Устройство для контроля состояния рельсового пути

 

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта для контроля и оценки состояния железнодорожных путей. Устройство содержит установленные на подрессоренной части вагона-путеизмерителя датчики вертикальных и горизонтальных ускорений кузова, датчики вертикальных ускорений букс, установленные на буксах колесной пары в некотловой части вагона, n бесконтактных датчиков оптического диапазона волн измерения вертикальных и горизонтальных перемещений головки рельсов относительно кузова, установленные на наружной поверхности днища вагона, два бесконтактных датчика оптического диапазона волн измерения ширины колеи, установленные на колесной тележке в некотловой части вагона, датчики вертикальных перемещений букс относительно кузова, установленные на кузове вагона, датчик пройденного пути, установленный на буксе одной из колесных пар, и гироскопическая система определения курсового угла и углов крена и тангажа кузова вагона относительно плоскости горизонта, установленная на борту вагона-путеизмерителя, причем выходы датчиков подключены к соответствующим согласующим устройствам для аналого-цифрового преобразования информации и ее приведения к единому формату. Устройство содержит контрольно-вычислительный комплекс, включающий магистраль ввода-вывода, первую и вторую ПЭВМ, причем выходы согласующих устройств через магистраль ввода-вывода подключены к входам параллельного порта первой ПЭВМ для сбора информации, ее предварительной обработки и вычисления параметров рельсовой колеи, входы-выходы последовательного интерфейса первой ПЭВМ соединены с входами-выходами последовательного интерфейса второй ПЭВМ для анализа информации, ее обработки и выдачи. 5 ил.

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта для контроля и оценки состояния железнодорожных путей.

Известно путеизмерительное устройство, содержащее четыре датчика пути, образованные независимыми колесами с цилиндрическими и с коническими ободами и фотоприемниками. Датчики подключены к вычислительному устройству (авт. св. СССР N 1791502, кл. B 61 K 9/08, 1993).

Недостатками устройства являются низкая точность измерения и малая скорость движения путеизмерителя (около 20 км/ч), т.к. устройство относится к контактным измерителям, при этом измеряется только один параметр ширина колеи.

Известно устройство для определения исправности рельсового пути, установленное на путевой машине с опорными рельсовыми тележками и содержащее шарнирно закрепленные на измерительных тележках по обе стороны от нагрузочного приспособления лазерные излучатели и фотоприемник, установленный на подвижной части нагрузочного приспособления (авт. св. СССР N 1796514, кл. B 61 K 9/08, 1993).

Недостатками устройства являются повышенный износ измерительного оборудования и малая скорость движения путевой машины (около 40 км/ч), т.к. устройство также относится к контактным измерителям, при этом измеряются только присадки рельсовых нитей (прогиб).

Известно устройство для контроля состояния рельсового пути, содержащее установленные на подрессоренной части вагона-путеизмерителя датчики вертикальных и горизонтальных ускорений кузова, подключенные к первому согласующему устройству (авт. св. СССР N 1671756, кл. E 01 B 35/00, B 61 K 9/08, 1991).

Устройство для контроля состояния рельсового пути по авт. св. N 1671756 по общности решаемых задач и функционально-структурному выполнению наиболее близко к предлагаемому изобретению и выбрано в качестве прототипа.

Однако известное техническое решение имеет ограниченные функциональные возможности, т.к. данным устройством можно измерить только короткие отклонения рельс от эталонного положения из-за использования аналогового принципа обработки сигналов от датчиков-акселерометров, который не позволяет произвести точное интегрирование аналогового сигнала на большом временном интервале.

Задачей изобретения является создание устройства для контроля состояния рельсового пути на основе измерения геометрических параметров пути и динамических характеристик взаимодействия пути и подвижного вагона-путеизмерителя при скорости его движения до 250 км/ч и позволяющего произвести одновременно измерение большого количества параметров и их совместный анализ.

