Путеизмерительная тележка
Путеизмерительная тележка предназначена для измерения и контроля состояния железнодорожного пути и может быть использована для выявления истинного состояния пути по отношению к заданному состоянию в процессе технического осмотра, ремонта и технического обслуживания железных дорог. Путеизмерительная тележка содержит раму (1), оснащенную контрольно-измерительной системой (КИС). Особенностью путеизмерительной тележки, является то, что на ней установлена КИС, основанная на технологии навигации ГЛОНАСС/GPS, состоящая из мультиантенной системы навигации, бесплатформенной инерциальной навигационной системы (10) и двух датчиков-сканеров (11, 12) головки рельсов, соединенных с бортовым компьютером (14). Вдоль железнодорожного полотна устанавливаются референцные станции (18) с известными координатами местоположения, оборудованные навигационной системой ГЛОНАСС/GPS и средствами беспроводной передачи данных GSM/GPRS, 3G, 4G и т.п. Полезная модель позволяет сделать из путеизмерительной тележки высокотехнологичное устройство нового поколения.
Полезная модель относится к железнодорожному транспорту, а именно, к устройствам для контроля положения рельсов железнодорожного пути, и может быть использована для выявления истинного состояния пути по отношению к заданному состоянию в процессе осмотра, ремонта и технического обслуживания железных дорог.
Для повышения эффективности работ при строительстве, ремонте и эксплуатации российских железных дорог необходимо реализовать передовые высокоэкономичные технологии, что, в свою очередь, требует создания устройств контроля положения рельсов железнодорожного пути нового поколения.
Анализ технологических процессов реконструкции железных дорог, сделанный на основании передового опыта ведущих европейских стран (Австрии, Германии, Франции и др.), показывает, что для реализации высокоэкономичных технологий при текущем осмотре, реконструкции и ремонте железных дорог необходимо базироваться на высокопроизводительных путеизмерителях нового поколения, способных за один технологический проход произвести одновременно контроль и измерение нескольких параметров железнодорожного пути, а именно таких, наиболее важных, как геометрия пути в плане, продольном профиле, по уровню рельсов, ширине колеи, а также вертикальному и боковому износу головки рельса.
Известен целый ряд устройств для контроля положения рельсов железнодорожного пути, описанных в технической и патентной литературе. Однако, в основном, все они предназначены для контроля одного или двух параметров.
Известна, например, путеизмерительная тележка [см. патент РФ на изобретение 
2010080, МПК Е01В 35/00 (2006.01), В61К 9/08 (2006.01), опубл. 1994 г.], с помощью которой имеется возможность измерения уровня колеи железнодорожного пути.
Известен также измеритель железнодорожного пути [см. патент РФ на полезную модель 58484, МПК В61К 9/08 (2006.01), опубл. 2006 г.]. Данное техническое решение обеспечивает контроль двух параметров: уровня и ширины колеи. Таким образом, общим недостатком упомянутых выше аналогов является ограниченность их функциональных возможностей.
В качестве аналога предлагаемой полезной модели можно также рассмотреть устройство нового поколения «ПУТЕИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ПТ-9», разработанное Российским обществом с ограниченной ответственностью "ТВЕМА", [см. патент РФ на полезную модель 74882, МПК Е01В 35/00 (2006.01), В61К 9/08 (2006.01), опубл. 2008 г.]. Путеизмерительный комплекс ПТ-9 предназначен для измерения ширины рельсовой колеи, взаимного положения рельсовых нитей по высоте, а также для измерения стрел изгиба рельсовых нитей в горизонтальной плоскости. Для анализа и визуализации результатов измерений непосредственно на контролируемом участке комплекс ПТ-9 снабжен системой анализа параметров пути и интерфейсом передачи данных через адаптер связи с внешней компьютерной базой данных. Таким образом, известное устройство снабжено современной измерительной аппаратурой и является путеизмерительным устройством нового поколения. Однако оно осуществляет ограниченное количество измерений параметров железнодорожного пути. Для измерения других, важных параметров пути, таких как пространственное положение железнодорожного пути в продольном профиле, боковой и вертикальный износ головки рельса, требуются дополнительные инструментальные измерения. Кроме этого, измерения стрел изгиба рельсовых нитей в горизонтальной плоскости осуществляются с точностью, недостаточной для количественной оценки состояния пути и служат только для качественной оценки. Таким образом, полученные данные не могут быть использованы для решения инженерных задач и выправки железнодорожного пути, что является существенным недостатком рассмотренного аналога.
