Беспроводная система контроля подвижного железнодорожного состава

1. Анализ существующих систем контроля

1.2 ДИСК-Б

1.3 АСДК-Б

1.4 Бортовой регистратор для железнодорожного подвижного состава

1.5 Микропроцессорный комплекс технических средств КТСМ

1.6 Выводы и постановка задачи

2. Разработка моделей контроля букс товарного вагона

2.1 Назначение, классификация, основные характеристики букс и предполагаемая топология расположения датчиков.

2.2 Разработка моделей объекта контроля

2.2.1 Модель температурного контроля буксы товарного вагона

3. Определение значений допусковых параметров

3.1 Принципы назначения допусков

3.2 Двухпараметрическая модель

4. Обзор существующих методов контроля

4.1 Организация статистического контроля

4.2 Системы контроля параллельного действия

4.3 Системы контроля последовательного действия

4.4 Системы контроля последовательного действия для контроля геометрической формы и размеров разнообразных объектов.

4.5 Системы контроля с общей образцовой величиной

4.6 Системы контроля параллельно-последовательного действия

5. Разработка безэталонного способа контроля

5.1 Адаптация математического аппарата

5.2 Экспресс-анализ измерительной информации при натурных испытаниях (информационное обеспечение экспериментальных исследований)

6. Проектирование локально-вычислительной сети разрабатываемой системы контроля

6.1 Обзор существующих беспроводных сетей передачи информации (БСПИ)

6.2 Программно-аппаратное обеспечение беспроводной ЛВС системы контроля

6.3 Построение ЛВС

7. Экономическое обоснование проекта

7.1 Анализ рынка

7.2 Выбор и обоснование аналогов или базы сравнения. Расчет интегрального показателя качества

7.3 Расчет затрат на этапе проектирования и себестоимости системы

7.4 Оценка экономического эффекта у потребителя

8. Безопасность и экологичность разработки

8.1 Анализ условий труда, степени тяжести и напряженности трудового процесса

8.2 Мероприятия по улучшению условий труда

8.3 Системный анализ работоспособности информационной системы

8.4 Пожарная безопасность при работе на компьютере

8.5 Энергои ресурсосбережения

Заключение

Список использованных источников

Приложение А

Доля участия железнодорожного транспорта в обеспечении грузопотока в нашей стране достаточно значительна и эффективное обеспечение его безаварийности является актуальнейшей задачей.

Одной из составляющих этой комплексной проблемы является реализация контроля состояния элементов движения товарных вагонов, в частности букс, колес, осей, обнаружения волочащихся деталей.

Приведенный перечень функций реализуется, как дифференциально, так и комплексно, стационарной системой контроля с определением характера и мест дефектов, а именно: номера буксы (скольжения или качения), номера вагона с последующей передачей этой информации по канальным средствам на диспетчерский пункт. Однако подобные системы не позволяют наблюдать динамику изменения измеряемых параметров и соответственно предсказывать и предупреждать аварийные ситуации на железнодорожном транспорте.

С целью повышения надежности функционирования железнодорожного транспорта предлагается разработать автоматизированную телекоммуникационную систему для динамического контроля состояния железнодорожного состава. Такое решение позволит фиксировать состояние вагонов состава для последующего прогноза их надежности и обоснования необходимости проведения профилактического, текущего и капитального ремонтов.

Данная система будет иметь возможность интегрироваться в АСУ диспетчерской централизацией (ДЦ), образующий информационную сеть, предназначенную для обеспечения оперативного персонала информацией о движении поездов и состоянии технических средств железнодорожной автоматики.

1. Анализ существующих систем контроля

1.1 ПОНАБ-3

Аппаратура ПОНАБ-3 позволяет контролировать поезда на двухпутных и однопутных линиях. При установке ПОНАБ-3 на однопутных линиях с помощью одного комплекта контролируемого поезда, движущегося только в одном направлении. Аппаратура ПОНАБ-3 может устанавливаться вдоль участка безостановочного следования поездов с интервалом 40 — 60 км между соседними пунктами контроля и перед станциями стоянки поездов по графику, где осуществляется сплошной осмотр букс работниками вагонного хозяйства.

Система ПОНАБ-3 способна фиксировать: 9 вагонов с указанием точного порядкового номера вагона с перегретой буксой и стороны поезда; общее количество вагонов в поезде — 99.

Общий принцип работы ПОНАБ-3 заключается в восприятии чувствительными элементами (приемниками) импульсов инфракрасной энергии, преобразовании их в электрические сигналы, усилении последних и выделении по определенным критериям сигналов от перегретых букс, формировании, передаче и регистрации информации о наличии и расположении таких букс в поезде.

