Инерциальная система мониторинга состояния рельсового пути на основе молекулярно-электронных датчиков движения

Инерциальная система мониторинга состояния рельсового пути на основе молекулярно-электронных датчиков движения. Полезная модель относится к области железнодорожного транспорта, к малогабаритным и экономичным системам (устройствам) мониторинга состояния рельсового пути, в частности, к системам, основанным на инерционных измерениях, и может найти применение для измерения параметров рельсового пути и выявления участков с потенциальными дефектами. Система мониторинга состояния рельсового пути, состоящая из измерительного блока, содержащего три ортогонально ориентированных высокочувствительных широкополосных датчика линейных движений и три ортогонально ориентированных высокочувствительных широкополосных датчика угловых движений, закрепленного на колесной паре локомотива; блока приема спутникового сигнала точного времени и пространственного местоположения; блока цифровой электроники, преобразующего сигналы датчиков в цифровую форму и синхронизирующего их со спутниковыми сигналами точного времени и пространственного местоположения, с носителем информации для записи и хранения цифровых данных, отличающаяся тем, что датчики линейных и угловых движений выполнены с использованием жидкостной инерционной массы и молекулярно-электронного чувствительного элемента, преобразующего движение жидкости в электрический сигнал, обеспечивающий возможность обнаружения прогиба рельсового пути на уровне 0,25 мм и 1,00 мм, на длинах участков 10 и 40 метров, соответственно, при скорости движения локомотива 60 км/ч. Предлагаемая полезная модель может найти широкое применение в системах непрерывного мониторинга состояния рельсового пути как мобильная, малогабаритная и недорогая система быстрого развертывания. Она позволяет обнаруживать дефекты рельсового пути, охарактеризовать дефект количественно и сравнить его с допустимым для данного участка значением. Непрерывный характер мониторинга позволяет отслеживать развитие имеющихся дефектов и появление новых. Выходной сигнал инерциальных датчиков синхронизован со спутниковым сигналом точного времени и пространственного местоположения, что обеспечивает привязку обнаруженных дефектов ко времени и к географическим координатам участка рельсового пути.

Полезная модель относится к области железнодорожного транспорта, к малогабаритным и экономичным системам (устройствам) мониторинга состояния рельсового пути, в частности, к системам, основанным на инерционных измерениях, и может найти применение для измерения параметров рельсового пути и выявления участков с потенциальными дефектами.

Уровень техники

Известны изобретения и полезные модели, относящиеся к измерительным приборам (устройствам), предназначенным для контроля состояния рельсовых путей.

В настоящее время разработкой такой контрольно-измерительной аппаратуры занимаются многие организации и предприятия: Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ, Москва), Государственное унитарное предприятие Центр внедрения новой техники и технологий «Транспорт» (г.Омск), Сибирский государственный университет путей сообщения (г.Новосибирск), ЗАО Научно-исследовательский институт интроскопии Московского научно-производственного объединения «Спектр», Научно-исследовательский институт тепловозов и путевых машин (Москва), ЗАО Завод «Измерен» (Санкт-Петербург).

Известно устройство для контроля состояния рельсового пути по авторскому свидетельству СССР на изобретение 1671756 А1, Е01В 35/00, В61К 9/08, опубл. 23.08.91. Бюл. №31. Изобретение относится к устройствам для определения неисправностей рельсовых путей, а именно отклонений их в продольном профиле, плане или по уровню. Цель изобретения повышение надежности. Устройство имеет датчики 1-3, соответственно, вертикальных, горизонтальных и угловых ускорений, выходы которых связаны с пороговыми блоками 7-9, которые выходами подключены к регистратору 11, а уплотняющими входами соединены с датчиком 10 скорости. При наезде рельсового транспортного средства на опасное отклонение пути, кузов (тележка) совершает резкое колебательное движение, соответственно, по вертикали, горизонтали или угловое, величины ускорений которых зависят как от величины отклонения пути и коэффициента передачи рессорной подвески, так и от скорости движения. Значение ускорений в виде электрических сигналов от датчиков 1-3

через фильтры 4-6, где выделяются полезные низкочастотные составляющие сигналов, соответствующие отклонениям пути, поступают на входы пороговых блоков 7-9. Резистор 17 определяет порог срабатывания порогового блока и настраивается на величину сигнала ускорения, соответствующего опасному отклонению пути в продольном профиле, плане или по уровню с учетом коэффициента передачи рессорной подвески. При поступлении сигнала опасного отклонения, превышающего порог срабатывания пороговых блоков 7-9, транзистор 14 отпирается и реле 15 своими контактами дает сигнал на регистратор 11.

