WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Филипеня Наталья Сергеевна

РАЗРАБОТКА ИНЕРЦИАЛЬНЫХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ

ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ РЕЛЬСОВОГО ПУТИ

Специальность: 05.11.16

информационно-измерительные

и управляющие системы

(приборостроение)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2007

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном

электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Научный руководитель

кандидат технических наук, доцент Гупалов В. И.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Мазин В.Д.

кандидат технических наук, доцент Алексеев А.Е.

Ведущая организация – ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор».

Защита диссертации состоится “ 31 ” октября 2007 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.238.06 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета “ЛЭТИ” имени В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан “ 25 ” сентября 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Юлдашев З.М.

Общая характеристика работы

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 вагонов – лабораторий (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 (ИИМ).

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 ИИМ 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.

Реализация результатов работы. Тема диссертационной работы тесно связана с планами госбюджетных работ, проводимых по государственным научно-техническим программам и грантам. Исследования проводились в тесном сотрудничестве с Дорожным предприятием по контролю и диагностике состояния пути Октябрьской железной дороги (г. С.-Петербург).

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.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на Конференции молодых ученых «Навигация и управление движением» (Санкт-Петербург, 2005 – 2007 г.), Межотраслевой НТК памяти Н.Н. Острякова (Санкт-Петербург, 2004, 2007 г.), профессорско-преподавательских конференциях СПГЭТУ "ЛЭТИ" (2005 – 2007 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 научных работ, из них – 3 статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК, 6 работ - в материалах научно-технических конференций, 2 патента РФ на изобретение.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 63 наименований. Основная часть работы изложена на 108 страницах машинописного текста. Диссертация содержит 75 рисунков и 9 таблиц.

Основное содержание работы

Введение содержит обоснование актуальности и описание цели работы.

В первой главе диссертации проводится обзор и анализ современных средств и методов контроля геометрических параметров ж.-д. пути.

Проведенный обзор путеизмерительной техники показал, что в существующей системе мониторинга нет комплексного подхода к технико-эксплуатационному состоянию рельсового пути: отдельно оценивается состояние земляного полотна с использованием специализированных средств основанных на георадарных технологиях, отдельно дефекты рельсов с помощью дефектоскопных автомотрис, отдельно геометрия пути с использованием путеизмерительных вагонов и тележек, хотя современные средства контроля позволяют разработать комплексный подход и, тем самым, обеспечить более эффективный и полный контроль.

Существующие ПВ имеют в своем составе современные средства инерциальной информации, такие как бесплатформенная инерциальная навигационная система (БИНС) и спутниковая навигационная система (СНС), однако, традиционные методы измерения геометрических параметров рельсового пути не позволяют эффективно использовать весь их высокий потенциал. Наиболее перспективным направлением в повышении качества и достоверности контроля ж.-д. пути является разработка новых методов, позволяющих интегрировать измерительные устройства ПВ в единую систему диагностики и мониторинга.

При разработке новых методов и алгоритмов, следует обязательно учитывать, что ж.-д. путь работает в условиях многократного циклического нагружения динамическими силами. Конструкция пути подобно пружине, которая сжимается под действием нагрузки и стремится вернуться в исходное состояние по прошествии подвижного состава.

К основным дефектам, характеризующим состояние геометрии рельсовой колеи в вертикальной плоскости, относятся просадки рельсовых нитей. В среднем по сети дорог они составляют 60...65% всех дефектов, которые оказывают влияние на безопасность и комфортность движения поездов.

В ПВ ЦНИИ-2 и ЦНИИ-4 реализованы две схемы измерения просадок, с использованием датчиков линейных перемещений буксы относительно кузова (датчик БК): на базе вагона (17 м) измеряются длинные просадки, на базе тележки вагона (2,4 м) – короткие.

Традиционный метод является весьма упрощенным и не учитывает влияние линейных и угловых колебаний кузова ПВ на показания датчиков БК, что искажает результаты измерения просадок. Как показал проведенный анализ традиционного метода, при его использовании существенно искажается форма и величина неровностей, нет возможности оценивать короткие просадки, длина волны которых менее базы тележки.

При измерении просадок рельсовых нитей в условиях проявления упругих и остаточных деформаций пути следует принимать во внимание, что их величина будет зависеть от силы воздействия поездной нагрузки на путь, от скорости следования, от геометрических неровностей земляного подработанного полотна и верхнего строения пути и др. Таким образом, просадки есть результат динамического взаимодействия ж.-д. пути и сложной колебательной системы, которой является ПВ. Справедливо их представление в виде суммы трех составляющих в каждой контролируемой i-й точке рельсового пути:

, (1)

где - динамическая составляющая, вызванная динамическим нагружением движущегося ПВ, в результате которого элементы пути находятся в колебательном движении; - статическая составляющая, обусловленная деформациями рельсовых нитей под действием той же нагрузки в статике; - геометрическая составляющая, не зависит от нагрузки на путь и характеризует его геометрические неровности.

Поэтому возникает необходимость разработать новый бесхордовый инерциальный метод измерения просадки рельсовых нитей и нормирование их значений к некоторой квазистатической нагрузке на путь и заданной скорости движения ПВ. Под нормированием результатов измерения следует понимать исключение из упомянутых результатов составляющей, обусловленной динамическим взаимодействием ПВ и рельсового пути на каждый из измеряемых геометрических параметров.

Во второй главе предлагается бесхордовый инерциальный метод измерения просадки рельсовых нитей. По сравнению с традиционным методом, основанным лишь на использовании информации датчиков БК, здесь также задействована информация, вырабатываемая БИНС, и датчик пройденного пути (одометр).

Для понятия сущности предлагаемого метода уточним определение короткой просадки. Короткая просадка - это неровности каждой из рельсовых нитей в вертикальной продольной плоскости по отношению к среднему уровню каждой нити.

Для определения текущего среднего углового положения рельсовых нитей ( и ) проводится усреднение на интервале прохождения участка пути длиной L (половина базы вагона) текущих углов ориентации кузова вагона относительно горизонта (), определяемых с помощью БИНС. Просадки рельсовых нитей в контролируемых i -ых точках пути вычисляются путем интегрирования скорости изменения просадки ()

, (2)

где - оценка математического ожидания определения среднего положения рельсовой нити, N – число контролируемых точек на участке пути длиной L; ; 2L – длина базы вагона; S ­– инкремент одометра, по сигналам которого происходит опрос аппаратуры и запись параметров пути.

Скорость изменения просадки вычисляется с учетом характера движения кузова вагона:

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»