В состав аппаратуры ПОНАБ-3 входит напольное, постовое и станционное оборудование (рисунок 1.1).

Рельсовая цепь наложения (РПЦ) предназначается для выработки команд управления в момент захода и удаления поезда из зоны контроля ПОНАБ-3.

Рисунок 1.1 — Структурная схема аппаратуры ПОНАБ.

НКЛ (НКП) — напольная камера левая (правая); СМ — соединительная муфта.

На временной диаграмме работы аппаратуры ПОНАБ-3 (рис. 1.2) до момента времени t1 поезд отсутствует на участке контроля. В период времени с t1 до t2 осуществляется контроль букс проходящего по участку поезда, а с момента t2 поезд удаляется с участка контроля.

Рисунок 1.2 — Временная диаграмма работы ПОНАБ.

При приближении поезда к участку контроля шунтируется вход РПЦ и происходит медленное снижение напряжения на ее выходе. В момент времени t1 вырабатывается команда начала контроля, т. е. производиться переход системы в рабочее состояние.

При проходе колесных пар подвижного состава по участку контроля в зоне, образованное датчиками Д1 и Д2, оптическая система каждой напольной камеры осуществляет съем инфракрасного излучения задней по ходу движения стенки букс снизу вверх в полосе шириной около 80 мм. Инфракрасная энергия воспринимается болометрами и преобразуется в импульсные электрические сигналы, которые после усиления поступают на входы УЛОС. Амплитуда каждого сигнала пропорциональна уровню инфракрасной энергии, излучаемой корпусом буксы.

После прохода двух колес в ячейках памяти УЛОС запоминаются амплитуды сигналов от двух букс для каждой стороны поезда, воспринимаемые только в зоне стробирования, т. е. в зоне между датчиками Д1 и Д2. Благодаря этому исключается сигналы от посторонних нагретых частей подвижного состава в процессе контроля. Затем осуществляется сравнение амплитуд двух сигналов от букс методом «отношения» для каждой из сторон поезда. При превышении отношения амплитуд заданного порогового значения УЛОС вырабатывает сигнал «тревоги», который поступает на схему накопления. После чего стирается информация в ячейках памяти УЛОС от букс первых двух колесных пар, запоминается и сравниваются амплитуды сигналов от букс двух следующих колесных пар и т. д. Если при проходе по участку контроля одной подвижной единицы сигнал «тревоги» для одной стороны поезда вырабатывается несколько раз, то схема накопления УЛОС воспринимает его только в первый раз.

При проходе подвижной единицы (вагона, локомотива) с симметричным расположением групп осей в зоне контроля выдается сигнал отметки прохода физической подвижной единицы. Сигналы отметки прохода подвижных единиц подаются через блок запоминающего устройства на блок счетчика вагонов (БСВ), где подсчитывается количество вагонов, прошедших по участку контроля. Информация о текущем значении порядкового номера вагона в поезде хранится в БСВ в двоично-десятичном коде.

Если при прохождении очередного вагона УЛОС вырабатывает сигнал «тревоги», то в момент отметки прохода этого вагона сигнал «тревоги» подается и на вход блока управления передачей (БУП), в результате чего вырабатывается команда на передачу информации о порядковом номере вагона с перегретой буксой и о стороне поезда, где эта букса размещается.

По команде БУП формируются четыре цикла передачи информации: передача значения старшего разряда порядкового номера вагона с перегретой буксой; передача младшего разряда порядкового номера; передача стороны поезда; передача знака «Пробел».

Поступающие с выхода электронного передатчика кода (ЭПК) на вход передатчика частотно-манипулированных сигналов кодовые посылки преобразуются в частотно-модулированные сигналы (ЧМС), которые передаются по линии связи на вход приемника ЧМС (рис. 1), после чего приемник ЧМС преобразует частотно-модулированные сигналы в импульсы постоянного тока и передает их на блок электронного приемника кода (ЭПрК). Блок ЭПрК преобразует последовательный код в параллельный и выдает на печатающее устройство (ПУ). После дешифрации кода в ПУ отпечатывается десятичный знак старшего и младшего разряда номера вагона, знак стороны поезда («+» — правая, «-» — левая, «х» — обе стороны) и знак раздела информации между двумя вагонами («Пробел»).

При приеме информации о вагоне с перегретой буксой, обнаруженной в поезде, включается сигнализация, извещая дежурного по станции и оператора ПОНАБ-3 о необходимости остановки поезда. По этому же сигналу можно произвести автоматическое перекрытие выходного сигнала станции или включить дополнительный указательный знак для извещения машиниста о необходимости остановки поезда на станции.

