RU2818020C1 - Система контроля дефектов колёсных пар подвижного железнодорожного состава - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области железнодорожной автоматики и телемеханики. Система контроля дефектов колёсных пар подвижного железнодорожного состава содержит проложенный в грунте одномодовый волоконно-оптический кабель, одна сторона которого выполнена с герметичной заглушкой, другая сторона подключена к входу/выходу когерентного рефлектометра, другим выходом соединенного с входом блока обработки, и соединенный с волокном волоконно-оптического кабеля чувствительный элемент, включающий k витков из одномодового оптического волокна, закрепленных на чувствительной мембране задней стенки рупора, установленного на опоре на заданном расстоянии от рельса и высоте от уровня насыпи железнодорожного полотна с направлением центральной оси рупора в точку соприкосновения поверхности катания колеса с поверхностью рельса, также используют рупор с геометрическими размерами, обеспечивающими максимальный коэффициент концентрации энергии звуковой волны на чувствительной мембране, количество витков выбирают в зависимости от ширины импульса когерентного оптического излучения лазера рефлектометра. Технический результат - повышение достоверности, точности диагностики и идентификации неисправностей колёс проходящего подвижного состава в реальном масштабе времени. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Изобретение относится к области железнодорожной автоматики и телемеханики и может быть использовано для диагностики технического состояния колесных пар проходящего железнодорожного состава.

Известна система контроля поверхности катания колеса железнодорожной колесной пары, содержащая датчики динамических нагрузок, закрепленные на рельсе, датчики зоны контроля и блок обработки, выходами соединенный с первым информационным входом блока принятия решений, датчики динамических нагрузок выполнены в виде волоконно-оптических датчиков давления, размещенных на измерительном участке пути длиной не меньше длины окружности колеса между шпалой и рельсом по разные стороны пути, датчики зоны контроля расположены вдоль рельса в начале и в конце измерительного участка и соединены через блок сопряжения с входом включения блока питания, а также с входами счетчика колесных пар и блока вычисления скорости движения поезда, в систему введены датчики температуры щебеночного балласта, установленные по обе стороны пути на глубине уровня подошвы шпалы, блок эталонных значений температур, блок сравнения, входы которого подключены к выходам датчиков температур и блока эталонных значений температур, а выход - к входу блока корректировки, выходы которого подключены к входам блока обработки, а другие входы - к выходам преобразователя, входами подключенного к выходным концам волоконно-оптических датчиков, входные концы которых соединены с источником оптического излучения, блок вычисления динамического коэффициента, выходом подключенный ко второму информационному входу блока принятия решений, блок выделения динамической составляющей усилий и блок выделения статической составляющей усилий, включенные между выходом блока обработки и входами блока вычисления динамического коэффициента, блок идентификации вагонов, блок индикации и блок хранения информации, при этом выходы счетчика колесных пар и блока идентификации вагонов подключены к третьему и четвертому информационным входам блока принятия решений, соответствующие входы/выходы которого соединены с выходами/входами блока хранения информации, а другие выходы - соответственно с блоком индикации, блоком корректировки и посредством канала связи с персональным компьютером автоматизированного рабочего места работника диспетчерского центра (RU 92840, В61К 9/12, 2010.04.10).

Недостатком известного решения является невозможность выявления дефектов буксовых узлов при контроле поверхности катания колеса вагонов.

