Способ диагностирования рельсового пути и подвижного состава

Способ диагностирования рельсового пути и подвижного состава

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Изобретение относится к области дефектоскопии и неразрушающего контроля.

Уровень техники

Возможность регистрировать изменения состояния рельсового пути в процессе движения железнодорожного состава на значительном расстоянии от локомотива (в пределах, по крайней мере, одного километра), актуальна в плане решения ряда задач обеспечения безопасности перевозок:

1. Общая тенденция роста скорости движения железнодорожного транспорта, перспективное строительство скоростных магистралей, делают актуальным оснащение железнодорожных составов системами, способными своевременно выявлять наличие на маршруте следования опасных препятствий или разрушений. Дело в том, что при скорости движения состава ~100 км/час, его тормозной путь при экстренном торможении составляет величину ~1 км. Соответственно локомотивная бригада, используя лишь визуальный контроль пути, оказывается не в состоянии своевременно отреагировать на возможные опасные преграды, такие как оползни, завалы, случайно отцепившиеся вагоны идущих впереди составов, разрушение рельсов работающей рядом или пересекающей путь тяжелой техникой. В последнее время возросла опасность диверсионных разрушений. В некотором смысле высокоскоростные составы двигаются вслепую, опираясь лишь на косвенные данные о степени безопасности маршрута.

Подобная ситуация стимулирует изучение возможности разработки системы, способной фиксировать отмеченные выше опасные макроскопические дефекты дороги на удалении превышающем тормозной путь. Характерной особенностью железных дорог является наличие искривленных участков. Поэтому использование существующих методов контроля местности, основанных на радиочастотной или лазерной локации, а также телеоптических, требующих прямого наблюдения удаленных объектов, в данном случае представляется малоперспективным.

2. Сход вагонов с рельсов является серьезной проблемой для обеспечения безопасности движения железнодорожного транспорта. Зарегистрировать тот факт, что колесные пары вагона теряют контакт с рельсами, или что вагон уже сошел с рельсов и катится по шпалам, также оказывается очень тяжело вплоть до того момента, когда происходит его опрокидывание. Особенно это касается товарных вагонов, необорудованных какими либо устройствами сигнализации. Длина современных товарных поездов может составлять величину порядка километра. И понятно, что машинист на таких расстояниях не в состоянии по каким-либо косвенным признакам определить, что какой-то вагон едет не по рельсам.

Делались попытки разработать способы регистрации схода вагона подвижного состава с рельсов, основанные на регистрации ускорений необрессоренных частей подвижного состава /1/ или устройства автоматического торможения подвижного состава при сходе вагона с рельсов /2/. Дело в том, что колеса сошедшего с рельс вагона, проезжая по шпалам, создают механические колебания с так называемой «шпальной частотой», зависящей от скорости движения поезда и расстояния между шпалами. Эти колебания должны распространяться по полотну дороги и через рельсы и колесные пары воздействовать на датчик ускорений, установленный на локомотиве. Однако, как показали экспериментальные работы, волны колебаний со шпальной частотой очень быстро затухают и по существу, может быть надежно зарегистрирован сход с рельсов только соседнего с локомотивом вагона. Данная ситуация также стимулирует изучение возможностей разработки системы, способной фиксировать сход вагонов с рельсов на удалении соответствующем протяженности поездов.

Известно использование СВЧ-техники для целей диагностики рельсов в процессе движения подвижного состава. В /3/ СВЧ-излучение служит для детектирования смещения поверхности рельса, под действием вибрации и выходящих на поверхность рельса акустических волн, путем выделения сдвига фаз падающей на рельс и отраженной электромагнитной волны. Источник СВЧ-излучения устанавливается при этом над поверхностью рельса. Недостатком данного способа является локальный характер его чувствительности.

Кроме возбуждения и регистрации акустических волн (вибрационных колебаний), на поверхности рельс (в скин-слое), как и на поверхности любого электропроводящего материала, возможно возбуждение вихревых токов. При пересечении вихревыми токами какого-либо поверхностного дефекта (трещины), плотность тока изменяется, что ведет к изменению магнитного потока и может быть зарегистрировано. Это явление используется в хорошо известном магнитном (вихретоковом) дефектоскопе. Этот способ является наиболее близким по технической сущности к предлагаемому, и поэтому выбран в качестве прототипа.