Наиболее близкой по своей технической сущности к предлагаемой полезной модели является путеизмерительная четырехколесная тележка ПТ-2 [см. Машины и механизмы для путевого хозяйства: Учебник для техникумов ж.-д. трансп. / С.А.Соломонов, В.П.Хабапров и др., под редакцией С.А.Соломонова - 3-е изд., перераб. и доп. М.: Транспорт, 1984, с.368-371]. Путеизмерительная тележка предназначена для проверки состояния пути по уровню и ширине колеи. Выбранное в качестве прототипа устройство представляет собой перемещаемую вручную по железнодорожному пути тележку. Трубчатая рама тележки опирается на ходовое устройство с четырьмя роликами. Перемещение тележки по железнодорожному пути осуществляется при помощи тяговой рукоятки, прикрепленной к раме тележки. Тележка снабжена контрольно-измерительной системой, в состав которой входит пишущий механизм, с помощью которого осуществляется запись полученных измерений на бумажную ленту. Перемещение бумажной ленты осуществляется игольчатым валиком, приводящимся в движение приводным передним роликом при помощи конической передачи и червячного редуктора. Описанный выше способ измерения является контактным. Контакт роликов с рельсами осуществляется пружинным механизмом, установленным внутри трубчатой рамы тележки. Поперечные перемещения роликов фиксируются на пишущем механизме при помощи приводного колеса. Для измерений положения рельсов по уровню на раме тележки размещен маятник, соединенный с пишущим механизмом.
Известная путеизмерительная четырехколесная тележка ПТ-2 имеет важное достоинство, которое состоит в том, что она без сложных инструментальных измерений позволяет в непрерывном режиме осуществлять контроль состояния железнодорожного пути по двум параметрам. Однако следует отметить целый ряд недостатков, из которых наиболее важными являются следующие:
- невозможность осуществления комплексной оценки состояния железнодорожного пути, обусловленная недостаточным количеством измеряемых параметров пути;
- анализ состояния железнодорожного пути по измеренным данным требует их дешифровки;
- невозможность автоматической идентификации контролируемого участка (только визуальная идентификация участка работ оператором);
- невозможность автоматического определения местоположения путеизмерительной тележки на участке работ для сравнения фактического положения пути в пространстве с его эталонным положением;
- невозможность оперативного сравнения измеренных параметров с эталонными характеристиками участка.
Указанные выше недостатки существенно ограничивают функциональные возможности машины.
Задачей предлагаемой полезной модели является расширение функциональных возможностей путеизмерительной тележки путем увеличения количества параметров пути, измеряемых с помощью предлагаемого устройства, при одновременном повышении производительности, рациональности эксплуатации техники, а также высоком качестве выполняемых работ.
Для достижения этого технического результата предлагается путеизмерительная тележка, которая, как и наиболее близкая к ней, выбранная в качестве прототипа, содержит раму, опирающуюся на ходовое устройство с четырьмя роликами, закрепленную на раме тяговую рукоятку, а также смонтированную на раме контрольно-измерительную систему. Особенностью предлагаемой полезной модели, отличающей ее от известной путеизмерительной тележки, принятой за прототип, является то, что контрольно-измерительная система содержит мультиантенную систему навигации, закрепленную в верхней части рамы по центру тележки. Мультиантенная система навигации состоит из ГЛОНАСС/GPS антенны с приемником. В состав контрольно-измерительной системы входят также бесплатформенная инерциальная навигационная система, установленная на раме под ГЛОНАСС/GPS антенной с приемником, и датчики, установленные в нижней части рамы на заданном расстоянии от мультиантенной системы навигации, с внутренней стороны пути выше головки рельс, между передними и задними роликами. Кроме того, контрольно-измерительная система оборудована бортовым компьютером, закрепленным на тяговой рукоятке тележки, и аккумуляторной батареей, смонтированной на раме тележки. Аккумуляторная батарея электрически соединена с мультиантенной системой навигации, бесплатформенной инерциальной навигационной системой, датчиками и бортовым компьютером. Датчики путеизмерительной тележки представляют собой бесконтактные сканеры верхних и боковых внутренних граней головок рельсов. ГЛОНАС/GPS антенна с приемником, бесплатформенная инерциальная навигационная система и датчики через разъем соединены с бортовым компьютером. Вдоль железнодорожного пути смонтирована сеть референцных станций с навигационным оборудованием. Бортовой компьютер контрольно-измерительной системы и референцные станции дополнительно оснащены устройствами приема/передачи информации GSM/GPRS, 3G, 4G и т.п.
