Транспортная газета Евразия Вести

Разделы:

 Свежий номер
 Подшивка
 Материалы
 Новости
 О газете
 Редакция
 Подписка

 Консалтинг
 Лицензирование
 Сертификация
 Юридические
 услуги

 Партнеры
 Ресурсы сети
 Реклама на сайте

Поиск:


 

НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ


Версия для печати
Обсудить в форуме

Локационная диагностика на основе электромагнитного излучения

Вопросам диагностирования дефектов колесных пар и рельсов на основе электромагнитного излучения посвящена статья ведущих специалистов ОАО «Инновационный технологический центр «Система – Саров»: к.ф.-м.н. А.Ю. Виноградова, к.ф.-м.н. С.Г. Лазарева, к.ф.-м.н. А.А. Кибкало, к.ф.-м.н. А.В. Шведова, ведущий специалист ОАО «Вторая грузовая компания» горьковский филиал М.Д. Славинский.

Рис.1
Рис.2
Рис.3
Рис.4
Рис.5
С электротехнической точки зрения современные рельсовые пути представляют собой однопроводную линию передачи (ОЛП) электромагнитной энергии, открытый волновод или длинную линию. Известны различные типы ОЛП: провод без покрытия (линия Зоммерфельда), провод, покрытый слоем диэлектрика (линия Губо), провод с гофрированной поверхностью и другие.

Способы дистанционного обнаружения повреждений в кабельных линиях и линиях электропередачи хорошо известны. Они основаны на возбуждении в линии электромагнитной волны и анализе отраженных от ее неоднородностей сигналов. Следовательно, актуально проведение исследований по изучению возможности зондирования рельсовых путей возбуждаемыми в них электромагнитными волнами.

При проведении электромагнитного зондирования основная часть энергии электромагнитного поля поверхностной симметричной Е-волны сосредоточена в цилиндрической области вокруг проводника ОЛП радиусом порядка длины волны. Таким образом, зондирующий импульс должен быть чувствителен не только к объектам, гальванически связанным с рельсом, но и к объектам, от рельса электрически изолированным, но находящихся в непосредственной близости от железнодорожного пути (например, стоящий на путях автомобиль).

В структуре поверхностной Е-волны имеется радиальная составляющая электрического поля и незначительная по величине продольная составляющая. Силовые линии магнитного поля в виде замкнутых круговых линий расположены перпендикулярно и симметрично относительно проводника ОЛП. Для ОЛП необходимо применение специальных устройств возбуждения поверхностной волны. Устройство возбуждения поверхностной волны располагается в области сосредоточения энергии электромагнитного поля.

Теоретическое исследование проблемы проводилось путем анализа системы телеграфных уравнений с параметрами, соответствующими железнодорожному пути.

Неоднородности линии ведут к частичным отражениям. В рельсе скорость распространения электромагнитного импульса близка к скорости света – 300 м/мкс. Зондирование на километровую дистанцию в этом случае занимает время в пределах 10 мкс. С учетом времени переключения на работу локатора «вперед» и «назад» будем полагать, что период следования зондирующих импульсов составляет 100 мкс.

Пусть поезд идет со скоростью 120 км/час (примерно 30 м/с). При периоде генерации зондирующих импульсов в 100 мкс имеется возможность многократного повторения «экспериментов» по исследованию состояния железнодорожного пути как «вперед», так и «назад». Так, за 1 секунду будет проведено число экспериментов N = 10 000. Статистическая обработка может позволить, используя математические методы обработки сигналов, подавить шум и выделить сигнал от дефекта. Известно, например, что при проведении N экспериментов, погрешности измерения величин уменьшаются обратно пропорционально корню квадратному из N.

Анализ характера отражения сигнала в рельсах от дефектов пути различного типа показывает, что при сплошном разрушении рельсового пути коэффициент отражения К=1 для всех гармоник импульса. При наличии на линии локальной присоединенной емкости, чему физически может соответствовать, например, стоящий на путях вагон, коэффициент отражения содержит два члена, пропорциональных частоте в первой и во второй степени.

Таким образом, анализ амплитудно-частотной характеристики отраженного сигнала может позволить сделать заключения о характере дефекта рельсового пути.