Наиболее близким аналогом является система ранней диагностики подшипников буксовых узлов колесной пары движущегося поезда, содержащая, по меньшей мере, двенадцать приемников акустических сигналов, выход каждого из которых соединен с соответствующим входом блока усиления, блок обработки, включающий последовательно соединенные полосовой фильтр, формирователь сигнала, аналого-цифровой преобразователь и амплитудный детектор, блок анализа, содержащий блок вычисления диагностических параметров, входы которого подключены к выходам амплитудного детектора, блок принятия решения и блок сравнения, включенный между блоком вычисления диагностических параметров и блоком принятия решения, блок задаваемых диагностических параметров, подключенный к третьему входу блока сравнения, блок памяти, блок выдачи информации, блок определения скорости поезда, выходом подключенный к соответствующему входу блока вычисления диагностических параметров и блока принятия решений, выходом соединенного с входом блока памяти и блока выдачи информации, последовательно соединенные база типов подвижного состава, блок определения типа подвижной единицы и счетчик подвижных единиц, выходом подключенный к соответствующему входу блок принятия решений, три магнитных датчика, счетчик колесных пар, при этом каждый из приемников размещен в отдельном боксе, его чувствительный элемент установлен на высоте расположения буксового узла колесной пары вагона движущегося поезда, боксы установлены равномерно вдоль полотна железной дороги на заданном участке пути, по меньшей мере, по шесть с каждой стороны железнодорожной колеи напротив друг друга, одна из сторон каждого бокса, обращенная к железнодорожному полотну, снабжена шторкой, механизм открывания которой расположен в самом боксе и подключен управляющим входом к выходу блока управления шторками боксов, в каждом боксе установлена система термостатирования, вход/выход которой соединены с выходом/входом блока управления системами термостатирования, причем первый и второй магнитные датчики установлены по разные стороны колеи на рельсах напротив первого и последнего приемника соответственно и выходами подключены к соответствующим входам блока определения типа подвижной единицы и счетчика колесных пар, выходом соединенного с соответствующими входами блока вычисления диагностических параметров, блока принятия решения, блока определения типа подвижной единицы и блока определения скорости движения поезда, третий магнитный датчик размещен на заданном расстоянии от последнего приемника акустического сигнала непосредственно на рельсе и выходом подключен к входу блока управления шторками боксов (RU 89053 U1, В61К9/00, 2009.11.27).

Недостатком известного технического решения является невозможность обнаруживать дефекты колес у вагонов движущегося поезда.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении достоверности, точности диагностики и идентификации неисправностей колёс проходящего подвижного состава в реальном масштабе времени.

Технический результат достигается тем, что система контроля дефектов колёсных пар подвижного железнодорожного состава содержит проложенный в грунте на заданном расстоянии от железнодорожного пути одномодовый волоконно-оптический кабель, одна сторона которого выполнена с герметичной заглушкой, а другая сторона подключена к входу/выходу когерентного рефлектометра, другим выходом соединенного с входом блока обработки, и соединенный с волокном волоконно-оптического кабеля по меньшей мере один чувствительный элемент, включающий k витков из одномодового оптического волокна, закрепленные на чувствительной мембране задней стенке рупора, установленного на опоре на заданном расстоянии от рельса и высоте от уровня насыпи железнодорожного полотна с направлением центральной оси рупора в точку соприкосновения поверхности катания колеса с поверхностью рельса, при этом используют рупор с геометрическими размерами, обеспечивающими максимальный коэффициент концентрации энергии звуковой волны на чувствительной мембране, а количество витков одномодового оптического волокна выбирают в зависимости от ширины импульса когерентного оптического излучения лазера рефлектометра.

Для осуществления точной привязки местоположения чувствительный элемент системы установлен рядом с пикетом или столбом контактной сети.

Для повышения достоверности и точности диагностики и идентификации событий чувствительный элемент системы установлен на расстоянии от рельсовых стыковых соединений.

Система поясняется чертежами на фиг.1-3.

На фиг.1 представлена схема реализации системы контроля акустических воздействий посредством чувствительного элемента; на фиг. 2А представлен пример расчёта горизонтальной развёртки рупора, а на фиг. 2Б приводится пример определения размеров рупора чувствительного элемента, на фиг. 3А представлены рефлектограммы акустического сигнала прохождения подвижного состава (ПС) без дефекта колес, на фиг.3Б отображено изменение акустического сигнала при наличии дефектного колеса.