Сущность изобретения заключается в том, что в известное устройство для контроля состояния рельсового пути, содержащее установленные на подрессоренной части вагона-путеизмерителя датчики вертикальных и горизонтальных ускорений кузова, подключенные к первому и второму входам первого согласующего устройства, введены первый и второй датчики вертикальных ускорений букс, установленные на буксах четвертой колесной пары в некотловой части вагона-путеизмерителя и подключенные соответственно к первому и второму входам второго согласующего устройства, n бесконтактных датчиков оптического диапазона волн измерения вертикальных и горизонтальных перемещений головки рельсов относительно кузова, установленные на наружной поверхности днища вагона-путеизмерителя, причем выходы датчиков с нечетными номерами с первого по n-1-й объединены и подключены к первому входу третьего согласующего устройства, а выходы датчиков с четными номерами с второго по n-й объединены и подключены к второму входу третьего согласующего устройства, первый и второй бесконтактные датчики оптического диапазона волн измерения ширины колеи, установленные на колесной тележке в некотловой части вагона-путеизмерителя, причем выходы первого и второго датчиков подключены соответственно к первому и второму входам четвертого согласующего устройства, первый второй, третий - четвертый и пятый шестой датчики вертикальных перемещений букс относительно кузова, установленные на кузове вагона-путеизмерителя соответственно над буксами второй, третьей и четвертой колесных пар, причем выход первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого датчиков подключены к одноименным входам пятого согласующего устройства, датчик пройденного пути, установленный на буксе одной из колесных пар и подключенный к входу шестого согласующего устройства, гироскопическая система определения курсового угла и углов крена и тангажа кузова вагона относительно плоскости горизонта, установленная на борту вагона-путеизмерителя, причем входы гироскопической системы подключены к выходам текущих значений шестого согласующего устройства, а выходы гигроскопической системы подключены к входам седьмого согласующего устройства и установленный на борту вагона-путеизмерителя контрольно-вычислительный комплекс, включающий магистраль ввода-вывода, первую и вторую персональные электронные вычислительные машины (ПЭВМ), причем выходы согласующих устройств через магистраль ввода-вывода подключены к входам параллельного порта первой ПЭВМ для сбора информации, ее предварительной обработки и вычисления параметров рельсовой колеи, входы-выходы последовательного интерфейса первой ПЭВМ соединены с входами-выходами последовательного интерфейса второй ПЭВМ для анализа информации, ее обработки и выдачи.

На фиг.1 изображена функционально-структурная схема устройства для контроля состояния рельсового пути; на фиг.2 структурную схему первого согласующего устройства; на фиг.3 -то же, второго согласующего устройства; на фиг.4 то же,ему пятого согласующего устройства; на фиг.5 то же, шестого согласующего устройства.

Устройство для контроля состояния рельсового пути (фиг.1)размещено на вагоне-путеизмерителе, имеющем четыре колесных пар, и содержит датчик 1 вертикальных ускорений кузова (ВУК), датчик 2 горизонтальных ускорений кузова (ГУК), первое согласующее устройство 3 (СУ), первый и второй датчики 4 вертикальных ускорений букс (ВУБ), второе согласующее устройство 5, N бесконтактных датчиков 6 оптического диапазона волн измерения вертикальных и горизонтальных перемещений головки рельсов относительно кузова (РК), третье согласующее устройство 7, первый и второй бесконтактные датчики 8 оптического диапазона волн измерения ширины колеи (ШК), четвертое согласующее устройство 9, шесть датчиков 10 вертикальных перемещений букс относительно кузова (БК), пятое согласующее устройство 11, датчик 12 пройденного пути (ДП), шстое согласующее устройство 13, гироскопическая система 14 определения курсового угла и углов крена и тангажа кузова вагона-путеизмерителя относительно плоскости горизонта (СГ), седьмое согласующее устройство 15 и контрольно-вычислительный комплекс, включающий магистраль 16 ввода-вывода, первую и вторую персональные электронные вычислительные машины (ПЭВМ) 17 и 18.

