Разработка инерциальных методов и средств измерения параметров рельсового пути

Актуальность проблемы. Железнодорожные аварии всегда имеют серьезные последствия, особенно когда речь идет о перевозках химикатов, нефтепродуктов и взрывоопасных грузов. Одной из причин крушений поездов являются своевременно необнаруженные и неустраненные дефекты пути.

Для поддержания в надлежащим состоянии ж.-д. пути службами путевого хозяйства регулярно проводится комплекс мероприятий, одной из составляющих которого является проверка пути с использованием различных средств диагностики и мониторинга. При контроле геометрии рельсового пути наиболее надежным остается использование путеизмерительных вагоновлабораторий (ПВ).

Согласно инструкции ЦП-714 на сегодняшний день состояние отрезка пути определяется по его качественной оценке. Километр оценивается по количеству и степени обнаруженных на нём отступлений. В зависимости от количества отступлений 2-ой, 3-ей и 4-ой степеней километр характеризуется оценкой с четырьмя градациями: «отлично», «хорошо», «удовлетворительно» и «неудовлетворительно».

Этот критерий оценивает отклонение пути от нормативного положения, не учитывая того, как будет двигаться состав по участку пути, т. е. его динамику.

Принятые в ПВ схемы измерения некоторых геометрических параметров пути помимо инструментальных погрешностей, как показал проведенный в работе анализ, характеризуются существенными методическими. Случайный характер динамической составляющей результатов измерения, полученных традиционными методами, приводит к низкой повторяемости, а следовательно, к уменьшению достоверности, исключающей сравнительный анализ реализаций. Поэтому для правильной интерпретации результатов контрольных проездов, записанных в условиях сложного динамического взаимодействия ПВ и рельсового пути, необходимо учитывать характер его движения.

Разработка новых методов, направленных на повышение эффективности и достоверности контроля технико-эксплуатационного состояния ж.-д. пути, а, следовательно, и безопасности движения поездов, очень актуальна, особенно в период развития в России высокоскоростных железнодорожных сообщений.

Целью работы является разработка методов и средств измерения параметров рельсового пути на основе современных инерциальных технологий и интегрированных систем.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

— разработать бесхордовый инерциальный метод измерения просадки рельсовых нитей;

— разработать методы измерения путеизмерительным вагоном вертикальной и боковой жесткостей рельсовых нитей;

— разработать математическую модель, описывающую зависимость динамической деформации пути от параметров движения ПВ;

— разработать принципы построения интегрированной системы современного путеизмерительного комплекса.

Методы исследования базируются на теории инерциальной навигации, теории оптимальной обработки информации, методах математического и имитационного моделирования.

Научная новизна:

— разработан бесхордовый инерциальный метод измерения просадки рельсовых нитей, учитывающий влияние характера движения кузова ПВ на результат измерения просадки;

— разработаны методы, позволяющие измерять путеизмерительным вагоном вертикальную и боковую жесткости рельсовых нитей;

— для реализации предложенных методов разработаны принципы построения интегрированной системы современного путеизмерительного комплекса с использованием микромеханических инерциальных измерительных модулей (НИМ).

Достоверность научных и практических результатов подтверждается:

— сравнением полученных результатов с имеющимися в литературе экспериментальными данными;

— прохождением экспертизы в Российском агентстве по патентам и товарным знакам и выдачей патентов на способы измерения ПВ вертикальной и боковой жесткостей рельсовых нитей;

— критическим обсуждением результатов работы на научно-технических конференциях.

Практическое значение работы:

— внедрение новых методов в путеизмерительный комплекс не требует дополнительной дорогостоящей технической переоснастки, а заключается в рациональной организации алгоритмов сбора и обработки измерительной информации от штатных измерительных устройств ПВ;

— результаты экспериментальных исследований разработанных НИМ в составе ПВ ЦНИИ-4 МД Октябрьской железной дороги показали целесообразность их интегрирования с датчиковой аппаратурой ПВ (инерциальной навигационной системой, системой датчиков линейных перемещений, одометром) для повышения достоверности контроля рельсового пути.

Вместе с тем, следует отметить, что в путеизмерительной практике не предусмотрено использование оценочного параметра, который бы давал информацию о жесткости рельсового пути (прочности или несущей способности). В отсутствии прямого метода измерения жесткости пути о его несущей способности сегодня можно судить лишь косвенно по параметрам, измеряемым ПВ. В работе обосновывается актуальность и необходимость оценивания боковой и вертикальной жесткостей рельсового пути наряду с другими параметрами, измеряемыми в процессе проезда ПВ, и предлагаются для этого методы и средства.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Бесхордовый инерциальный метод измерения просадок рельсовых нитей, учитывающий влияние характера движения кузова вагона на результат измерения просадки;

2. Метод, позволяющий измерять путеизмерительным вагоном вертикальную жесткость рельсовых нитей;

3. Метод, позволяющий измерять путеизмерительным вагоном боковую жесткость рельсовых нитей;

4. Математическая модель, описывающая зависимость динамической деформации пути от параметров движения ПВ;

5. Принципы построения интегрированной системы современного путеизмерительного комплекса, позволяющие реализовать предложенные методы измерения параметров пути.

Выводы по главе 4.

1. Обращено внимание на предшествующие исследования, направленные на решение вопросов нормирования геометрических параметров рельсового пути.

2. Разработана математическая модель динамического взаимодействия подвижной нагрузки и упругого пути, что позволило получить зависимость динамических деформаций пути от параметров движения и в итоге перейти к нормированию результатов измерения.

3. Предложена модель интегрированной системы современного путеизмерительного комплекса с использованием разработанных малогабаритных инерциальных измерительных модулей.

Заключение

.

Данная работа направлена на развитие методов и средств, позволяющих повысить эффективность и достоверность контроля технико-эксплуатационного состояния ж.-д. пути.

Алгоритмы, реализующие предложенные методы, основаны на более полном и эффективном использовании уже имеющихся в арсенале ПВ технических средств (БИНС, СДП, одометр) и специально разработанных микромеханических инерциальных измерительных модулей.

В диссертационной работе изложены следующие новые и практически значимые результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований:

1. Разработан и исследован бесхордовый инерциальный метод измерения путеизмерительным вагоном просадок рельсовых нитей. По сравнению с традиционным методом, основанным лишь на использовании информации датчиков БК, здесь также используется информация об угловом и линейном движении кузова, вырабатываемая БИНС. Результаты постобработки данных ПВ показали эффективность предложенного метода.

2. Разработан метод, позволяющий измерять путеизмерительным вагоном вертикальную жесткость рельсового пути и проведено имитационное моделирование.

3. Разработан метод, позволяющий измерять путеизмерительным вагоном боковую жесткость рельсового пути и даны рекомендации по выбору датчиков, для измерения рамных сил.

4. Разработана математическая модель, характеризующая зависимость динамических деформаций пути от параметров движения.

5. Разработаны принципы построения интегрированной системы современного путеизмерительного комплекса, позволяющие реализовать предложенные новые методы.

Разработанные методы измерения путеизмерительным вагоном вертикальной и боковой жесткостей рельсового пути прошли экспертизу в Российском агентстве по патентам и товарным знакам и запатентованы.

Таким образом, научные и практические результаты, полученные в диссертационной работе, могут быть использованы при проектировании новых и модернизации существующих путеизмерительных комплексов на отечественных и зарубежных железных дорогах.