиля определяется на базе кузова с помощью ИНС, измеряющей наклон кузова к горизонту в продольной плоскости, и ДЛП, установленных на 2-й и 4-й осях и измеряющих угол галопирования кузова.
Кривизна пути в плане определяется по изменению угла поворота скользящей вдоль пути хорды длиной равной базе вагона (17 м) в горизонтальной плоскости. Угол поворота определяется по курсовому углу (азимуту продольной оси кузова), измеряемому ИНС, с учетом виляния кузова [6].
Длинные неровности пути в профиле и плане, в соответствии с [3], это - отклонения от низкочастотной плавной огибающей осевой линии пути в профиле и плане, рассчитанной как текущее среднее значение паспортного положения, усредненное на интервале L. Инфранизкие частоты, соответствующие неровностям длиннее заданного диапазона отфильтровываются: для участков пути со скоростями движения до 120 км/ч длинные неровности (более 50 м), как правило, не учитываются; для скоростей 140 - 160 км/ч учитываются и оцениваются неровности в плане и профиле длиной до 100 м; для скоростей 160 - 200 км/ч учитываются и оцениваются неровности в плане и профиле длиной до 150 м; для скоростей 200 - 250 км/ч учитываются и оцениваются неровности в плане и профиле длиной до 200 м.
Для скоростного и высокоскоростного движения поездов должны быть ограничены величины неровностей длиной от 40 до 200 м, т.к. они существенно влияют на динамику поезда и комфорт пассажиров [3].
Также следует отметить, что для получения обобщенного количественного показателя, характеризующего состояние геометрии рельсовой колеи на заданных отрезках пути (пикетах, километрах, перегонах) по всей совокупности имеющихся на отрезке неровностей используются статистические характеристики геометрических параметров пути. Они рассчитываются по результатам измерения просадок, плавных отклонений уровня и перекосов.
Применение математической модели вагона для выработки требований к бесплатформенной инерциальной навигационной системе
Полученная математическая модель вагона может быть использована для определения условий работы датчиков и систем в зависимости от мест их уста-новки на подвижной единице. Но решение этой задачи требует интегрирования дифференциальных уравнений. При этом аналитическое интегрирование системы дифференциальных уравнений с большим количеством переменных и сложными перекрестными связями не может быть осуществлено.
В результате модель была построена в системе MatLab Simulink, где инте-грирование осуществлялось численными методами.
«Первый (верхний) уровень» модели содержит блоки «Vozdejstvija», «Kole-snye pary», «Hodovye telejki», «Kuzov vagona», а также блоки передачи перемен-ных, визуализации и сохранения данных, связанные друг с другом как это показано на рисунке 2.3. Блоки «Kolesnye pary», «Hodovye telejki», «Kuzov vagona» содержат, в свою очередь, еще три уровня модели для колесных пар, ходовых теле-жек и кузова вагона, соответственно. Блок «Vozdejstvija» – выдает на выход воздействия в виде сил (F1…8), действующих на каждое из колес подвижной единицы. Силы при этом могут как моделироваться внутри блока в виде некоторых стан-дартных воздействий (для проверки адекватности построенной модели), так и за-даваться с использованием записанных в ходе экспериментального проезда показаний датчиков ИСМ РП.
Внешний вид блока «Hodovye telejki» «второго уровня» Simulink-модели (состоит из блоков решения уравнений для обобщенных координат z, , тележек; переменных на входе и выходе и связей между ними)
«Второй уровень» Simulink-модели содержит блоки «PoiskZ», «PoiskGAM», «PoiskTET», а также блоки передачи переменных, связанные друг с другом как это показано на рисунке 2.4. Блоки «PoiskZ», «PoiskGAM», «PoiskTET» содержат, в свою очередь, еще два уровня модели для обобщенных координат z, , , соот-ветственно, колесных пар, ходовых тележек или кузова вагона (в зависимости от того в каком блоке верхнего уровня они находятся).
«Третий уровень» Simulink-модели содержит блоки решающие каждое кон-кретное дифференциальное уравнение из полученных в п. 2.2, а также блоки передачи переменных, связанные друг с другом. Например, на рисунке 2.5 пред-ставлены блоки «PoiskGAM1» и «PoiskGAM2», находящиеся внутри блока «PoiskGAM», который, в свою очередь находится внутри блока «Hodovye telejki». В этих блоках осуществляется решение дифференциальных уравнений для обоб-щенной координаты первой и второй тележек, соответственно. И наконец, «Четвертый (нижний) уровень» модели содержит собственно ал-горитм решения конкретного дифференциального уравнения из п.2.2. Именно здесь осуществляется его численное интегрирование (см. рисунок 2.6). В качестве метода интегрирования выбран метод трапеций (использование более сложных методов к существенному повышению точности не привело).