Недостатком вихретокового дефектоскопа является то, что он может выявлять только те дефекты рельсового пути, которые находятся в непосредственной близости от вихретокового датчика.

Раскрытие изобретения

В основу изобретения поставлена задача, за счет увеличения дистанции диагностирования рельсового пути и подвижного состава, расширения функциональных возможностей способа и области его применения:

1) обнаружение опасных макроскопических дефектов железной дороги на удалении, превышающем тормозной путь;

2) регистрация потери контакта колесных пар вагонов состава с рельсами.

Для достижения поставленной технической задачи в способе диагностирования рельсового пути и подвижного состава, путем возбуждения в поверхностном слое рельса переменных электрических токов, регистрации электромагнитного поля этих токов и анализе его характеристик, новым является то, что для увеличения дистанции диагностирования формируют в рельсовом пути импульсы поверхностных электромагнитных волн, распространяющихся в рельсовом пути, как в открытом волноводе, вперед и(или) назад по ходу движения поезда, регистрируют частичные или полные отражения этих импульсов от неоднородностей пути (волновода) и по параметрам отраженных сигналов определяют наличие и характер дефектов рельсового пути и(или) подвижного состава.

Сущность изобретения состоит в использовании радиолокационного принципа поиска целей (дефектов) и соответствующем разнесении во времени сравнительно мощного излучаемого в рельс электромагнитного импульса и сравнительно слабых импульсов частичного отражения от неоднородностей (дефектов) рельсового пути.

Ввиду того, что из уровня техники неизвестны способы дистанционного диагностирования рельсового пути и подвижного состава, основанные на использовании поверхностных электромагнитных волн, оно соответствует критерию "новизна".

Ввиду того, что заявляемое изобретение очевидным образом не следует из аналогов и прототипа, оно соответствует критерию "изобретательский уровень".

Как будет показано ниже, область промышленного применения заявляемого изобретения может быть весьма широкой. Соответственно заявляемое изобретение соответствует критерию "промышленная применимость".

Перечень фигур чертежей

На FIG.1 представлены результаты расчета работы двухэлементного фазированного излучателя на длинную линию. Показан направленный характер излучения.

На FIG.2 представлены результаты расчета отражения расположенного на рельсе препятствия с эффективной высотой 10 см.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

С электротехнической точки зрения современные рельсовые пути представляют собой однопроводную линию передачи (ОЛП) электромагнитной энергии, открытый волновод или длинную линию. Известны различные типы ОЛП: провод без покрытия (линия Зоммерфельда), провод, покрытый слоем диэлектрика (линия Губо), провод с гофрированной поверхностью и другие.

Способы дистанционного обнаружения повреждений в кабельных линиях и линиях электропередач хорошо известны. Они основаны на возбуждении в линии электромагнитной волны и анализе отраженных от ее неоднородностей сигналов.

Отличительной особенностью рельсовых путей является то, что они имеют стыки. Однако рельсовые стыки как правило электрически соединены с помощью специальных накладок и путем пайки, приварки или запрессовки дополнительных соединителей: медных, сталемедных или стальных. Согласно ГОСТ 9.602-89, увеличение сопротивления рельсовых нитей за счет стыков должно быть не более 20%. Токопроводящий стык, с учетом требований ГОСТ 9.602-89, должен иметь электрическое сопротивление не больше сопротивления целого рельса длиной 6 м - при длине рельсовых звеньев 25 м и более. Длина плетей бесстыкового (бархатного) пути может составлять 550-800 м.

Для определения местонахождения поезда на линии ее делят стыками на изолированные участки. Каждый такой участок пути оснащается рельсовой цепью. Длина изолированных участков колеблется в зависимости от его требуемой пропускной способности. Соответственно на подходе к станции и на самой станции, где скорости движения и расстояние между поездами меньше, рельсовые цепи короче, чем на перегоне. Отметим, что как показали проведенные эксперименты, изолирующие стыки дают сильное, но не полное отражение зондирующего импульса.