Известно устройство для многопараметрового контроля объектов путей сообщения по патенту РФ на изобретение 2082640 С1, В61К 9/00, 9/10, 9/12, опубл. 27.06.97. Бюл. №18. Устройство содержит генератор, матричный вихретоковый преобразователь параметра объекта контроля в электрический сигнал, электрический калибратор, процессорный узел обработки и регистрации информации и формирователь сигналов имитации взаимодействия матричного преобразователя и объекта контроля с нормируемыми параметрами, выполненный в виде включенных параллельно имитационных цепей, каждая из которых включает в себя выполненный на полевом транзисторе усилительный элемент, в выходную цепь которого включен конденсатор, при этом входами усилительных элементов образованы входы, а их объединенными выходами - выход упомянутого формирователя, число имитационных цепей выбрано не меньшим числа параметров контролируемых объектов, а в матричном преобразователе обе катушки индуктивности совмещены своими геометрическими центрами с осью симметрии, перпендикулярной плоскости преобразователя, и повернуты вокруг этой оси относительно друг друга на 90°, при этом каждая секция восьмеркообразных катушек выполнена с автономными входами и выходами. Изобретение относится к системам измерения, контроля и диагностики, и может быть использовано в устройствах для бесконтактного контроля геометрических параметров верхнего строения пути и ходовых частей подвижного состава.

Известен способ контроля состояния рельсового пути и устройство для его осуществления по патенту РФ на изобретение 2114950 С1, Е01В 35/00, В61К 9/08, опубл. 10.07.98 Бюл. №19. Изобретение предназначено для контроля и оценки состояния рельсовых путей. Способ контроля состояния рельсового пути заключается в том, что определяют географические координаты места старта вагона-путеизмерителя по данным спутниковой навигационной системы и запоминают их совместно с априорным значением. В процессе движения вагона-путеизмерителя циклически и асинхронно измеряют значения пройденного пути, силовых факторов динамического взаимодействия подвижного состава и рельсового пути, высоты неровностей на поверхности катания рельсов, углов ориентации вагона-путеизмерителя в географической системе координат и ускорений в направлении

осей связанной системы координат этого вагона. Устройство для контроля состояния рельсового пути размещено на вагоне-путеизмерителе и содержит датчики измерения вертикальных и горизонтальных перемещений головок рельсов относительно кузова, датчики измерения ширины колеи, датчик пройденного пути, ПЭВМ, бесплатформенную навигационную систему, спутниковую навигационную систему, радиолокатор. Изобретение позволяет измерять истинные геометрические параметры рельсового пути с высокой точностью и достоверностью при движении вагона-путеизмерителя со скоростью 250 км/ч.

Известно устройство для контроля неровностей рельсового пути по патенту РФ на изобретение 2134319 С1, Е01В 35/06, опубл. 10.08.99. Бюл. №22. Устройство содержит для каждой рельсовой нити последовательно соединенные блок датчиков - датчик ускорений и датчик перемещений, масштабные усилители, блок вычисления вертикальных траекторий буксы, блок вычисления вертикальных неровностей рельсового пути, а также датчик скорости, последовательно связанный с цифровым скоростемером. Блок вычисления вертикальных траекторий буксы содержит последовательно соединенные двухвходовой интегратор, трехвходовой интегратор, двухвходовой сумматор и фильтр верхних частот, выходы и входы которых соединены определенным образом. Изобретение решает задачу по созданию устройства, позволяющего определять неровности в широком диапазоне длин.

Известен измеритель износа рельса по патенту РФ на изобретение 2195524 С2, Е01В 35/04, 35/00, опубл. 27.12.2002. Бюл. №36. Изобретение предназначено для получения информации о процессе износа рельса преимущественно при эксплуатации пути. Суть изобретения заключается в выполнении колесного шасси из двух составных частей и дополнении их поворотными каретками, снабженными базовыми дисками, на которых установлены измерительные рычаги, сочлененные с электрическими датчиками. Конструкция позволяет проводить измерения относительно поверхности рельсов, не подвергающейся износу в эксплуатации. Технический результат: повышение точности измерений.