Внешний вид блока «PoiskGAM» «третьего уровня» Simulink-модели (состоит из блоков решения уравнений по обобщенной координате для Т1 и Т2; переменных на входе и выходе и связей между ними) Внешний вид блока «PoiskGAM1» «четвертого (нижнего) уровня» Simulink-модели (осуществляет двойное интегрирование дифференциального уравнения по обобщенной координате для Т1; выдает на выход угол крена первой тележки и скорость его изменения)
Все константы, определяющие настройку модели, начиная с коэффициентов жесткостей гасителей колебаний и заканчивая моментами инерции и массами элементов конструкции вагона, задаются в предварительно запускаемом m-файле. Для первичной проверки адекватности полученной модели в качестве воз-действия задавалась периодическая сила, действующая на одно из колес КП3 (тележка 2). Полученные изменения обобщенных координат приведены на рисун-ке 2.7.
Изменения обобщенных координат для элементов вагона вследствие действия периодической силы на одно из колес Видно, что движения колесной пары, на которую было оказано воздействие, передаются опирающейся на нее тележке, далее кузову, и, наконец, второй тележке с меньшей амплитудой. А в случае с углом крена – и оставшимся колесным парам. По углу тангажа движение на невозмущенную тележку не передается.
Реакция элементов вагона на прохождение короткой неровности прямо-угольной формы (моделируется прохождение стыка) двумя следом идущими колесами первой тележки вагона представлена на рисунке 2.8 и подтверждает адек-ватность полученной модели.
Изменения обобщенных координат для элементов вагона вследствие прохожде-ния короткой неровности прямоугольной формы двумя следом идущими колесами одной тележки вагона
Следующим этапом проверки работоспособности модели стал анализ ее поведения при использовании в качестве входных возмущений реальных воздей 58 ствий, рассчитанных по показаниям вертикальных акселерометров ИСМ РП, рас-положенных на буксах колесных пар тележки вагона. В процессе моделирования воздействия подавались только на колеса первой тележки (на которой стояли датчики).
Для выработки требований к БИНС при установке на тележке, в качестве входных возмущений формировались силы по показаниям ДММ, входивших в состав экспериментального комплекса. Результаты моделирования сравнивались с показаниями БИНС, которая в ходе экспериментального проезда контролировала движение кузова вагона. Совпадение спектральных составов (см. рисунки 2.9– 2.11, б) параметров модели и выходных данных БИНС, позволяет сделать вывод о достоверности предложенного математического описания динамики движения кузова вагона. Вместе с тем хорошо видны различия экспериментальных результа-тов и движений, полученных в ходе моделирования (см. рисунки 2.9–2.11, а). Они могут быть вызваны тем, что не учитывалось влияние соседней подвижной единицы (проезд осуществлялся в сцепке с локомотивом), а также перемещениями людей внутри ПВ, которые приводили к появлению низкочастотных составляю щих колебаний. Следует подчеркнуть, что основной задачей, которую должна решить полученная математическая модель, является определение уровня и ча-стотного состава возникающих колебаний для выработки требований к датчикам.
Предложено математическое описание колебательного движения элементов конструкции, предполагающая использование в качестве внешних воздействий информации, полученной от микромеханических модулей, установленных на буксах колесных пар ходовой тележки вагона. Приведена кинематическая схема вагона и процедура получения дифференциальных уравнений движения его элементов по выбранным обобщенным координатам с использованием уравнения Ла-гранжа 2-ого рода.
Описана процедура построения полученной модели в системе MatLab Sim-ulink для осуществления ее численного интегрирования. Приведены результаты апробации разработанной модели, в том числе и с использованием экспериментальных данных, подтверждающие ее состоятельность.
Выработаны требования к БИНС, устанавливаемой на ходовой тележке вагона: для акселерометров полоса пропускания должна лежать в районе 800 Гц, а для гироскопов – 25 Гц (у используемых в современных ПВ систем полоса пропускания ограничена 400 Гц).
БИНС, отвечающая предъявленным в настоящей главе требованиям, позволит измерять параметры геометрии рельсового пути и может быть использована при определении местоположения на нем вагона. Для решения последней задачи требуется разработка алгоритма навигации на рельсовом пути, подразумевающего интегрирование одометра с БИНС, ПА СНС и специальными навигационными отметчиками (НО) на трассе.
Учет влияния горизонтальных неровностей на процесс измерения параметров рельсового пути
Проанализированы характерные особенности в строении рельсового пути и выявлена возможность их использования при решении задачи навигации на нем (квазипостоянная геометрия в плане, наличие рельсошпальной решетки). Приве-дены аппроксимирующие полиномы для различных участков рельсового пути. Показан характер изменения сигналов БИНС и ПА СНС при прохождении одного и того же участка рельсового пути, подтверждающий возможность их использо-вания для совместной обработки в задаче навигации на рельсовом пути.