Теоретическое исследование проблемы проводилось путем анализа системы телеграфных уравнений с параметрами, соответствующими железнодорожному пути.

Основная часть энергии электромагнитного поля поверхностной симметричной Е-волны сосредоточена в цилиндрической области вокруг проводника ОЛП радиусом порядка длины волны. Таким образом, зондирующий импульс должен быть чувствителен не только к объектам, гальванически связанным с рельсом, но и к объектам, от рельса электрически изолированным, но находящихся в непосредственной близости от железнодорожного пути (например, стоящий на путях автомобиль).

В структуре поверхностной Е-волны имеется радиальная составляющая электрического поля E_r и незначительная по величине продольная составляющая E_z. Силовые линии магнитного поля в виде замкнутых круговых линий расположены перпендикулярно и симметрично относительно проводника ОЛП. Для ОЛП необходимо применение специальных устройств возбуждения поверхностной волны. Устройство возбуждения поверхностной волны располагается в области сосредоточения энергии электромагнитного поля.

Распространение зондирующего импульса (тока I и напряжения V) по рельсовому пути можно приближенно описать с помощью телеграфных уравнений:

∂ V ∂ x = − L ⋅ ∂ I ∂ t − R ⋅ I                                                           (1)

∂ I ∂ x = − C ⋅ ∂ V ∂ t − G ⋅ V ,                                                        (2)

где L, R, С, G - характеризующие рельсовый путь удельные индуктивность, сопротивление, емкость и проводимость соответственно.

Из (1, 2) получаем для тока:

∂ 2 I ∂ x 2 = L C ⋅ ∂ 2 I ∂ t 2 + ( R C + L G ) ⋅ ∂ I ∂ t + R G ⋅ I                               (3)

Будем полагать, что параметры L₀, R₀, C₀, G₀ - характеризуют однородный путь (длинную линию). Введем неоднородности линии в точках хс и xr с помощью дельта-функций:

C = C 0 + C 1 ⋅ δ ( x − x c )                                                             (4)

R = R 0 + R 1 ⋅ δ ( x − x r )                                                            (5)

Представим ток I в виде:

I = I 0 + I 1 c + I 1 r ,                                                                      (6)

где I₀ - ток, соответствующий однородной линии, I_1c - возмущение тока, вызванное емкостной неоднородностью рельсового пути, I_1r - возмущение тока, вызванное омической неоднородностью рельсового пути.

Введем параметры скорости распространения волны в линии v, времени релаксации τ, обратного времени затухания сигнала η:

ν = 1 L 0 C 0                                                                    (7)

2 τ = R 0 L 0 + G 0 C 0                                                                (8)

η = R 0 G 0 L 0 C 0                                                                  (9)

Введем оператор

L ^ = ∂ 2 ∂ t 2 + 2 τ ⋅ ∂ ∂ t + η 2 − ν 2 ⋅ ∂ 2 ∂ x 2                                       (10)

Тогда уравнение тока однородной линии будет иметь вид:

L ^ ⋅ I 0 ( t , x ) = 0                                                               (11)

Будем полагать, что в начале координат находится генератор тока:

I 0 ( t ,0 ) = I g ( t ) ,                                                             (12)

где I_g - заданная функция времени.

Другими граничными условиями является отсутствие расходимости тока на бесконечности.

В первом порядке теории возмущений уравнения для токов I_1c и I_1r имеют вид:

L ^ ⋅ I 1 c = − C 1 C 0 ⋅ ∂ 2 I 0 ∂ t 2 ⋅ ∂ ( x − x c )                                       (13)

L ^ ⋅ I 1 r = − ( R 1 L 0 ⋅ ∂ I 0 ∂ t + R 1 R 0 ⋅ η 2 ⋅ I 0 ) ⋅ δ ( x − x r )                     (14)

Сделаем преобразование Фурье по времени тока I₀:

I 0 ( t , x ) = ∫ − ∞ ∞ d ω 2 π ⋅ I 0 ω ( x ) ⋅ exp ( − i ω t )                                              (15)