Известен мобильный контрольно-вычислительный комплекс для измерения параметров износа головки рельса по патенту РФ на изобретение 2209865 С1, Е01В 35/00, В61К 9/08, опубл. 10.08.2003. Бюл. №22. Комплекс содержит матричный вихретоковый преобразователь, жесткую технологическую базу подвижного средства, схему обработки, которая входом связана с выходом матричного преобразователя, манипулятор с силовым блоком и охватом, пульт управления, который выходом соединен с входом силового блока манипулятора, и устройство запоминания и представления информации матричного преобразователя, которое подключено входом к выходу схемы обработки. Корпус матричного преобразователя шарнирно прикреплен к технологической базе через кронштейны и

шарнирно к схвату манипулятора через тяги. Схема обработки снабжена вторым и третьим входами, а пульт управления - вторым и третьим выходами, при этом в комплекс введены дополнительно второй и третий манипуляторы со схватами и силовыми блоками, соединенными своими входами с вторым и третьим выходами пульта управления, а также второй и третий вихретоковые преобразователи зазоров, связанные своими выходами с вторым и третьим входами схемы обработки и размещенные в том же поперечном сечении рельса как и первый матричный преобразователь. Корпус второго и третьего преобразователей зазоров шарнирно прикреплены к технологической базе через автономные кронштейны и шарнирно к схватам второго и третьего манипуляторов. Достигаемый технический результат: повышение достоверности контроля параметров бокового износа головки рельса.

Известно устройство для технического контроля рельсового пути при движении транспортного средства по патенту РФ на изобретение 2242553 С2, Е01В 35/00, опубл. 20.12.2004. Бюл. №35. Изобретение относится к измерительным устройствам для контроля основных дефектов отклонения от номинального значения ширины колеи рельсового пути. Устройство содержит формирователь импульса мерного отрезка пути и соединенный с ним датчик ширины колеи. Формирователь импульса выполнен в виде рамы, опирающейся на опорные ролики, образованной из двух равновеликих двуплечих рычагов, соединенных между собой шарниром, выполненным в виде пальца, с возможностью свободного вращения. Верхние части рычагов, расположенные до шарнира, расположены относительно друг друга параллельно на определенном расстоянии. Между нижними частями рычагов, расположенными по отношению друг к другу под определенным углом, установлена пружина, при этом концы нижних частей рычагов снабжены обоймами, в которых расположены оси с роликами, торцы окружностей которых имеют остроконечную форму. Концы верхних частей рычагов снабжены кронштейнами, расположенными перпендикулярно верхним частям рычагов, причем на одном конце кронштейна одного из рычагов закреплен датчик ширины колеи, выполненный в виде индикатора часового типа, наконечник которого соединен с торцом второго кронштейна с возможностью контакта. При этом устройство закреплено на стенке транспортного средства посредством цапфы, соединенной с шарниром равновеликих двуплечих рычагов. Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции и повышение точности измерения ширины рельсовой колеи.

Известен способ определения пространственных параметров рельсового пути и устройство для его осуществления по патенту РФ на изобретение 2261302 С2, Е01В 35/00, опубл. 27.09.2005 Бюл. №27. Изобретение относится к методам непрерывной регистрации

пространственного положения рельсовой колеи. Способ определения пространственного положения рельсовой колеи включает регистрацию информации с датчиков межрельсового расстояния, пройденного пути, текущего курсового угла, продольного и поперечного уклона при движении транспортного средства и вычисление по этим данным текущих координат рельсовой колеи. Регистрация курсового угла и продольного уклона с указанных датчиков и определение текущих координат (X, Y, Н) осуществляют по одной из рельсовых ниток относительно любого исходного направления в горизонтальной плоскости, с шагом измерения 1. Устройство для определения пространственных параметров рельсовых путей содержит ходовую тележку, включающую опорное колесо и расположенные на одной оси над одной из рельсовых нитей первое и второе измерительные колеса и мерное колесо. Опорное колесо связано с измерительными колесами установленной под углом 90° относительно направления движения штангой, на которой установлен датчик ширины колеи. На мерном колесе смонтирован датчик пути. На оси, связывающей измерительные колеса, установлен курсокреноуказатель. Выходы датчика пути, датчика ширины колеи и курсокреноуказателя связаны через контроллер с компьютером. Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей, позволяющих одновременно с определением пространственных координат определять взаимное положение отрезков пути в вертикальной и горизонтальной плоскостях (рихтовку и просадку).