В устройстве для контроля состояния рельсового пути (фиг.1) датчики 1, 2 вертикальных и горизонтальных ускорений кузова (ВУК) и (ГУК) установлены на подрессоренной части вагона-путеизмерителя и подключены к первому согласующему устройству 3. Первый и второй датчики 4 вертикальных ускорений букс (ВУБ) установлены на буксах четвертой колесной пары в некотловой части вагона-путеизмерителя и подключены соответственно к первому и второму входам второго согласующего устройства 5, N бесконтактных датчиков 6 оптического диапазона волн измерения вертикальных и горизонтальных перемещений головки рельсов относительно кузова (РК) установлены на наружной поверхности днища вагона-путеизмерителя, причем выходы датчиков РК 6 с нечетными номерами датчиков (первого, третьего, и n-1) объединены и подключены к первому входу третьего согласующего устройства (СУ) 7, а выходы датчиков РК 6 с четными номерами датчиков (второго, четвертого, и n) объединены и подключены к второму входу третьего СУ 7. Первый и второй бесконтактные датчики 8 оптического диапазона волн измерения ширины колеи (ШК) установлены на колесной тележке в некотловой части вагона-путеизмерителя, выходы первого и второго датчиков ШК 8 подключены соответственно к первому и второму входам четвертого согласующего устройства 9. Первый-второй, третий-четвертый и пятый-шестой датчики 10 вертикальных перемещений букс относительно кузова (БК) установлены на кузове вагона-путеизмерителя соответственно над буксами второй, третьей и четвертой колесных пар, причем выход первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого датчиков БК 10 подключены к одноименным входам пятого согласующего устройства (СУ) 11. Датчик 12 пройденного пути (ДП) установлен на буксе третьей колесной пары и подключен к шестому согласующему устройству 13.

Гироскопическая система 14 определения курсового угла и углов крена и тангажа кузова вагона относительно плоскости горизонта (ГС) установлена на борту вагона-путеизмерителя, причем входы ГС подключен к выходам текущих значений шестого согласующего устройства 13, а ее выход подключен к седьмому согласующему устройству 15.

Выход первого СУ 3, четвертого СУ 5, третьего СУ 7, четвертого СУ 9, пятого СУ 11, шестого СУ 13 и седьмого СУ 15 через магистраль 16 ввода-вывода подключены к входам параллельного порта первой ПЭФМ 17, входы-выходы последовательного интерфейса которой соединены с входами-выходами последовательного интерфейса второй ПЭВМ 18.

Первое согласующее устройство (СУ) 3 (фиг.2) содержит мультиплексор 19, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 20 и буферное оперативное запоминающее устройство (БОЗУ) 21, причем первый и второй входы мультиплексора 19 являются соответственно входами информации с датчиков ВУК 1 и ГУК 2, выход мультиплексора 19 соединен с входом АЦП 20, выходы которого соединены с входами БОЗУ 21, выходы которого являются информационными выходами СУ 3.

Второе согласующее устройство (СУ) 5 (фиг.3) содержит фильтры 22, 23 второго порядка, усилители 24, 25 напряжения, компараторы 26, 27, 28, 29, 30, 31 с соответствующими пороговыми значениями срабатывания и буферное оперативное запоминающее устройство (БОЗУ) 32, причем входы фильтров 22 и 23 являются соответственно входамиинформации с левого и с правого датчиков ВУБ 4. Выход фильтра 22 соединен с входом усилителя 24 напряжения, выход которого соединен с входами компараторов 26-31 соединены с входами БОЗУ 32, выходы которого являются информационными выходами СУ 5.

Пятое согласующее устройство (СУ) 11 (фиг.4) содержит мультиплексор 33, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 34 и буферное оперативное запоминающее устройство (БОЗУ) 35, причем шесть входов мультиплексора 33 являются соответственно входами информации с шести датчиков БК 10, выход мультиплексора 33 соединен с входом АЦП 34, выходы которого соединены с входами БОЗУ 35, выходы которого являются информационными выходами СУ 11.

Шестое согласующее устройство (СУ) 13 (фиг.5) содержит накопительный счетчик-сумматор 36, счетчик 37 с периодом обнуления 0,2 с и буферное оперативное запоминающее устройство (БОЗУ) 38, причем входы счетчика-сумматора 36 и счетчика 37 являются входами информации с датчика ДП 12. Выходы счетчика-сумматора 36 соединены с первыми входами БОЗУ 38, выходы счетчика 37 являются выходами текущих значений для гироскопической системы 14 и соединены с вторыми входами БОЗУ 38, выходы которого являются информационными выходами СУ 13.

Третье и четвертое согласующие устройства (СУ) 7 и 9 представляют собой преобразователи аналогового сигнала в цифровой код.