Описано влияние горизонтальных неровностей на процесс измерения пара-метров рельсового пути. Показано, что изменение ширины колеи, наличие рихтовки одной из рельсовых нитей вызовут как изменения в показаниях БИНС (рыскание и галопирование ходовой тележки), так и в сигналах ДММ (дополни-тельные вертикальные и горизонтальные ускорения колесных пар).
Предложенный алгоритм, использующий стыки в качестве навигационных отметчиков, позволяет снизить погрешности в определении местоположения де-фектов рельсового пути с величины порядка 1м/км (погрешность датчика пути) до 1 – 6 см для скоростей движения 40 – 200 км/ч (в отличие от погрешности одометра не накапливается, а носит случайный характер), а значит, и осуществлять совместную обработку данных, полученных в результате нескольких экспериментальных проездов по одному и тому же участку рельсового пути. Формирование геоинформационной базы рельсового пути дает возможность использовать информацию о местоположении участков с потенциально недостоверными сигналами ПА СНС при комплексировании их с БИНС (инерциальная система на таких участках переходит на работу в автономном режиме).
Отмечено, что погрешность одометра (основного инструмента навигации на рельсовом пути) повышается при изменении состояния поверхности катания колеса, на котором он установлен. Увеличение точности измерения пройденной дистанции с его использованием требует знания геометрии этого колеса (являющегося по сути частью датчика пути) и его регулярной самокалибровки (пересчет цены деления одометра в соответствии с этой геометрией).
Как ранее указывалось в главе 1 настоящей работы, современную ситуацию в области диагностики дефектов рельсов характеризует определение дефектов поверхности катания рельсовых нитей на невысоких скоростях движения (до 60 км/ч – определяющимися возможностями работы вагона-дефектоскопа). Зачастую диагностика вообще осуществляется вручную (дефекты поверхности катания определяются путем визуального осмотра, а затем измеряются ручным инструментом). В связи с чем, представляет интерес рассмотрение возможности измерения дефектов рельсового пути с использованием ДММ на высоких скоростях движения. Однако большая часть существующих на сегодняшний день систем на основе инерциальных датчиков дают лишь качественные оценки состояния пути (дефекты не классифицируются и не измеряются).
В свете вышесказанного на фоне остальных выделяется метод диагностики, предложенный в [5]: он позволяет не только обнаружить наличие неровности на поверхности катания рельсовой нити, но и измерить ее. На основе этого метода была создана и сдана в эксплуатацию МИСД РП InerTrack, которая на текущий момент функционирует в составе вагона дефектоскопа АВИКОН-03М фирмы ОАО «Радиоавионика» [52, 53].
На рисунке 4.1 приведены сигналы ММА при прохождении одной и той же неровности со скоростями 134, 116 и 152км/ч в проездах, осуществлявшихся в разные дни. Повторяемость характера графиков при движении в разные дни с разной скоростью подтверждает достоверность наличия некоторой неровности на поверхности катания рельса (например, смятие в месте сварного стыка или про-боксовка). Данный график подтверждает наличие зависимости амплитуды удара от скорости движения вагона.
Следует отметить, что вследствие высоких скоростей движения, вертикаль-ные ускорения колес вагона будут значительны даже при прохождении неболь-ших неровностей, что благоприятно для разрабатываемой системы (глубина неровности, соответствующей показаниям ММА на рисунке 4.1 – менее 0,5 мм).
Также необходимо учесть, что на показания инерциальных датчиков, уста-навливаемых на вагоне в непосредственной близости от рельсового пути, влияет взаимодействие системы колесо-рельс, т. е. не только состояние рельсовой нити, но и качество поверхности катания колеса. Ни в одном из рассмотренных мето-дов, в том числе и [2], этот влияющий фактор не учитывается.
Влияние состояния поверхности катания колес вагона на результаты измере-ний инерциальными датчиками ИСМ РП впервые было обнаружено в ходе обра-ботки показаний ДММ в экспериментальных проездах на участке Завидово – Тверь (16–20 декабря 2011 года, плановые скорости движения 100–160 км/ч). Были обнаружения периодические выбросы в сигналах каждого из трех вертикаль-ных акселерометров, расположенных на ДММ3 (см. рисунок 4.2). Выбросы по-вторяются вне зависимости от скорости и направления движения с периодично-стью 3м, что может быть обусловлено наличием неровности на поверхности катания колеса (длина окружности 950 = 2984мм).