Существующие в настоящее время системы мониторинга состояния рельсового пути требуют использования крупногабаритного высокоточного дорогостоящего оборудования: ультразвукового дефектоскопа или высокоточных гироскопических инерциальных систем. Такие системы устанавливаются в специальных путеизмерительных вагонах или тележках. Учитывая дороговизну и, как следствие, ограниченность количества указанных систем, а также высокую интенсивность движения по железным дорогам, работы по проведению мониторинга состояния рельсового пути для каждого отдельно выбранного участка производятся периодически с достаточно большими интервалами времени между отдельными измерениями.

Из вышерассмотренных устройств, являющихся наиболее близкими аналогами заявляемой полезной модели, в качестве прототипа принято устройство контроля состояния рельсового пути по патенту РФ на изобретение 2114950 С1, Е01В 35/00, В61К 9/08, которому присуща совокупность признаков, наиболее близкая к совокупности существенных признаков предлагаемой полезной модели.

Раскрытие полезной модели.

Увеличение числа скоростных участков с особенно жесткими требованиями по надежности и безопасности движения вызывает острую необходимость создания массовых и недорогих малогабаритных систем контроля состояния рельсового пути, пригодных к размещению на любых локомотивах с целью проведения непрерывного контроля состояния рельсового пути.

В предлагаемой полезной модели указанную задачу предполагается решить за счет использования в качестве измерительного элемента малогабаритного инерциального комплекса, содержащего по три малогабаритных датчика линейных и угловых (вращательных) движений, основанных на молекулярно-электронной технологии измерения параметров движения. Указанные датчики имеют характерные размеры в пределах нескольких кубических сантиметров, не содержат движущихся механических деталей, что обуславливает их высокую надежность, и не дороги в изготовлении.

Датчик, предназначенный для измерения вращательных движений, представляет собой герметичный тороид, полностью заполненный электролитом. В канале тороида расположен молекулярно-электронный элемент, чувствительный к движению жидкости.

Датчик, предназначенный для измерения линейных движений, представляет собой герметичный корпус произвольной формы, полностью заполненный рабочей жидкостью. Необходимым элементом описываемого датчика линейных движений является канал, содержащий две пары электродов, причем расстояние между парами электродов должно быть намного больше расстояния между электродами в каждой отдельной паре. После приложения разности потенциалов между электродами в канале, в пространстве между электродными парами, формируется область электролита, характеризующаяся более высокой или, в зависимости от знака приложенного потенциала, более низкой концентрацией рабочей жидкости. Одновременно, в силу зависимости плотности от концентрации электролита, указанная область отличается по своей плотности от электролита в остальной части объема. Под действием линейного ускорения, действующего вдоль оси канала, возникает поток жидкости через канал, преобразуемый молекулярно-электронным чувствительным элементом в выходной электрический сигнал.

Технический результат, достигаемый предлагаемой полезной моделью, заключается в возможности проведения измерений, достаточно точных для определения параметров рельсового пути с использованием, по сравнению с имеющимися аналогами, недорогих, малогабаритных, высоконадежных технических средств измерения.

Краткое описание графических материалов, поясняющих сущность полезной модели

Фиг.1. Блок-схема полезной модели. Фиг.2. Фотография (пример реализации) общего вида полезной модели.

Осуществление полезной модели

Принцип работы системы основан на регистрации движений (скоростей или ускорений) по всем трем линейным и трем угловым координатам. При этом каждый тип дефекта рельсового пути характеризуется уникальным «паттерном», а амплитуда сигнала, вызванного тем или иным дефектом рельсового пути, позволяет охарактеризовать дефект количественно и сравнить его с допустимым для данного участка значением. Непрерывный характер мониторинга позволяет отслеживать развитие имеющихся дефектов и появление новых. Выходной сигнал инерциальных датчиков синхронизован с точным временем, для чего в состав комплекса входит спутниковый приемник сигналов точного времени. Кроме выходных сигналов инерциальных датчиков в файл записываются показания спутниковой навигационной системы, обеспечивающие привязку обнаруженных дефектов к географическим координатам участка рельсового пути. На конечной станции записанные данные переписываются с носителя информации, входящего в состав блока цифровой электроники, в центральную базу данных для последующего анализа результатов. Блок-схема, иллюстрирующая работу системы, показана на фиг 1.