Седьмое согласующее устройство (СУ) 15 представляет собой преобразователь формата цифрового потока, выполненный на четырех параллельных регистрах, подключенных к буферному оперативному запоминающему устройству.

Устройство работает следующим образом. При контроле и оценке состояния рельсового пути измеряются следующие параметры: отклонение от нормы ширины колеи (шаблон), взаимное положение рельсовых нитей по высоте (уровень), просадки каждой рельсовой нити на базе ходовой тележки (короткие просадки) и кузова (длинные просадки), стрелы изгиба каждой рельсовой нити в горизонтальной плоскости (короткая и длинная рихтовка), перекосы осей колес на базе кузова (длинные) и на базе тележки (короткие), короткие неровности на поверхности катания каждой рельсовой нити, продольный уклон пути, вертикальное и горизонтальное ускорение кузова (плавность хода), продольные координаты вагона-путеизмерителя и его скорость движения.

Вышеперечисленные параметры измеряются или вычисляются путем преобразования информации, полученной с датчиков, на основе измерения геометрических параметров пути и динамических характеристик взаимодействия пути и подвижного вагона-путеизмерителя.

Темп выдачи информации с датчиков равен 4 и 16 мс, что соответствует опросу с шагом по пути 0,25 м и 1 м при скорости движения вагона-путеизмерителя 250 км/ч, при этом к датчикам, темп опроса которых составляет 16 мс, относятся датчики РК 6, а к датчикам, темп опроса которых составляет 4 мс, относятся ВУК 1, ГУК 2, ВУБ 4, ШК 8, БК 10, ДП 12. Измерения курсового угла и углов крена и тангажа кузова и вагона-путеизмерителя гироскопической системой (ГС) 14 производится с темпом опроса 4 мс.

Диапазон изменения контролируемых параметров и допустимые погрешности измерения параметров вводятся в память первой ПЭВМ 17.

При наезде вагона-путеизмерителя на неоднородности на пути кузов (тележка) совершает колебательные движения по вертикали и горизонтали, величины ускорений которых зависят как от размеров неоднородностей на пути и коэффициента передачи рессорной подвески, так и от скорости движения. Значения ускорений в виде электрических сигналов с датчика 1 вертикальных ускорений (ВУК) и с датчика 2 горизонтальных ускорений (ГУК) поступают на соответствующие входы мультиплексора 19 первого согласующего устройства (СУ) 3 и после преобразования в код в АЦП 20 и запоминания в буферном оперативном запоминающем устройстве (БОЗУ) 21 кодовые значения ускорений поступают через магистраль 16 ввода-вывода на входы параллельного порта первой ПЭВМ 17.

Два пьезоэлектрических датчика 4 (акселерометры) вертикального ускорения букс (ВУБ), установленные на буксах четвертой колесной пары, измеряют глубину неровностей на головке каждого рельса и воспринимают при прохождении по коротким неровностям виброускорения в вертикальном направлении и передают их в виде электрического сигнала на входы второго согласующего устройство (СУ) 5, имеющего два канала обработки информации от датчиков (ВУБ) 4 левого и правого колеса.

Сигналы от первого датчика (ВУБ) 4 (левого колеса) интегрируются в фильтре 22 второго порядка и после усиления по напряжению в усилителе 24 поступают на входы трех компараторов 26, 27 и 28 с тремя различными пороговыми значениями срабатывания, так как СУ 5 различает и обрабатывает три уровня коротких неровностей при величинах неровностей: от 1 до 2 мм, от 2 до 4 мм и свыше 4 мм. Сигналы от второго датчика (ВУБ) 4 (правого колеса) обрабатываются аналогично в фильтре 23, усилителе 25 и компараторах 29, 30 и 31, при этом пороговые значения срабатывания в компараторах 26 и 29, 27 и 30 28 и 31 одинаковые. Сигналы с выходов компараторов 26-31, после запоминания в БОЗУ 32, через магистраль 16 ввода-вывода поступают на входы параллельного порта первой ПЭВМ 17.