Алгоритм оценки дефектов поверхностей катания рельсовых нитей
Проанализированы слабые места существующих на сегодняшний день методов диагностики поверхностных дефектов рельсов. Основу инерциального метода диагностики неровностей рельсового пути, предложенного в диссертационной работе Подгорной Л. Н. [2], составляет анализ взаимной корреляционной функции сигналов вертикальных скоростей букс первого и следом идущего колес тележки вагона. Погрешность определения глубины неровности в этом случае составляет 1 мм. Предложенный в 4 главе метод является развитием инерциального метода и позволяет осуществлять диагностику дефектов поверхности катания рельсов в присутствии неровностей на поверхности катания колес вагона с сохранением точности.
На примерах результатов экспериментальных проездов ИСМ РП по одноколейному участку рельсового пути показано влияние состояния поверхности катания колеса на результат этой диагностики. Приведен алгоритм совместной оценки дефектов поверхностей катания рельсовых нитей и колес тележки, позволяющий получить «маску» колеса и исключить ее из сигнала датчиков ИСМ РП. Приведены результаты обработки данных экспериментального проезда системы по предложенному алгоритму. Показано повышение величины корреляционного максимума на 10%, что свидетельствует о снижении вероятности совершения ошибки второго рода на те же 10%. Изменение геометрии колеса напрямую сказывается на точности одометра, поэтому получение «маски» колеса позволяет повысить точность измерения пройденной дистанции.
Колесо и рельс взаимодействуют не в единой точке, а в некоторой области, называемой пятном контакта. В зависимости от материала и состояния контактирующих поверхностей, а также от характера движения пятно контакта может иметь различные форму и площадь. В настоящей главе показано влияние размеров пятна контакта на результаты диагностики дефектов поверхности катания рельсов и приведены зависимости, позволяющие это влияние учитывать.
Анализ методов и средств диагностики рельсового пути показал, что выполнение регулярной диагностики рельсового пути и формирование статистической базы состояния его участков в настоящее время затруднен. Использование же инерциальных датчиков позволяет реализовывать на практике измерения в условиях динамического взаимодействия железнодорожного состава и рельсового пути, что дает возможность совершенствовать существующие способы контроля состояния пути и предлагать новые. Разработанная конструкционная и алгоритмическая основа ИСМ РП говорит об осуществимости мониторинга состояния рельсового пути. Что при обработке показаний инерциальной системы в процессе многократных проездов по контролируемому участку пути, позволяет оценивать тенденции развития дефектов рельсового пути.
Предложено математическое описание колебательного движения элементов конструкции вагона, предполагающее использование в качестве внешних воздействий информации, полученной от микромеханических модулей, установленных на буксах колесных пар ходовой тележки вагона, что сделало возможным определение условий эксплуатации БИНС на раме тележки (для акселерометров полоса пропускания должна быть не меньше 800 Гц, а для гироскопов – 25 Гц).
Предложенный алгоритм, использующий стыки в качестве навигационных отметчиков, позволяет снизить погрешности в определении местоположения дефектов рельсового пути с величины порядка 1м/км (погрешность датчика пути) до 1 – 6 см для скоростей движения 40 – 200 км/ч (в отличие от погрешности одометра не накапливается, а носит случайный характер), а значит, и осуществлять совместную обработку данных, полученных в результате нескольких экспериментальных проездов по одному и тому же участку рельсового пути. Формирование геоинформационной базы рельсового пути дает возможность использовать информацию о местоположении участков с потенциально недостоверными сигналами ПА СНС при комплексировании их с БИНС (инерциальная система на таких участках должна быть переведена в автономный режим).
Разработанный метод диагностики неровностей рельсового пути, основанный на идентификации вертикальных неровностей по степени воспроизводимости траекторий движения колесных пар, учитывает влияние состояния поверхности катания колес вагона и размеров пятна контакта системы колесо-рельс на результат диагностики рельсов. Показано повышение величины корреляционного максимума на 10%, что свидетельствует о снижении вероятности совершения ошибки второго рода. Изменение геометрии колеса напрямую сказывается на точности одометра, поэтому полученные «маски» колеса могут использоваться для повышения точности измерения пройденной дистанции.
Таким образом, перспективность внедрения компактных измерительных систем на базе инерциальных датчиков объясняется, в первую очередь, возможностью создания миниатюрных автоматизированных комплексов диагностики и оповещения в режиме «online», которыми могут быть оснащены локомотивы регулярно курсирующих железнодорожных составов. Такой подход позволит повысить частоту повторных измерений (следовательно, и оперативность обнаружения дефектов) интенсивно эксплуатируемых участков пути, создать статистические базы состояния участков рельсового пути и выявить тенденции в появлении и развитии дефектов.