I 0 ω ( x ) = ∫ − ∞ ∞ d t ⋅ I 0 ( t , x ) ⋅ exp ( i ω t )                                                   (16)

Подставляя (15) в (11), имеем:

[ − ω 2 − 2 i ω τ + η 2 ] ⋅ I 0 ω ( x ) = ν 2 ⋅ I 0 ω ' ' ( x )                                         (17)

Учитывая граничное условие (12), решение (17) будет иметь вид:

I 0 ϖ ( x ) = I g ω ⋅ exp ( i k ω ⋅ x ) ,                                                            (18)

где I_gω - компонента Фурье - разложения функции тока генератора I_g(t).

k ω = ± A ω ν ⋅ exp ( i δ 2 )                                                                    (19)

A ω = ( ω 2 − η 2 ) 2 + 4 ω 2 τ 2 4                                                            (20)

t g ( δ ) = 2 ω τ ⋅ ( ω 2 − η 2 )                                                                  (21)

Исследуем предельные соотношения. Пусть ω→0, тогда tg(δ)→-0, следовательно δ→π. Если ω→∞, тогда tg(δ)→+0, следовательно δ→0.

Тогда окончательно для тока однородной линии можно записать:

I 0 ( t , x ) = ∫ − ∞ ∞ d ω 2 π ⋅ I g ω ⋅ exp [ i ( k ω ⋅ x − ω t ) ]                                        (22)

Рассмотрим пример. Пусть генератор создает сигнал с гармоникой ω_g. Пусть выполняются условия:

ω g τ > > 1                                                                                   (23)

η ω g < < 1                                                                                   (24)

Тогда имеем:

I 0 ( t , x ) ≈ I g ⋅ exp [ i ω g ( x ν − t ) ] ⋅ exp ( − x ν τ )                                  (25)

Решения уравнений (13, 14), можно получить методом функций Грина. Определим функцию Грина G(t. x) оператора L:

L ^ ⋅ G ( t , x ) = δ ( t ) δ ( x )                                                               (26)

Тогда решения уравнений (13, 14) будут равны свертке функции Грина с правыми частями соответствующих уравнений.

Сделаем преобразование Фурье функции G(t,x) по координате:

G ( t , x ) = ∫ − ∞ ∞ d k 2 π ⋅ G k ( t ) ⋅ exp ( i k x )                                                (27)

Имеем:

∂ 2 G k ( t ) ∂ t 2 + 2 τ ⋅ ∂ G k ( t ) ∂ t + [ k 2 ν 2 + η 2 ] ⋅ G k ( t ) = δ ( t )                        (28)

Решение (28) имеет вид:

G k ( t ) = Θ ( t ) α k ⋅ sin ( α k t ) ,                                                               (29)

где α_k - есть решение уравнения:

α k 2 − 2 i α k τ − ( k 2 ν 2 + η 2 ) = 0                                                      (30)

Таким образом, функцию Грина уравнения (26) можно представить в виде интеграла:

G ( t , x ) = Θ ( t ) ∫ − ∞ ∞ d k 2 π ⋅ sin ( α k t ) α k ⋅ exp ( i k x )                                        (31)

Легко видеть, что выражение (31), свернутое с правыми частями уравнений (13 и 14), описывает вторичные волны тока I_1c и I_1r, порождаемые первичной волной I₀, рассеиваемой на неоднородностях железнодорожного пути (длинной линии).

Данное элементарное описание процесса трансляции и рассеяния зондирующего импульса по линии, требует существенного уточнения. Дело в том, что очень существенной может оказаться зависимость омического сопротивления линии от частоты. Известно, что СВЧ ток течет не по всему сечению проводника, а только по его поверхности, в скин-слое толщиной Δ, зависящей от частоты сигнала. В системе СИ толщина скин-слоя записывается в следующем виде:

Δ = 2 ρ ω μ μ 0 ,                                                                        (32)

где ρ - удельное электрическое сопротивление проводника, µµ₀ - относительная и абсолютная магнитные проницаемости проводника.