Пример реализации полезной модели.

Практическим примером реализации предлагаемой полезной модели является система мониторинга состояния рельсового пути, состоящая из измерительного блока, приспособленного для крепления на колесной паре локомотива, и цифрового блока, размещаемого в кабине локомотива, соединенных экранированным кабелем.

Внешний вид разработанной системы показан на фиг.2.

Измерительный блок включает в себя три ортогонально ориентированных датчика угловых движений и три ортогонально ориентированных датчика линейных движений, размещенные в герметичном металлическом защитном корпусе. Полоса пропускания датчиков выбрана из соображений, что при скорости движения локомотива 20 км/ч, 40-метровый участок, прогиб которого предполагается обнаружить, проходится локомотивом за 7-8 секунд, что соответствует, примерно 0,1 Гц.

С другой стороны, при высокой скорости (100 км/ч) 10-метровый участок проходится локомотивом за 0,3 секунды, что соответствует, примерно, 3 Гц. Установлен двукратный запас, как со стороны низких, так и высоких частот.

Основные технические характеристики датчиков, входящих в состав измерительного блока, приведены в табл.1-2.

Таблица 1.
Технические характеристики датчика угловых движений
Параметр	Значение
Рабочая полоса частот	0,05-6,00 Гц
Собственный шум, в полосе	10-4рад/с 2/
Максимальный регистрируемый сигнал	4 рад/сек
Диапазон рабочих температур	-40+65°С
Таблица 2.
Технические характеристики датчика линейных движений.
Параметр	Значение
Рабочая полоса частот	0,05-6,00 Гц
Собственный шум, в полосе	10-5 м/с 2/
Максимальный регистрируемый сигнал	1 м/с
Диапазон рабочих температур	-40+65°С

Цифровой блок содержит: два четырехканальных аналого-цифровых преобразователя (АЦП) - АЦП L-card E-24, плату GPS - плату синхронизации отсчетов АЦП с системой точного времени и пространственного местоположения, носитель информации. Весь цифровой блок помещен в защитный высокопрочный пластиковый кейс, на корпусе которого размещены разъемы для подключения измерительного блока и антенны GPS, тумблер включения и разъем для подключения устройства подзарядки аккумулятора, размещенного в том же корпусе.

По своим техническим характеристикам разработанная система обеспечивает возможность обнаружения прогиба рельсового пути на уровне 0,25 мм и 1,00 мм, на длинах участков 10 и 40 метров, соответственно, при скорости движения локомотива 60 км/ч.

Промышленная применимость

Предлагаемая полезная модель может найти широкое применение в системах непрерывного мониторинга состояния рельсового пути железных дорог.

1. Система мониторинга состояния рельсового пути, состоящая из:

измерительного блока, содержащего три ортогонально ориентированных высокочувствительных широкополосных датчика линейных движений и три ортогонально ориентированных высокочувствительных широкополосных датчика угловых движений, закрепленного на колесной паре локомотива;

блока приема спутникового сигнала точного времени и пространственного местоположения;

блока цифровой электроники, преобразующего сигналы датчиков измерительного блока в цифровую форму и синхронизирующего их со спутниковыми сигналами точного времени и пространственного местоположения, с носителем информации для записи и хранения цифровых данных;

отличающаяся тем, что датчики линейных и угловых движений выполнены с использованием жидкостной инерционной массы и молекулярно-электронного чувствительного элемента, преобразующего движение жидкости в электрический сигнал.

2. Система по п.1, в котором датчик угловых движений представляет собой герметичный тороид, полностью заполненный электролитом, в канале тороида расположен молекулярно-электронный элемент, чувствительный к движению жидкости.

3. Система по п.1, в котором датчик линейных движений представляет собой герметичный корпус произвольной формы, полностью заполненный рабочей жидкостью, в канале корпуса расположены две пары электродов, причем расстояние между парами электродов должно быть намного больше расстояния между электродами в отдельной паре.

4. Система по п.3, в котором между электродами, расположенными в канале корпуса, подана разность потенциалов, обеспечивающая формирование между парами электродов области повышенной или пониженной концентрации электролита, отличающаяся также удельной плотностью от остального электролита.

5. Система по п.1, в котором выходной сигнал датчиков предварительно фильтруется в узкой полосе частот 0,05-3,00 Гц, содержащей полезный сигнал, для достижения максимального отношения сигнал/шум.