Система контроля дефектов колёсных пар подвижного железнодорожного состава содержит проложенный в грунте на заданном расстоянии от железнодорожного пути одномодовый волоконно-оптический кабель 1, одна сторона которого выполнена с герметичной заглушкой 2, а другая сторона подключена к входу/выходу когерентного рефлектометра 3, другим выходом соединенного с входом блока 4 обработки, и соединенный с волокном волоконно-оптического кабеля по меньшей мере один чувствительный элемент, включающий k витков из одномодового оптического волокна, закрепленные на чувствительной мембране 6 задней стенки рупора 7, установленного на опоре на заданном расстоянии от рельса и высоте от уровня насыпи железнодорожного полотна с направлением центральной оси рупора 7 в точку соприкосновения поверхности катания колеса с поверхностью рельса, при этом используют рупор 7 с геометрическими размерами, обеспечивающими максимальный коэффициент концентрации энергии звуковой волны на чувствительной мембране 6, а количество витков 5 одномодового оптического волокна 1 выбирают в зависимости от ширины импульса когерентного оптического излучения лазера рефлектометра 3.

При этом чувствительный элемент системы установлен рядом с пикетом или столбом контактной сети.

Чувствительный элемент системы установлен на расстоянии от рельсовых стыковых соединений.

Система контроля дефектов колёсных пар подвижного железнодорожного состава работает следующим образом.

При прохождении поезда места размещения чувствительного элемента энергия акустической волны 8 от источника шума (фиг. 1), попадая в рупор 7, конструктивно устроенного так, чтобы исключить или минимизировать возможность обратного отражения наружу части акустической энергии, в результате переотражений акустических волн от стенок резонаторной части рупора 7, энергия акустической волны 8 фокусируется (аккумулируется) на чувствительной мембране 6 (акустической диафрагме) задней стенки резонаторной части рупора 7. Сфокусированная резонатором чувствительного элемента энергия акустической волны вызывает вибрационные колебания 9 чувствительной мембраны 6 совместно с закрепленными к ней витками 5 одномодового оптического волокна, свободные концы которого включены в волокно волоконно-оптического кабеля 1 (ВОК) путем оптической сварки или через оптические муфты.

Источник когерентного излучения 10 (лазер) рефлектометра 3 генерирует прямое оптическое излучение 11, которое через оптический циркулятор 12, ВОК 1, проходит через витки 5 одномодового оптического волокна, закреплённые к чувствительной мембране 6 рупора 7 чувствительного элемента. В результате этого акустические волны от источника шума оказывают колебательное и вибрационное воздействие чувствительной мембраны 6, которая, будучи прикреплённой к виткам из оптического волокна, вызывает в последней соответствующие вибрациям мембраны 6 изменения отражённого лазерного излучения, в результате чего формируют дополнительный источник отраженного оптического сигнала в каждом витке 5 волоконно-оптического кабеля, которые в результате суммирования усиливают сигнал по мощности в k раз, где k - количество витков из оптического волокна.

Появление вибраций от дефектного колеса, частотно-амплитудный спектр которых вносит соответствующие, заранее классифицируемые изменения в поток Рэлеевского отражения от витков 5 оптического волокна, преобразуется в изменения мощности отражённого лазерного излучения, которые определяют при помощи рефлектометра 3. Далее отражённое излучение 13 через циркулятор 12 поступает на вход фотодетектора 14 для обработки сигнала отражённого излучения и преобразования оптической энергии в электрическую, с выхода которого преобразованные электрические сигналы поступают на вход блока 15 предварительной цифровой обработки отражённого сигнала и представления их в виде рефлектограмм 16. Рефлектограммы 16 с изменениями оптического излучения в результате акустического воздействия, полученные при предварительной обработке 15, подают на вход блока 4 обработки, с целью обнаружения признаков события, их последующего анализа, выработки решения по результатам анализа о наличии или отсутствии дефекта колеса на основе сопоставления полученных результатов с эталонами, полученными на этапе обучения. После этого на выходе блока 4 обработки формируют сообщение о событии 17, которое передают в сеть информационного обмена для обеспечения доступа к ним потребителям. Кроме того, рефлектометр 3 другим входом соединен с выходом блока 4 обработки для осуществления калибровки (на фиг.1 не указан). Монтаж рефлектометра 3 осуществляется с обеспечением температурного режима при его эксплуатации.