Пусть для простоты проводник имеет вид цилиндра радиуса r₀. Тогда его удельную проводимость R₀ можно записать в виде:

R 0 = χ ⋅ ω ,                                                                      (33)

где

χ = 1 2 π ⋅ r 0 ⋅ μ μ 0 ρ 2                                                           (34)

Легко видеть, что в этом случае, например, длина затухания сигнала vτ, выражение (25), будет обратно пропорционально частоте электромагнитного импульса:

ν τ = 2 ν L 0 χ ω                                                                          (35)

Неоднородности линии ведут к частичным отражениям. В рельсе скорость распространения электромагнитного импульса близка к скорости света - 300 м/мкс. Зондирование на километровую дистанцию в этом случае занимает время в пределах 10 мкс. С учетом времени переключения на работу локатора «вперед» и «назад», будем полагать, что период следования зондирующих импульсов составляет 100 мкс.

Пусть поезд идет со скоростью 120 км/час (примерно 30 м/с). При периоде генерации зондирующих импульсов в 100 мкс имеется возможность многократного повторения «экспериментов» по исследованию состояния железнодорожного пути как «вперед», так и «назад». Так, за 1 секунду будет проведено число экспериментов N=10000. Статистическая обработка может позволить, используя математические методы обработки сигналов, подавить шум и выделить сигнал от дефекта. Известно, например, что при проведении N экспериментов, погрешности измерения величин уменьшаются обратно пропорционально корню квадратному из N.

Анализ характера отражения сигнала в рельсах от дефектов пути различного типа показывает, что при сплошном разрушении рельсового пути коэффициент отражения К=1 для всех гармоник импульса. При наличии на линии локальной присоединенной емкости, чему физически может соответствовать, например, стоящий на путях вагон, коэффициент отражения содержит два члена, пропорциональных частоте в первой и во второй степени. Оценки показывают, что возможна и регистрация металлических объектов, находящихся на небольшой глубине под поверхностью полотна дороги.

Таким образом, анализ амплитудно-частотной характеристики отраженного сигнала, может позволить делать заключения о характере дефекта рельсового пути.

Технически генерация зондирующего импульса и регистрация отраженного импульса может быть обеспечена как индукционными, так и емкостными устройствами.

Результаты моделирования показывают, что возможно формирование направленного излучения (вперед-назад) с помощью нескольких простейших излучателей, запитанных со сдвигом фазы (фазированной антенной решетки).

Рассмотрим формирование направленного импульса в рельсах. Пусть мы имеем простейший фазированный излучатель, состоящий из двух элементов. Первый излучатель находится в начале координат и формирует волну φ₁ единичной амплитуды и частотой ω в линии, описываемую выражением (36).

ϕ 1 ( t , x ) = Θ ( x ) ⋅ sin [ ω ⋅ ( t − x ν ) ] + Θ ( − x ) ⋅ sin [ ω ⋅ ( t + x ν ) ] ,                      (36)

где v - скорость распространения волны в линии.

Второй излучатель находится в точке с координатой а=λ/4, где λ - длина волны, и формирует волну φ₂ с задержкой по фазе относительно волны φ₁ на величину a/v.

φ 2 ( t , x ) = Θ ( x − a ) ⋅ sin [ ω ⋅ ( t − x ν + a ν − a ν ) ] + Θ ( a − x ) ⋅ sin [ ω ⋅ ( t + x ν − 2 a ν ) ]     (37)

Ввиду линейности волновых уравнений, волны φ₁ и φ₂ складываются. Суммарная волна φ=φ₁+φ₂, будет иметь вид:

φ ( t , x ) = Θ ( x − a ) ⋅ 2 sin [ ω ⋅ ( t − x ν ) ] − Θ ( x ) ⋅ Θ ( a − x ) ⋅ 2 sin ( k x ) ⋅ cos ( ω t )          (38)

где k=2π/λ.

Таким образом, в данном случае между излучателями формируется стоячая волна. Вперед, за излучателями, распространяется волна удвоенной амплитуды. Назад, за излучателями, волны взаимно гасятся.