При удалении хвостовой части поезда с участка контроля РЦП в момент времени t2 формирует сигнал, по которому блок управления вырабатывает команду конца контроля. По этой команде закрываются заслонки напольных камер, и запускается система автоматической проверки исправности устройств ПОНАБ-3 (калибровка системы). После чего формируется код сигнала «Р» — исправности аппаратуры или «Н» — неисправности.

Через 2,5 с после удаления хвоста поезда с участка контроля в момент времени t3 по команде с БУ начинается передача общих данных о поезде (общее количество вагонов, число вагонов с перегретыми буксами, код исправности аппаратуры).

В момент t4 БУ вырабатывает сигнал начальной установки, т. е. запрещается работа устройств перегонного оборудования до захода следующего поезда в зону контроля напольных устройств.

Выводы Анализ системы ПОНАБ-3 контроля состояния подвижной единицы позволил выявить следующие особенности и недостатки системы.

Особенности системы:

1. система постоянно находится в дежурном состоянии (в режиме ожидания);

2. старт-стопный принцип запуска системы;

3. передача информации от объекта контроля к автоматизированной системе контроля — инфракрасное излучение;

4. усиление импульсных сигналов;

5. съем амплитудно-модулированной дискретной информации;

6. усиление амплитудно-модулированной дискретной последовательности с левой и правой сторон движущегося вагона;

7. формирование строб-сигнала для фиксации во времени оси (колеса).

8. фиксация в памяти амплитуд информационно-несущих сигналов в зоне стробирования от двух левых и двух правых колес;

9. сравнение значений амплитуд информационно-несущих сигналов букс одной оси (левой и правой буксы одной оси) и определение их разности;

10. сравнение разности двух амплитуд с эталонным значением;

11. выработка сигнала «тревоги» с последующий его фиксацией;

12. предыдущая информация стирается, и готовятся ячейки памяти для фиксации информации от последующих двух колесных парах;

13. фиксация числа подвижных единиц (вагонов);

14. информационная последовательность о состоянии состава;

15. передача информации на станционное оборудование по проводным линиям связи и в двоично-десятичном коде.

Недостатки системы:

1. стационарность системы контроля — контроль состояния подвижной единицы осуществляется только в дискретных точках пути следования состава;

2. недостаточная разрешающая способность системы — запоминается 9 аварийных вагонов из 99 возможных;

3. в случае обнаружения нескольких аварийных букс в вагоне, он фиксируется только один раз и передается информация только об одной аварийной буксе;

4. контроль температуры букс осуществляется дистанционно — влияние погодных условий, возможное загрязнение корпуса буксы;

5. калибровка системы осуществляется только после прохождения поезда — в случае сбоя системы в режиме ожидания полученные данные при проверке состояния подвижной единицы могут оказаться недостоверными;

6. использование для передачи данных проводных линий связи — возможен обрыв лини;

7. передача данных в двоично-десятичном не помехоустойчивом коде.

1.2 ДИСК-Б Базовая подсистема ДИСК-Б предназначена для автоматического обнаружения перегретых (неисправных) буксовых узлов вагонов и локомотивов при проходе поездами пункта размещения перегонных устройств и выдачи обслуживающему персоналу станции информации о наличии, расположении и количестве перегретых букс в поезде.

Подсистема ДИСК-Б обеспечивает контроль поездов, движущихся в одном направлении на однопутных и двухпутных линиях с электрической или автономной тягой.

Выявляемость перегретых букс при уровне настройки «+70» — «+100» оС по температуре шейки оси — не менее 80% при достоверности показаний — не менее 85%; при уровне настройки «+140» — «+180» оС по температуре шейки оси — не менее 90% при достоверности показаний — не менее 90%. Дальность передачи от перегонного к станционному оборудованию подсистемы до 10 км. Подсистема передает информацию на станционное оборудование с точным указанием порядкового номера вагона и номера оси в вагоне с перегретой буксой для левой и правой сторон поезда — до 399 вагонов; с указанием типа буксового узла вагона (на подшипниках качения или скольжения) — для всех вагонов; а также общее количество вагонов в поезде — до 399.

Базовая подсистема ДИСК-Б состоит из перегонных и станционных устройств, связанных между собой двухпроводной кабельной линией связи (рис. 1.3).

Работа подсистемы ДИСК-Б основана на улавливании теплового излучения корпусов букс при движении поезда с последующим преобразованием его в электрические сигналы, усилением, нормированием по длительности, передачей тепловых сигналов совместно с сигналами отметки прохода осей к вагонов на станцию, выделения по определенных критериям сигналов от перегретых букс и регистрацией информации о месте расположения таких букс в поезде.