Географическую привязку местоположения чувствительного элемента (место установки рупора 7 чувствительного элемента) можно осуществить, привязавшись к ближайшему пикету или столбу контактной сети. Привязка географических координат осуществляется по номеру пикета (столба) + расстояние от него в метрах.

Поскольку рельсовый стык для чувствительного элемента является ярко выраженным источником помех, его лучше располагать как можно дальше или посередине бесстыкового участка пути.

Система контроля дефектов колёсных пар при прохождении подвижного железнодорожного состава может использоваться для идентификации в реальном масштабе времени событий из перечня неисправностей колёс (таких как ползун, навар и др.), тележек вагонов (заклинивание), поверхности рельса (в зоне действия установленного рупора), и других событий, связанных с мониторингом состояния стационарных объектов и подвижных составов, оказывающих существенное влияние на безопасность движения железнодорожного транспорта, перевозку пассажиров и грузов.

На фиг. 2А представлен пример расчёта горизонтальной развёртки рупора, а на фиг. 2Б приводится пример определения размеров рупора чувствительного элемента с расчётным коэффициентом концентрации энергии звуковой волны на мембране, равном, при данных размерах, 2,641.

Для расчёта параметров рупора фиксируются следующие величины:

- ширина горизонтальной развёртки рупора;

- начальная глубина рупора - этот параметр необходим для задания угла отражения звуковой волны;

- дальность до точечного источника звука.

Для расчёта горизонтальных геометрических размеров рупора осуществляют следующие вычисления (фиг.2А):

1) определяют углы α,β,γ:

; ; ;

2) рассчитывают соотношения:

; ;

;

; ;

;

3) определяют общую глубину конусной части рупора: .

Для расчёта вертикальных геометрических размеров рупора осуществляют следующие вычисления (фиг.2Б):

1) определяют высоту рупора, исходя из условия обеспечения вертикальной развертки:

при тех же исходных данных: и :

; ; ;

; ;

; .

2) определяют общую глубину конусной части рупора: .

Основу обнаружения дефектов с использованием эффекта Рэлея составляют когнитивный график, представленный на фиг. 3 (верхние две части), и рефлектограммы, приведенные в нижней части фиг. 3. Рефлектограммы характеризуют изменение амплитуд сигнала когнитивного графика в определенные моменты времени, которые отмечены на когнитивных графиках (фиг. 3) вертикальными линиями.

При проведении лабораторных экспериментов, а также в натуральных условиях на полигоне ОАО «РЖД» действующий макет был размещён на заданном расстоянии от крайнего рельса и на высоте 40 см от уровня насыпи с направлением центральной оси рупора в точку соприкосновения поверхности катания колеса с поверхностью рельса. Выполненные расчёты и проведенные испытания показали, что установка рупора на высоте 40 см является оптимальной с точки зрения максимума концентрации рупором мощности сигнала при определении дефектов, появляющихся при взаимодействии колеса и рельса.