Технически генерация зондирующего импульса и регистрация отраженного импульса может быть обеспечена как индукционными, так и емкостными устройствами.

Положительные результаты были получены в контрольных экспериментах по исследованию трансляции электромагнитного импульса в рельсовых направляющих. Получено, в частности, что на частоте 200 МГц длина затухания сигнала l – 1000 м. При исследовании отражения сигнала от разрывов рельс, отраженный импульс четко фиксировался.

Отличительной особенностью рельсовых путей является то, что они имеют стыки. Однако рельсовые стыки, как правило, электрически соединены с помощью специальных накладок и путем пайки, приварки или запрессовки дополнительных соединителей: медных, сталемедных или стальных. Согласно ГОСТ 9.602-89 увеличение сопротивления рельсовых нитей за счет стыков должно быть не более 20%. Длина плетей бесстыкового (бархатного) пути может составлять 550 – 800 м.

Для определения местонахождения поезда на линии ее делят стыками на изолированные участки. Каждый такой участок пути оснащается рельсовой цепью. Длина изолированных участков колеблется в зависимости от его требуемой пропускной способности. Соответственно, на подходе к станции и на самой станции, где скорости движения и расстояние между поездами меньше, рельсовые цепи короче, чем на перегоне. Отметим, что, как показали проведенные эксперименты, изолирующие стыки дают сильное, но не полное отражение зондирующего импульса.

В целом проведенные исследования показали, что все устройство локатора может быть выполнено достаточно компактным, иметь малое энергопотребление (на уровне ~ 1 Вт) и может быть установлено на любом рельсовом транспортном средстве.

Структурный состав системы.

Система должна состоять из двух каналов радиолокатора (по одному на каждый рельс), устройства точного позиционирования (ГЛОНАСС или GPS), блока памяти с картиной «бездефектного пути», и компьютера, обеспечивающего сравнение в реальном режиме времени радиолокационных картин бездефектного пути с контролируемым в данный момент рельсом.

Радиолокатор должен состоять из:

– регулируемого генератора электрических импульсов специальной формы;

– коммутатора, обеспечивающего поочередную трансляцию импульса на каждую приемо-передающую антенну;

– синхронизатора, обеспечивающего открытие входа усилителя приемника на определенный временной интервал, соответствующий времени прихода отраженного сигнала.

Блок памяти должен обеспечивать введение и хранение параметров отраженных импульсов, соответствующих нормальному состоянию пути.

Блок питания должен обеспечивать работу системы от стандартных бортовых источников питания.

Бортовой компьютер системы на основе соответствующего программного обеспечения и с учетом данных по бездефектному пути должен обеспечивать обработку полученной информации с выдачей заключения о степени безопасности маршрута.

Система интеллектуального мониторинга технического состояния подвижного состава и рельсового пути локационной диагностикой функционирует в режиме против хода движения поезда для обнаружения дефектов колесной пары, включая грузовые составы, и поверхностные повреждения рельсовых путей.

Физический принцип работы системы. В контакте колеса с рельсом возникает наведенная емкость. При прохождении по рельсу электромагнитного импульса в контакте колеса с рельсом возникает локальная присоединенная емкость. При наличии на рельсе грузового состава от колес возникает частичное отражение локального сигнала. Следовательно на временной развертке принимаемых сигналов от колесных пар должны возникать всплески частично отраженных импульсов. Пропуски в «гребенке» отраженных сигналов будут соответствовать отсутствию контакта колесной пары и рельса. Случайные искажения картины отраженных сигналов парируются достаточно высокой частотой повторения генерации зондирующих импульсов (порядка 10 кГц). Оценки показывают, что в данном случае коэффициент отражения содержит два члена, пропорциональных частоте в первой и во второй степени.

Система локационной диагностики устанавливается на электровозе.

При движении поезда локатор непрерывно излучает электромагнитные импульсы. В зоне контакта колеса с рельсами образуются локальные присоединенные емкости (рис. 1).

При условии нормального движения поезда система определяет и постоянно контролирует общее количество локальных присоединенных емкостей, возникающих в контакте «колесо-рельс», равное числу колес в грузовом железнодорожном составе.