Рисунок 1.3 — Блок-схема подсистемы ДИСК-Б.

С заходом поезда на участок контроля шунтируется рельсовая цепь наложения и формируются команды на открытие заслонок напольных камер и включение в работу перегонных и станционных устройств. При этом с пульта оператора выдается, световая сигнализация наличия поезда на участке контроля. Все указанные операции заканчиваются до захода первого колеса локомотива в зону действия датчика П1.

При заходе первого колеса в зону действия датчика П4 по сигналу с блока управления открываются входы ячеек памяти оконечных усилителей, подключенных к основным напольным камерам и сигналы от корпусов букс, полученные за счет восприятия болометрами ИК-излучения букс, усиливаются и запоминаются в ячейках памяти (запоминается амплитудное значение сигнала пропорциональное температуре корпуса буксы). При проходе этого же колеса в зоне действия датчика П5 по переднему Фронту, сигнала от датчика с блока управления открывается входы ячеек памяти оконечных усилителей, подключенных к вспомогательным напольным камерам, а по заднему фронту сигнала от датчика они закрываются, и тепловые сигналы от подступичных частей колеса также усиливаются и запоминается в своих ячейках памяти. По заднему фронту сигнала с датчика П5 блок управления вырабатывает импульс считывания тепловых сигналов с ячеек памяти. При этом считанные с ячейки памяти тепловые сигналы от основной и вспомогательной напольных камер отдельно для правой и левой стороны поезда, смешивается по схеме «ИЛИ» (выделяется больший по амплитуде сигнал) и поступают на блок передачи сообщении соответственно. Тепловые сигналы и сигнал отметки прохода колеса передаются в линию связи к станционному оборудованию. При измерении температуры окружающего воздуха по команде с блока термодатчиков в оконечных усилителях осуществляется коррекция амплитудного значения тепловых сигналов от основных напольных камер с тем, чтобы амплитуда сигнала была одинаковой при одном и том же значении температуры шейки оси во всем диапазоне температур наружного воздуха. Использование вспомогательных камер позволяет устранить случаи пропуска перегретых букс, когда температура их корпуса ниже уровня настройки (отсутствует крышка, корпус загрязнен).

При проходе колесных пар вагона (локомотива) над датчиками П1, П4 и П5 по сигналам с датчиков, отметчик вагонов вырабатывает импульс отметки прохода физической подвижной единицы независимо от числа осей в ней (до 14 осей).

Тепловые сигналы левой и правой сторон поезда с выходов каналов приема сообщений поступают на «аналог-код», где амплитуда сигнала преобразуется в двоично-десятичный код (максимальное значение 39). Сигналы отметки прохода вагонов и осей с каналов приема поступают соответственно на счетчики количества вагонов и осей в вагоне. При поступлении каждого сигнала отметки оси кодовое значение тепловых сигналов и номера оси в вагоне может выдаваться в буферный накопитель, а при поступлении сигнала отметки вагона — в блок сопряжения. Значение порога срабатывания устанавливается пороговым элементом. Устанавливая определенное значение порога можно обеспечить выдачу информации на печать с любого уровня амплитуды теплового сигнала (максимально можно выдать информацию о нагреве букс четырех осей в пределах каждого вагона).

Буферный накопитель служит для согласования скоростей поступления информации и ее распечатки.

При превышении амплитуды теплового сигнала правой или левой стороны поезда установленного порога вырабатывается сигнал тревоги, по которому включается звуковая и световая сигнализация на пульте оператора. При этом, параллельно с выдачей в блок сопряжения, информация о вагоне с перегретой буксой поступает в блок автономной работы и запоминается (порядковый номер вагона и сторона поезда, с которой расположена перегретая букса). Всего блок автономной работы может запоминать информацию о 16-ти вагонах. Информация с блока автономной работы может выдаваться по запросу на цифровое табло пульта оператора.

При настройке подсистемы в условиях эксплуатации уровень выдачи информации на печать устанавливается ниже уровня обнаружения перегретых букс. В этом случае, при остановке поезда по показаниям аппаратуры, представляется возможность не только произвести ремонт неисправного буксового узла, но и осмотреть буксовые узлы с существенным отклонением их температуры от нормальной, что повышает выявляемость неисправных букс аппаратурой.