N датчиков 6 измерения вертикальных и горизонтальных перемещений головки рельсов относительно кузова (РК) и два датчика 8 измерения ширины колеи (ШК) используются для бесконтактного измерения геометрических размеров рельсовых нитей в оптическом диапазоне волн, при этом датчики (РК) 6 служат для измерения рихтовок и просадок слева и справа по длинной и короткой базе, а датчики (ШК) 8 используются для устранения зависимости измерений от продольных колебаний вагона.

Исходя из требования работы вагона-путеизмерителя как в светлое, так и в темное время суток использована активная схема построения датчиков, заключающаяся в передаче энергии в направлении объекта, размеры до которого необходимо измерить, и в приеме отраженного от него излучения.

В качестве источника излучения в датчиках РК 6 и ШК 8 используются полупроводниковые инфракрасные лазеры с длиной волны излучения от 820 до 860 мкм. Оптическая система каждого лазера формирует на поверхности рельса пятно диаметром от 2 до 6 мм. Отраженный сигнал попадает в электронно-оптический преобразователь (фотоприемник), где преобразуется в электрический сигнал, величина которого пропорциональна измеряемому расстоянию.

Электрические сигналы с первого, третьего и n-1-го датчиков РЕ 6 поступают на первый вход третьего согласующего устройства (СУ) 7, а сигналы со второго, четвертого и n-го датчиков РК 6 поступают на второй вход третьего СУ 7, где преобразуются в коды в соответствующих АЦП и через магистраль 16 ввода-вывода подаются на входы параллельного порта первой ПЭВМ 17.

Электрические сигналы с первого и второго датчиков ШК 8 поступают соответственно на первой и второй входы четвертого согласующего устройства (СУ) 9, где преобразуются в коды в соответствующих первом и втором АЦП и через магистраль 16 ввода-вывода подаются на входы параллельного порта первой ПЭВМ 17.

Шесть датчиков 10 вертикальных перемещений букс относительно кузова (БК), каждый из которых представляет собой электромеханическое устройство на базе вращающегося трансформатора, ротор которого посредством канатно-блочной передачи поворачивается на угол, пропорциональный вертикальному перемещению буксы относительно кузова. Значения вертикальных перемещений в виде электрических сигналов с каждого датчика БК 10 поступают на соответствующий один из входов мультиплексора 33 пятого согласующего устройства 11 и после преобразования в код в АЦП 34 и запоминания в буферном оперативном запоминающем устройстве (БОЗУ) 35, кодовые значения вертикальных перемещений поступают через магистраль 16 ввода-вывода на входу параллельного порта первой ПЭВМ 17.

Принцип действия датчика 12 пройденного пути (ДП) основан на измерении скорости вращения вала колеса путеизмерителя путем формирования импульсного сигнала, частота которого пропорциональна скорости вращения оси колесной тележки и, следовательно, скорости движения и пути, пройденного вагоном-путеизмерителем, при этом сигнал скорости сопровождается сигналом направления движения вагона вперед-назад. Скорость вращения оси колесной тележки измеряется путем фотоэлектрического преобразования сигнала прерываний светового потока щелевой маской, его усиления и формирования электрических импульсных сигналов.

Сигналы с датчика ДП 12 поступают на вход шестого согласующего устройство (СУ) 13 и прямым подсчетом числа выходных импульсов накопительным счетчиком-сумматором 36 определяют пройденный путь, а путем подсчета числа выходных импульсов за мерный интервал времени счетчиком 37 с периодом обнуления 0,2 с определяют скорость движения вагона-путеизмерителя. Полученная информация запоминается в (БОЗУ) 36 и поступает через магистраль 16 ввода-вывода на входы параллельного порта первой ПЭВМ 17.

Угловое положение вагона измеряется гироскопической системой (ГС) 14, при этом определяются курсовой угол, угол крена и угол тангажа кузова вагона относительно плоскости горизонта. Угол крена вагона измеряется в плоскости вагона, перпендикулярной его продольной оси, причем положительный отсчет угла крена соответствует наклону вагона в правую сторону. Угол тангажа измеряется в вертикальной плоскости, проходящей через продольную ось вагона, причем положительный отсчет соответствует подъему некотловой части вагона. Для измерения курсового угла на входы ГС 14 подаются кодовые значения линейной скорости движения вагона-путеизмерителя с выхода счетчика 37 с периодом обнуления 0,2 с, входящего в СУ 13. Аналоговые значения курсового угла, угла крена и угла тангажа преобразуются в цифровое значение соответствующими аналого-цифровыми преобразователями угол-код.