Технический результат, достигнутый в предлагаемой полезной модели, получен за счет установки на путеизмерительной тележке, вместо контактной контрольно-измерительной системы (КИС) бесконтактной КИС, состоящей из следующих основных узлов:
- мультиантенной систем навигации, закрепленной в верхней части рамы и состоящей из ГЛОНАСС/GPS антенны с приемником;
- датчиков-сканеров, измеряющих положение точек железнодорожного пути (верхней и внутренней боковых граней головки рельса) относительно положения датчиков;
- бесплатформенной инерциальной навигационной системы, установленной под рамой, служащей для сглаживания шумовых погрешностей координат, определенных спутниковым приемником, и определяющей углы отклонения рамы, на которой крепятся датчики-сканеры, от вертикальной оси ГЛОНАСС/GPS антенны с приемником, служащей для определения координат.
Перечисленные выше существенные признаки, введенные в КИС (мультиантенная система, бесплатформенная инерциальная навигационная система и два датчика-сканера) существенно расширяют функциональные возможности путеизмерительной тележки, выбранной в качестве прототипа, обеспечивая определение натурного положения пути в строго заданной системе координат, а также оперативный анализ отступления его от проектных параметров.
Введенные в КИС признаки позволяют получать координаты головок рельсов, а из координат получать четыре параметра пути: такие, как пространственное положение железнодорожного пути в плане, продольном профиле, возвышение одного рельса над другим (уровень), ширина колеи. Наличие в КИС датчиков-сканеров позволяет получать еще четыре дополнительных параметра пути, это вертикальный и боковой износ левого и правого рельсов, а возможность программного поворота оси сканирования на 90 градусов дает возможность получения еще двух параметров пути, таких, как величины зазоров между рельсами по левой и правой нитям пути.
Кроме того, за счет наличия в КИС устройства приема/передачи данных по беспроводным информационным сетям GSM/GPRS, 3G, 4G и т.п., обеспечивается хранение всей информации о состоянии пути (проектных параметров и отклонения от них, названия участка и пикетаж, температуры укладки, параметров контактной сети) в единой удаленной базе данных. Теперь вся информация, собираемая путеизмерительными тележками, хранится в единой базе данных на удаленном сервере и передается любой выправочной и ремонтной технике в любое время и без участия оператора, в зависимости от координат положения техники на пути. Это означает, что передача информации об эталонных характеристиках пути осуществляется по беспроводным информационным сетям GSM/GPRS, 3G, 4G и т.п. Этот, еще один вновь введенный существенный признак, а именно: соединение бортового компьютера с удаленным сервером по беспроводным информационным сетям GSM/GPRS, 3G, 4G и т.п. для получения/передачи информации из/в единую базу данных об эталонных параметрах пути, позволяет в реальном масштабе времени дистанционно контролировать состояние железнодорожного пути. При этом позиционирование тележки на пути осуществляется автоматически, в то время как в прототипе оператор вручную вводит точку начала измеренного участка, ориентируясь по специальным меткам на шпалах, специальным пикетным столбикам или опорам контактной сети. Кроме определения пространственного положения путеизмерительной тележки предлагаемая полезная модель с помощью новой контрольно-измерительной системы позволяет определять положение пути относительно положения путеизмерительной тележки, а значит, определять координаты пути в точке измерения, что, в свою очередь, позволяет анализировать отклонения натурного положения пути относительно его эталонного положения без дополнительных измерений и расчетов. В результате, при повышении производительности работ, рациональности эксплуатации техники повышается и качество выполняемых работ.
Важным существенным признаком является также размещение вдоль железнодорожного пути сети референцных станций (с известными координатами). Референцные станции оснащены навигационным оборудование и устройством приема/передачи информации GSM/GPRS, 3G, 4G и т.п.. В процессе работы они получают координаты своего местоположения от спутников ГЛОНАСС/GPS, вычисляют погрешность измерения в сравнении с известными координатами станции и передают с помощью устройства приема/передачи информации GSM/GPRS, 3G, 4G и т.п. по каналам GSM/GPRS, 3G, 4G и т.п. в бортовой компьютер поправки на измерения от мультиантенной системы навигации. В результате обеспечивается существенное повышение качества выполняемых работ, способствуя тем самым выполнению поставленных задач.
Таким образом, совокупность указанных выше признаков позволяет решить поставленные задачи.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежами, на которых изображены:
на фиг.1 - предлагаемая путеизмерительная тележка (вид спереди);
на фиг.2 - предлагаемая путеизмерительная тележка (вид сверху);
на фиг.3 - представлена схема получения координат от спутниковых систем ГЛОНАС/GPS.
