Автоматизированный комплекс для диагностирования параметров положения контактного провода и изоляции контактной сети из транспортного средства

Эксплуатационная длина электрифицированных участков железных дорог России в 2000 году превысила 40 тыс. км. Удельный вес перевозок на электрической тяге достиг 79% от общего объема. Для обеспечения бесперебойной и безаварийной работы электрифицированных железных дорог необходим своевременный контроль параметров контактной сети. Основная доля повреждений приходится на провода и изоляторы.

В настоящее время для периодического диагностирования параметров контактной сети применяются специальные вагоны-лаборатории. Эти вагоны измеряют высоту, зигзаг, износ контактного провода, нажатие, удары, отрывы токоприемника, производят привязку к местности, осуществляют запись параметров для балльной оценки контактной сети. Однако, применение этих вагонов требует больших затрат, вагоны нового поколения очень дороги, не защищены от вандализма. С помощью этих вагонов проверяется контактная подвеска только главных путей один раз в три месяца. За это время параметры контактной подвески могут недопустимо измениться, что может привести к задержке поездов и к большим расходам. Боковые пути станций с помощью вагона-лаборатории не проверяются. Число вагонов — лабораторий ограничено, на каждой дороге России имеется в основном по одному такому вагону. Контроль изоляции контактной сети с помощью вагона — лаборатории при его движении не осуществляется.

Для оперативной работы на контактной сети необходимо использовать специальные устройства, установленные на широко применяемых автомотрисах. Эти устройства должны обеспечивать первоочередные задачи оперативного контроля с записью таких важнейших параметров контактной сети как высота и зигзаг контактного провода, отметки опор, номера опорс указанием мест, где высота и зигзаг имеют выход за предельно допустимые значенияс фиксацией местоположения дефектной изоляции и с выдачей протокола измерений высоты 6 и зигзага и контроля изоляции на бланке или в электронном виде. Такое устройство должно быть бесконтактным, чтобы обеспечить безопасность и удобство работы. При путевых работах контактный провод может недопустимо сместиться относительно оси пути, что приведет к поломке токоприемника электровоза и к задержке поездов. Специальные вагоны-лаборатории не обеспечивают оперативный контроль параметров контактной сети. У этих вагонов нет оборудования для проведения быстрых исправлений выявленных отклонений от норм. Автомотрисы предназначены для оперативного исправления недостатков контактной подвески, однако, автомотрисы не имеют устройств для автоматизированного контроля с записью значений высоты и зигзага контактного провода и для автоматической фиксации мест нарушения изоляции. При обнаружении указанных аномалий имеются условия для немедленного устранения неисправностей с использованием автомотрисы, так как на автомотрисе имеются инструменты и материалы для работы. Однако, на автомотрисе невозможно применять современные оптические устройства, используемые в вагоне-лаборатории для измерения высоты, зигзага и для отметки опор контактной сети, так как эти устройства специально разработаны для вагона и имеют параметры, которые не позволяют размещать их на автомотрисах. Кроме того, не известно практическое применение устройств для контроля изоляции контактной сети из движущегося транспортного средства. Для автомотрис необходимы устройства, которые должны быть бесконтактными для безопасности труда и работать в движущемся с обычной скоростью транспортном средстве (автомотрисе) для значительного повышения производительности труда. Эти устройства должны быть съемными, иметь небольшие габариты, с возможностью простого монтажа и демонтажа для хранения вне автомотрисы. Применение указанных устройств позволит обеспечить повышение надежности работы устройств тягового электроснабжения за счет своевременного обнаружения дефектов на контактной сети.

В настоящее время таких портативных устройств на автомотрисах не имеется. Отсутствуют теоретические разработки, нет аппаратных и программных средств, не разработаны методы применения портативных бесконтактных устройств для автоматизированного контроля высоты, зигзага контактного провода и автоматических устройств для обнаружения дефектных изоляторов контактной сети из движущейся с обычной скоростью автомотрисы. Данная работа посвящена решению этой проблемы.