Информация с ГС 14, после преобразования в соответствующий формат цифрового потока в седьмом согласующем устройстве (СУ) 15 поступает через магистраль 16 ввода-вывода на входы параллельного порта первой ПЭВМ 17.

Принцип действия контрольно-вычислительного комплекса основан на сборе по заданной программе информации с датчиков, приведения ее с помощью согласующих устройств к единому формату и выдачи через магистраль 16 ввода-вывода на ПЭВМ 17. ПЭВМ 17 производит сбор информации, ее предварительную обработку и вычисления в реальном времени "миллиметровых" параметров рельсовой колеи, запоминание этих параметров на сменном магнитном носителе и одновременно их передачу с входов-выходов последовательного интерфейса первой ПЭВМ 17 на входы-выходы последовательного интерфейса второй ПЭВМ 18.

Вторая ПЭВМ 18 производит в нереальном масштабе времени анализ информации, ее обработку с бальной оценкой состояния рельсового пути и выдачу информации с отображением на экране и в виде текстовых документов.

Устройство для контроля состояния рельсового пути, разработанное на основе изобретения, позволит применить его на магистральных участках пути любого профиля и неограниченности при скорости движения вагона-путеизмерителя до 250 км/ч. Измерение большого количества параметров при их одновременной обработке позволит повысить достоверность путеизмерительной информации, повысить объективность оценки состояния рельсового пути и ее оперативную выдачу, а также обосновать планирование мероприятий по их ремонту. Вышеперечисленное обуславливает практическую применимость изобретения.

Формула изобретения

Устройство для контроля состояния рельсового пути, содержащее установленные на подрессоренной части вагона-путеизмерителя датчики вертикальных и горизонтальных ускорений кузова, подключенные к первому и второму входам первого согласующего узла, отличающееся тем, что в него введены первый и второй датчики вертикальных ускорений букс, установленные на буксах четвертой колесной пары в некотловой части вагона-путеизмерителя и подключенные соответственно к первому и второму входам второго согласующего узла, n бесконтактных датчиков оптического диапазона волн измерения вертикальных и горизонтальных перемещений головки рельсов относительно кузова, установленных на наружной поверхности днища вагона-путеизмерителя, причем выходы датчиков с нечетными номерами с первого по (n 1)-ый объединены и подключены к первому входу третьего согласующего узла, а выходы датчиков с четными номерами с второго по n-ый объединены и подключены к второму входу третьего согласующего узла, первый и второй бесконтактный датчики оптического диапазона волн измерения ширины колеи, установленные на колесной тележке в некотловой части вагона-путеизмерителя, причем выходы первого и второго датчиков подключены соответственно к первому и второму входам четвертого согласующего узла, первый и второй, третий и четвертый, пятый и шестой датчики вертикальных перемещений букс относительно кузова, установленные на кузове вагона-путеизмерителя соответственно над буксами второй, третьей и четвертой колесных пар, причем выход первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого датчиков подключены к одноименным входам пятого согласующего узла, датчик пройденного пути, установленный на буксе одной из колесных пар и подключенный к входу шестого согласующего узла, гироскопическая система определения курсового угла и углов крена и тангажа кузова вагона относительно плоскости горизонта, установленная на борту вагона-путеизмерителя, причем входы гироскопической системы подключены к выходам текущих значений шестого согласующего узла, а выходы гироскопической системы подключены к входам седьмого согласующего узла, и установленный на борту вагона-путеизмерителя контрольно-вычислительный комплекс, включающий магистраль ввода-вывода, первую и вторую персональные электронные вычислительные машины, причем выходы согласующих узлов через магистраль ввода-вывода подключены к входам параллельного порта первой персональной электронной вычислительной машины для сбора информации, ее предварительной обработки и вычисления параметров рельсовой колеи, входы-выходы последовательного интерфейса первой персональной электронной вычислительной машины соединены с входами-выходами последовательного интерфейса второй персональной электронной вычислительной машины для анализа информации, ее обработки и выдачи.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5