Изменение величины локальной присоединенной емкости между колесом и рельсом свидетельствует о наличии дефекта в колесной паре или в рельсе, который в процессе мониторинга отслеживается, и, в случае лавинного нарастания, вырабатываются управляющие команды для устранения обнаруженной неисправности.

Повышенное значение локальной присоединенной емкости для третьей и четвертой колесных пар второго вагона показано на рис. 2.

В случае если повышенное значение локальной присоединенной емкости повторяется при контакте последующих колес с поверхностью рельсового пути – это дефект рельса. Если при этом локальная присоединенная емкость принимает исходные значения – это дефект колеса.

Наличие навигационных систем позволяет зафиксировать порядковый номер, забракованной колесной пары, так как локатор с высокой точностью определяет расстояние от любой колесной пары до локомотива и расстояния между любыми колесными парами в конкретном поезде.

Использование магнитоупругого эффекта (эффекта Виллари) дает возможность дистанционного диагностирования дефектов колесных пар и рельсов. Магнитоупругий эффект состоит в том, что под действием деформаций или механических напряжений изменяются магнитные свойства тел, в частности, магнитная проницаемость. От магнитной проницаемости зависит глубина скин-слоя, в котором по поверхности ферромагнитного проводника (рельса) распространяется электромагнитный импульс. А от глубины скин-слоя зависит удельное электрическое сопротивление линии (рельсового пути). Неоднородности линии ведут к частичным отражениям.

Пусть, как и в предыдущем примере, поезд идет со скоростью 120 км/час (примерно 30 м/с). Тогда, если на колесе есть дефект (например, лыска или ползун), то с периодом в 0,1 секунду он будет ударяться об рельс, генерируя избыточные волны деформации и меняя картину отражения. При частоте генерации зондирующих импульсов в 100 мкс эта картинка должна хорошо прописываться и, например, за 100 с «эксперимент по обнаружению дефектного колеса» будет повторен 1000 раз. Это может позволить, используя математические методы обработки сигналов, подавить шум и выделить сигнал от дефекта.

Результаты моделирования показали возможность формирования направленного излучения с помощью нескольких простейших излучателей, запитанных со сдвигом фазы. Достигнута надежная фиксация отраженного сигнала от колесных пар и рельсов (рис. 3).

Возможные приложения локационной диагностики:

– автоведение, включая проблемы длинносоставных грузовых поездов;

– интервальное регулирование;

– идентификация схода грузового вагона;

– контроль несанкционированной занятости рельсового пути;

– контроль частичного или полного разрушения рельса;

– контроль дефектов колеса и рельса;

– контроль наличия несанкционированных предметов под шпальной решеткой;

– контроль рельсовых путей в кривых малого радиуса (завышения наружного рельса);

– проверка сформированности поездов;

– продольная динамика.

© Евразия Вести I 2012







I 2012

Евразия Вести I 2012

Безопасность движения – важнейшая задача ОАО «РЖД»

Система обеспечения безопасности движения – задача комплексная

Подведены итоги и поставлены задачи на будущее

Инноватика в научном обеспечении безопасности движения

Современные технические и технологические решения для повышения безопасности движения поездов

Система комплексной диагностики инфраструктуры в обеспечении безопасности движения поездов

Вопреки логике и здравому смыслу. Проблема «колесо-рельс»

Диагностика - ступени безопасности движения

Вибродиагностический комплекс нового поколения

Мониторинг ходовой части локомотивов на основе метода акустической эмиссии

Региональное сотрудничество НП ОПЖТ набирает силу

Что такое бережливое производство?

Отечественному тормозостроению – 90 лет

Оборудование с маркой МТЗ ТРАНСМАШ

Юбилей флагмана отечественного тормозостроения

Белевский «Трансмаш»: по пути перспективного развития

Технологическая модернизация и перспективы отечественного вагоностроения

Интеграция усилий - залог успеха

Безопасность - общее дело

Итоги, задачи, перспективы

PDF-формат



 

Copyright © 2003-2016 "Евразия Вести"
Разработка: интернет-студия "ОРИЕНС"

Евразия Вести