На фиг. 3 представлены результаты проведения натурного эксперимента на участке ж/д пути, при котором в чувствительном элементе было свернуто витками и закреплено на мембране рупора 50 м оптического волокна, в котором каждые 2 метра физической длины волокна соответствуют одному участку контроля на рефлектограмме, в данном примере, имеющие условную нумерацию от 277 по 302 (шкала Х). Такое предварительное деление связано с обнаружением дефектов в виде заклинивания колёсной пары на проходящем ПС, который при проведении экспериментальных исследований был представлен тепловозом и тремя грузовыми полувагонами. В левом столбце А приводятся результаты обработки сигналов ПС для случая, когда дефектов колёс нет: сверху - когнитивный график рефлектограмм исходных сигналов; в середине столбца А - когнитивный график после обработки исходного сигнала с использованием математических методов предыскажения сигнала, сформированного рефлектометром, в нижней части столбца А - график прохождения ПС без дефекта в виде рефлектограммы, полученной после обработки сигнала рефлектометра, который соответствует выбранному для проведения экспериментальных исследований участку (№298) чувствительного элемента.

В правой части фиг. 3Б приводятся результаты обработки сигналов ПС, в составе которого находился вагон с заклиненной колёсной парой: сверху - когнитивный график рефлектограмм исходных сигналов; в середине столбца Б - когнитивный график с результатами применения алгоритмов математической обработки исходного сигнала; нижний график столбца Б - график прохождения ПС с дефектом в виде рефлектограммы, полученной после обработки сигнала рефлектометра выбранном участке (№298) чувствительного элемента.

В результате сравнительного анализа данных графиков можно сделать вывод о высокой чувствительности предлагаемой системы обнаружения дефектов колёс ПС. На графиках столбца фиг.3А показано, что посредством анализа акустического сигнала можно получить данные о колёсных парах, количестве вагонов, длине состава, скорости движения и т.д. На графиках столбца фиг.3Б отображено изменение акустического сигнала при наличии дефектного колеса в составе, по характеристикам которого есть возможность выявления наличия заклинивания колёсной пары у ПС, точного определения точки движения юзом (точки соприкосновения поверхности колеса катания заклиненной колёсной пары с рельсом) при проскальзывании ею места стыков рельс.

Высокая чувствительность предлагаемой системы обнаружения обеспечена за счёт введения операций предыскажений сигналов, формируемых, как самим распределённым ВОД, использующим эффект Рэлея, так и рефлектометром. В первом случае эффект предыскажений групповой сейсмоакустической волны, формируемой в распределённом ВОД, реализуют за счёт механических «маркеров», а во втором - на основе математических методов конструктивной теории конечных полей (КТТП) и адаптивной нелинейной фильтрации (АНФ).

Проведенные экспериментальные исследования показывают, что предлагаемая система может использоваться не только для решения важных задач, которые связаны с диагностикой технического состояния колёсных пар и рельс, но и актуальных проблем определения местоположения скорости, длины и целостности ПС.

Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает существенное повышение чувствительности предлагаемой системы обнаружения дефектов колёс за счет повышения соотношений сигнал/шум и сигнал/помеха в данных волоконно-оптических измерений (ВОИ).

Claims (3)

1. Система контроля дефектов колёсных пар подвижного железнодорожного состава, содержащая проложенный в грунте на заданном расстоянии от железнодорожного пути одномодовый волоконно-оптический кабель, одна сторона которого выполнена с герметичной заглушкой, а другая сторона подключена к входу/выходу когерентного рефлектометра, другим выходом соединенного с входом блока обработки, и соединенный с волокном волоконно-оптического кабеля по меньшей мере один чувствительный элемент, включающий k витков из одномодового оптического волокна, закрепленных на чувствительной мембране задней стенки рупора, установленного на опоре на заданном расстоянии от рельса и высоте от уровня насыпи железнодорожного полотна с направлением центральной оси рупора в точку соприкосновения поверхности катания колеса с поверхностью рельса, при этом используют рупор с геометрическими размерами, обеспечивающими максимальный коэффициент концентрации энергии звуковой волны на чувствительной мембране, а количество витков одномодового оптического волокна выбирают в зависимости от ширины импульса когерентного оптического излучения лазера рефлектометра.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что чувствительный элемент установлен рядом с пикетом или столбом контактной сети.

3. Система по любому из пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что чувствительный элемент установлен на расстоянии от рельсовых стыковых соединений.