В целом проведенные исследования показали, что все устройство локатора может быть выполнено достаточно компактным, иметь малое энергопотребление (на уровне ~1 Вт) и может быть установлено на любом рельсовом транспортном средстве.

Структурный состав Системы электромагнитного зондирования

Система должна состоять из двух каналов радиолокатора (по одному на каждый рельс), устройства точного позиционирования (Глонасс или GPS), блока памяти с картиной «бездефектного пути» (например, отражений от изолирующих стыков и стрелок) и нормальных отражений от колесных пар вагонов поезда, а также компьютера, обеспечивающего сравнение в реальном режиме времени радиолокационных картин бездефектного пути и нормальных отражений от колесных пар вагонов поезда, с контролируемым в данный момент;

Радиолокатор должен состоять из регулируемого генератора электрических импульсов специальной формы; коммутатора, обеспечивающего поочередную трансляцию импульса на каждую приемо-передающую антенну; синхронизатора, обеспечивающего открытие входа усилителя приемника на определенный временной интервал, соответствующий времени прихода отраженного сигнала.

Блок памяти должен обеспечивать введение и хранение параметров отраженных импульсов, соответствующих нормальному состоянию пути и нормальному состоянию вагонов.

Блок питания должен обеспечивать работу Системы от стандартных бортовых источников питания.

Бортовой компьютер Системы на основе соответствующего программного обеспечения и с учетом данных по бездефектному пути должен обеспечивать обработку полученной информации с выдачей заключения о степени безопасности маршрута и о состоянии вагонов поезда.

Дополнительные возможности

Известен так называемый магнитоупругий эффект или эффект Виллари, состоящий в том, что под действием механических напряжений изменяются магнитные свойства тел (см. напр. /4/), в частности, магнитная проницаемость ферромагнитных сталей, в том числе и рельсовых.

От магнитной проницаемости зависит глубина скин-слоя, в котором по поверхности ферромагнитного проводника (рельса) распространяется электромагнитный импульс. А от глубины скин-слоя зависит удельное электрическое сопротивление линии (рельсового пути). Неоднородности линии ведут к частичным отражениям. Зондирование на километровую дистанцию в этом случае (с учетом скорости распространения электромагнитного импульса ~300 м/мкс) занимает время в пределах 10 мкс. С учетом времени переключения на работу локатора «вперед» и «назад», будем полагать, что период следования зондирующих импульсов составляет 100 мкс. Колесо вагона имеет диаметр 1 метр и, соответственно, длину окружности - примерно 3 м.

Пусть поезд идет со скоростью 120 км/час (примерно 30 м/с). Тогда, если на колесе есть дефект (например, лыска или ползун), то с периодом в 0.1 секунду, он будет ударяться об рельс, генерируя избыточные волны деформации и меняя картину отражения. При частоте генерации зондирующих импульсов в 100 мкс эта картинка должна хорошо прописываться и, например, за 100 с "эксперимент по обнаружению дефектного колеса" будет повторен 1000 раз. Это может позволить, используя математические методы обработки сигналов, подавить шум и выделить сигнал от дефекта.

Таким образом, имеется теоретическая возможность дистанционного мониторинга некоторых дефектов подвижного состава.

Если окажется возможным определять с достаточной точностью координаты колесных пар вагонов, а соответственно, и самих вагонов, то окажется возможным определять степень растяжения/сжатия сцепок вагонов. Данная информация может быть использована для выбора оптимального режима работы силовой установки локомотива.

Рельсовый локатор может быть независимым источником информации об обрыве или расстыковке одного или группы вагонов от остального состава.

Наконец, несмотря на повышенное количество изолирующих стыков на подъездных путях, рельсовый локатор может служить для предотвращения столкновений маневрирующих локомотивов

Источники информации

1. Меркулов В.И.; Мисевич В.Н.; Славинский З.М.; Трошкина Е.И.; Шарадзе О.Х. Патент РФ №2137633 от 08.09.1998.

2. Смирнов В.В.; Меркулов В.И.; Мисевич В.Н.; Славинский З.М.; Шарадзе О.Х.; Кулемин В.Н.; Ерилин