Ниже описан конкретный пример реализации предлагаемой путеизмерительной тележки с новой контрольно-измерительной системой.
Путеизмерительная тележка (см. фиг.1, 2) состоит из рамы 1, опирающейся на ходовое устройство с четырьмя роликами 2, 3, 4, 5 устанавливаемыми на рельсы 6, 7. На раме 1 путеизмерительной тележки смонтирована контрольно-измерительная система, в состав которой входят: мультиантенная система навигации, состоящая из ГЛОНАСС/GPS антенны 8 с приемником 9 и бесплатформенная инерциальная навигационная система (БИНС) 10, установленная на раме 1 тележки под ГЛОНАСС/GPS антенной 8 с приемником 9. БИНС 10 определяет отклонение рамы 1 от вертикали. В нижней части рамы 1 на заданном расстоянии от мультиантенной системы навигации, с внутренней стороны пути выше головки рельс 6, 7, между задними 2, 4 и передними 3, 5 роликами закрепляются бесконтактные датчики-сканеры 11 и 12 (соответственно, для левого и правого рельса). На прикрепленной к раме 1 тяговой рукоятке 13 тележки установлен бортовой компьютер 14, хранящий и обрабатывающий в реальном масштабе времени информацию от контрольно-измерительной системы. ГЛОНАСС/GPS антенна 8 с приемником 9, БИНС 10 и бесконтактные датчики-сканеры 11 и 12 соединены с бортовым компьютером 14 через разъем (на фиг. не показан). Приемник 9 мультиантенной системы навигации, БИНС 10, бесконтактные датчики-сканеры 11 и 12 и бортовой компьютер 14 снабжаются электропитанием от аккумуляторной батареи 15, расположенной в ящике 16, закрепленном на раме 1 тележки. Связь бортового компьютера 14 с удаленными устройствами, расположенными вне базы машины, обеспечивается с помощью устройства 17 приема/передачи информации GSM/GPRS, 3G, 4G и т.п. К удаленным устройствам следует отнести такие устройства, как удаленный сервер с единой базой данных пути, расположенные вдоль железнодорожного пути (см. фиг.3) референцные станции 18 с навигационным оборудованием, получающие координаты своего местоположения от спутников ГЛОНАСС/GPS 19, 20, 21. Референцные станции 18 вычисляют погрешность измерения в сравнении с известными координатами референцией станции и передают с помощью устройства 17 приема/передачи информации GSM/GPRS, 3G, 4G и т.п. по каналам GSM/GPRS, 3G, 4G и т.п. в бортовой компьютер 14 поправки на измерения от мультиантенной системы навигации.
В заявляемой полезной модели в качестве мультиантенной системы навигации могут быть использованы, например, мультиантенные системы навигации ГЛОНАСС/GPS, производства ООО «Радио Комплекс» (Россия). В качестве бесплатформенной инерциальной навигационной системы могут использоваться бесплатформенные инерциальные навигационные системы, выпускаемые, как отечественными производителями, например, ООО «ТеКнол» (Россия), ФГУП ЦНИИмаш (Россия), так и зарубежными, например, компания «iMAR GmbH» (Германия). Оборудование референцных станций поставляется на российский рынок компанией «Trimble», США, компанией «Leica», Германия, а также японской фирмой «TOPCON CORPORATION». Бесконтактные датчики-сканеры, необходимые для заявляемой полезной модели, производятся компанией «KLD Labs» (США) или RIFTEK (Беларусь).
Монтаж контрольно-измерительной системы осуществляется следующим образом (см. фиг.1, 2).
По центру, в верхние части рамы 1, опирающейся на ролики 2, 3, 4, 5, движущиеся по рельсам 6, 7 железнодорожного пути, устанавливается мультиантенная система навигации. Под мультиантенной системой навигации на раме 1 устанавливается бесплатформенная инерциальная навигационная система 10, определяющая отклонение рамы 1 от вертикали. В нижние части рамы 1, на заданном расстоянии от мультиантенной системы навигации с внутренней стороны пути выше головок рельсов 6 и 7 устанавливаются бесконтактные датчики-сканеры 11 и 12 (соответственно, для левого и правого рельса). На тяговой рукоятке 13 тележки, закрепленной на раме 1, установлен бортовой компьютер 14. Для обеспечения бесперебойного электропитания КИС тележки снабжается аккумуляторной батареей 15, установленной в ящике 16.
Работа контрольно-измерительной системы путеизмерительной тележки заключается в следующем.