Цель исследований — это создание портативного автоматизированного комплекса для диагностирования контактной сети с помощью автомотрисы для повышения частоты контроля, расширения функций контроля и повышения надежности эксплуатации контактной сети. Цель достигается решением следующих задач:

— разработка новых способов оптического измерения высоты и зигзага контактного провода из движущейся автомотрисы;

— разработка нового способа диагностирования изоляции контактной сети из движущегося транспортного средства с использованием ультразвуковой технологии и оптической системы;

— разработка и исследование методов подавления помех при измерениях высоты и зигзага контактного провода и при контроле изоляции из движущегося транспортного средства;

— разработка устройств, алгоритмов и программ для новых способов измерения высоты и зигзага контактного провода и для нового способа диагностирования изоляции;

— исследование погрешностей измерения высоты и зигзага контактного провода и определение условий проведения измерения, при которых погрешности не превышают нормированных значений;

— исследование условий достоверного обнаружения дефектных изоляторов из транспортного средства;

— разработка методик калибровки разработанных устройств в эксплуатации- 8

— оценка экономической эффективности применения разработанных устройств.

Для решения поставленных задач использовались следующие методы исследования:

— экспериментальные исследования в лаборатории и в условиях производства;

— математическое компьютерное моделирование;

— методы математической статистики и планирования эксперимента.

Научная новизна работы.

— Научное обоснование и исследование новых, подтвержденных патентами на изобретение, оптических способов измерения высоты и зигзага контактного провода и нового ультразвукового способа обнаружения дефектных изоляторов;

— Разработка компьютерной программы для измерения высоты и зигзага контактного провода, которая зарегистрирована в Российском агентстве по патентам и товарным знакам;

— Исследование погрешностей новых способов и устройств, разработка компьютерной программы для Фурье-анализа в реальном времени погрешности измерения высоты и зигзага контактного провода;

— Разработка методики и компьютерной программы для калибровки предложенных устройств;

— Разработка программы для автоматической ультразвуковой диагностики изоляции контактной сети из движущегося транспортного средства с привязкой к опорам контактной сети, которая зарегистрирована в Российском агентстве по патентам и товарным знакам.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

— В соответствии с планами НИОКР МПС за 1999 — 2001 годы разработано и внедрено в эксплуатацию в службе «Электроснабжение» СКЖД устройство КОНТРОЛЬ-К для применения на автомотрисе типа АРВ для измерения высоты и зигзага контактного провода- 9

— Расчетный экономический эффект на пятый год эксплуатации устройства КОНТРОЛЬ-К составит 124 760 руб;

— В соответствии с планами НИОКР МПС за 1999 — 2000 годы разработано и внедрено в эксплуатацию в службе" Элекроснабжение «СКЖД устройство ТОРНАДО для диагностирования фарфоровых изоляторов контактной подвески из движущегося транспортного средства;

— Расчетный экономический эффект на пятый год эксплуатации устройства ТОРНАДО составит 775 755 руб.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались:

На 57-й научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава РГУПС, посвященной Дню науки (Ростов-на-дону, 1998 г.);

На Второй международной отраслевой научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта и роль молодых ученых в их решении «(Ростов-на-Дону, 2000 г.);

На заседании технико-экономического совета службы «Электроснабжение» СКЖД (Ростов-на-Дону, 2000 г.);

На Второй международной научно-практической конференции «Безопасность транспортных систем» (Самара, 2000 г.) — На выставке «ЭКСШЖД-2001 «(Москва);

На заседании секции электрификации и электроснабжения Научнотехнического совета Министерства путей сообщения Российской Федерации по вопросам диагностики тарельчатых изоляторов (Москва, 2001 г.).