При движении путеизмерительной тележки по железнодорожному пути мультиантенная система навигации (см. фиг.3) непрерывно определяет свои координаты относительно положения спутников ГЛОНАСС/GPS 19, 20 и 21 и передает их в бортовой компьютер 14 (см. фиг.1). Бортовой компьютер 14, непрерывно получая поправки от навигационного оборудования референцных станций 18 (см. фиг.3) по беспроводным каналам связи GSM/GPRS, 3G, 4G и т.п., вычисляет истинные координаты мультиантенной системы навигации. Бесплатформенная инерциальная навигационная система 10 непрерывно определяет углы наклона и перемещения рамы 1 и передает их значения в бортовой компьютер 14. Бесконтактные датчики-сканеры 11 и 12 непрерывно сканируют головки рельсов 6 и 7 и определяют расстояния от датчиков-сканеров 11 и 12 до верхней и внутренней боковых граней головок рельсов 6 и 7. Информация от бесконтактных датчиков-сканеров 11 и 12 поступает в бортовой компьютер 14. Получив всю информацию от бесконтактных датчиков-сканеров 11 и 12, бортовой компьютер 14 пересчитывает координаты головок рельсов 6, 7 относительно мультиантенной системы навигации, вносит поправки в ее показания от бесплатформенной инерциальной навигационной системы 10, получая, таким образом, истинные координаты пути. Из полученных координат головок рельсов вычисляются следующие четыре параметра пути: пространственное положение железнодорожного пути в плане, продольном профиле, возвышение одного рельса над другим (уровень) и ширина колеи. Отсканированные при помощи бесконтактных датчиков-сканеров головки рельсов пути позволяют с высокой точностью определять их ширину и высоту, а значит получать еще четыре дополнительных параметра пути, это вертикальный и боковой износ левого и правого рельсов, а возможность программного поворота оси сканирования на 90 градусов, еще двух параметров, таких, как величины зазоров между рельсами по левой и правой нитям пути. На мониторе бортового компьютера 14, в процессе измерений в графическом и табличном виде выдается информация о натурных измерениях и их отклонениях от эталонных значений. Вся полученная в результате измерений информация передается в интерактивном режиме в процессе работы путеизмерительной тележки на удаленную (удаленные) станцию (станции) при помощи устройства 17 приема/передачи информации GSM/GPRS, 3G, 4G и т.п.
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет сделать из путеизмерительной тележки устройство нового поколения, позволяющее контролировать состояние железнодорожного пути по шести параметрам, дистанционно передавать результаты измерений в единую базу данных на удаленный сервер и использовать их не только для качественной оценки пути, но и для решения инженерных задач, связанных с проектированием и содержанием железнодорожного пути в проектных параметрах; а также иметь возможность всегда определять свое местоположение и производить измерения, предшествующие выправке пути с любой точки, не привязываясь к контрольным меткам участка. Кроме того, предложенное техническое решение позволяет с высокой точностью определять пространственное положение пути в системе координат, используемой при проектировании пути, что в свою очередь повышает качество оценки состояния пути и способствует значительному уменьшению погрешностей при его выправке. Путеизмерительная тележка многофункциональна, высокопроизводительна, позволяет рационально эксплуатировать технику при высоком качестве выполняемых работ.
Путеизмерительная тележка, содержащая раму, опирающуюся на ходовое устройство с четырьмя роликами, закрепленную на раме тяговую рукоятку, а также смонтированную на раме контрольно-измерительную систему, отличающаяся тем, что контрольно-измерительная система содержит закрепленную в верхней части рамы по центру тележки мультиантенную систему навигации, состоящую из ГЛОНАСС/GPS антенны с приемником, бесплатформенную инерциальную навигационную систему, установленную на раме под ГЛОНАСС/GPS антенной с приемником, датчики, установленные в нижней части рамы на заданном расстоянии от мультиантенной системы навигации, с внутренней стороны пути выше головки рельс, между передними и задними роликами, бортовой компьютер, закрепленный на тяговой рукоятке тележки, смонтированную на раме тележки аккумуляторную батарею, электрически соединенную с мультиантенной системой навигации, бесплатформенной инерциальной навигационной системой, датчиками и бортовым компьютером, при этом датчики представляют собой бесконтактные сканеры верхних и боковых внутренних граней головок рельсов, ГЛОНАС/GPS антенна с приемником, бесплатформенная инерциальная навигационная система и датчики через разъем соединены с бортовым компьютером, вдоль железнодорожного пути смонтирована сеть референцных станций с навигационным оборудованием, а бортовой компьютер и референцные станции дополнительно оснащены устройствами приема/передачи информации GSM/GPRS, 3G, 4G.