На защиту выносятся следующие основные положения работы:

1) методы оптического измерения высоты и зигзага контактного провода;

2) алгоритмы и программы оптического измерения высоты и зигзага контактного провода;

3) методика, алгоритм и программа оптической калибровки устройства для измерения высоты и зигзага контактного провода;

4) результаты исследования погрешностей измерения высоты и зигзага контактного провода в условиях эксплуатации на автомотрисе типа АРВ;

5) метод диагностики изоляции контактной сети из движущегося транспортного средства на основе регистрации ультразвуковых колебаний от частичных разрядов (ЧР);

6) алгоритм и программа для автоматического обнаружения дефектной изоляции;

7) вспомогательные средства для автоматической привязки результатов измерения к номерам опор и пройденному пути.

По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и приложений. Работа содержит 244 страницы основного текста, 29 таблиц, 92 рисунка, список литературы из 103 наименований, 28 страниц приложений.

7.3 Выводы

— интегральный экономический эффект от применения устройства КОНТРОЛЬ-К для измерения высоты и зигзага контактного провода на одной дистанции электроснабжения на пятый год эксплуатации составляет 124 760 рублей;

— начиная с третьего года эксплуатации прибыль от применения устройства КОНТРОЛЬ-К перекроет затраты на приобретение этого устройства;

— интегральный экономический эффект от применения устройства ТОРНАДО на пятый год эксплуатации составляет 775 755 рублей;

— начиная со второго года эксплуатации прибыль от применения устройства ТОРНАДО перекроет затраты на его приобретение.

Заключение

1. Предложены и испытаны три бесконтактные оптические системы для измерения высоты и зигзага контактного провода: перваяс использованием оптического излучателявтораяс использованием запатентованного метода отслеживания контактного провода и токоприемника при естественном освещениитретьякомпактная зеркальная стереосистема. На основе исследований признана лучшей для использования на автомотрисе зеркальная стереосистема, изготовленная на специализированном оптико-механическом заводе с точностью установки элементов системы до долей угловой минуты.

2. Разработан и внедрен в эксплуатацию на СКЖД с методикой применения портативный автоматизированный комплекс КОНТРОЛЬ-К для измерения из движущегося транспортного средства параметров контактной сети. Комплекс состоит из оптической системы, портативного компьютера со специально разработанным программным обеспечением, принтера, блока автономного питания, размещенных в небольшом кейсе. Программа зарегистрирована в Российском агенстве по патентам и товарным знакам.

3. Суммарные погрешности измерения высоты и зигзага с помощью устройства КОНТРОЛЬ-К составляют 48 и 27 мм соответственно при скорости движения не более 40 км/ч, что не больше нормативных значений ±50 мм для высоты и ±30 мм для зигзага.

4. Разработаны и внедрена в эксплуатацию на СКЖД: методика, техническое обеспечение и компьютерная программа калибровки устройства КОНТРОЛЬ-К для измерения высоты и зигзага контактного провода из автомотрисы типа АРВ.

5. Предложен и исследован способ контроля фарфоровой изоляции контактной сети с оригинальной методикой выделения полезного сигнала на фоне помех при приеме ультразвуковых сигналов из движущегося со скоростью не более 60 км/ч транспортного средства.

6. Разработаны и внедрены в эксплуатацию на СЮКД: алгоритм, программа и устройство ТОРНАДО с методикой применения для автоматического контроля изоляции из движущегося транспортного средства. Программа зарегистрирована в Российском агенстве по патентам и товарным знакам.

7. Получены практические результаты, которые доказывают эффективность применения устройства ТОРНАДО, при этом вероятность обнаружения дефектных изоляторов при скорости движения не более 60 км/ч и при температуре воздуха не ниже +20 °С составляет величину не менее 0.9.

8.Разработаны с компьютерными программами и внедрены в эксплуатацию вспомогательные средства: оптический метод и устройство для фиксации опор контактной сети вероятностью обнаружения опоры 0.99, подтвержденую практикойустройство для измерения скорости движения транспортного средства и пройденного пути на основе индукционного датчика.

9. Интегральный экономический эффект от применения устройства КОН-ТРОЛЬ-К для измерения высоты и зигзага контактного провода на одной дистанции электроснабжения на пятый год эксплуатации составляет 124 760 рублей. Интегральный экономический эффект от применения устройства ТОРНАДО на пятый год эксплуатации составляет 775 755 рублей.