В состав станционного оборудования включен различитель типа букс, принцип работы которого основан на распознании тина буксового узла по амплитудному признаку всех букс одного вагона (температура нормально работающих букс с подшипником скольжения значительно выше температуры нормально работающих роликовых букс). Признак типа буксового узла («+» — бук скольжения, «-» — букса роликовая) отпечатывается после информации о порядковом номере вагона, а соответствующий сигнал подается в устройство тревоги для задания различных уровней порогового значения при том или ином типе буксового узла (при роликовой буксе порог срабатывания выше, чем при буксе скольжения, т.к. для роликовой буксы выше допустимая температура ее корпуса).

При удалении поезда с участка контроля перегонных устройств по сигналу с рельсовой цепи наложения, блок управления вырабатывает команду «конец поезда», по которой закрывается заслонки напольных камер, запускается программно-задающие устройство и аппаратура переключается в режим автоконтроля. В режиме автоконтроля имитируется проход шестиосного вагона с высоким уровнем нагрева букс (3 оси при открытой заслонке и 3 оси при закрытой заслонке) и информация о контрольном вагоне фиксируется блоком сопряжения. По результатам расшифровки этой информация можно судить о настройке основных устройств подсистемы. После выдачи информации о контрольном вагоне на печать выдается информация о порядковом номере поезда за смену (с регистра номера поезда) и о времени окончаний его контроля (часы, минуты, секунды). На этом цикл контроля поезда закапчивается и на логические цепи накладывается запрет работы, а печатающий механизм выключается.

В подсистеме ДИСК-Б заложена возможность контроля ряда цепей и устройств по командам, задаваемым со станций.

Недостатки:

1. использование кабельной линией связи между перегонным и станционным оборудованием;

2. фиксация подвижных единиц с количеством осей не превышающим 14;

3. амплитуда теплового сигнала преобразуется в двоично-десятичный код, с максимальным значением 39;

4. блок автономной работы может запоминать информацию о 16-ти вагонах;

5. калибровка системы производится после окончания контроля подвижной единицы.

Особенности

1. БИСК-Б распознает тип буксового узла — на подшипниках скольжений или качения;

2. в соответствии с типом букс автоматически выставляется пороговое значение (для роликовой буксы выше допустимая температура ее корпуса, чем для буксы скольжения);

3. максимально можно выдать информацию о нагреве букс четырех осей в пределах каждого вагона;

4. при настройке подсистемы уровень информации на печать устанавливается ниже уровня обнаружения перегретых букс (на печать выдается информация о буксе с температурой не меньше 100 оС при уровне настройки 140 оС);

5. запоминается амплитудное значение сигнала пропорциональное температуре корпуса буксы;

6. система ДИСК-Б может содержать модули на определение силы удара колеса о рельс по кругу катания и подсистемы обнаружения волочащихся деталей;

7. калибровка системы может производится вручную при запросе со станционного оборудования с выводом результатов на устройство печати;

8. используются вспомогательные камеры для дублирования снимаемой информации, что позволяет устранить случаи пропуска перегретых букс, когда температура их корпуса ниже уровня настройки (отсутствует крышка, корпус загрязнен).

1.3 АСДК-Б Подсистема базовая АСДК-Б представляет собой станционный комплекс телеметрической аппаратуры, размещаемой вдоль железнодорожного полотна, и предназначена для обнаружения перегретых буксовых узлов проходящих по нему поездов, передачи и регистрации на станции информации о количестве и расположении таких буксовых узлов в прошедшем поезде.

В аппаратуре базовой АСДК-Б используется микропроцессорная техника, что позволяет расширять функциональные возможности аппаратуры путем модификации прикладного программного обеспечения о подключения дополнительных датчиков, а также использовать аппаратуру АСДК-Б для создания распределенных систем сбора и обработки информации, интегрирования ее в систему диспетчерской централизации.

Базовая подсистема АСДК-Б автоматически распознает перегретые буксовые узлы в результате оценки температуры шейки оси колеса. По данным дистанционного контроля температуры корпуса буксы и ступичной части при помощи камер напольных, передает на станцию и регистрирует в аппаратуре станционного пульта контроля и сигнализации информацию о наличии таких буксовых узлов в поезде с указанием порядкового номера и стороны подвижной единицы. Кроме того, аппаратура АСДК-Б обеспечивает оповещение работников соответствующих служб железнодорожной станции о результатах контроля.

Взвод и останов напольного оборудования производится по сигналу от датчиков прохода колесных пар. Они также выполняют роль счетчиков осей проходящего поезда и измеряют его скорость.

Рисунок 1.4 — Блок-схема подсистемы АСДК-Б.

Сигнал инфракрасного излучения от объекта контроля фокусируется объективом камеры напольной в плоскости модулирующего диска. Далее уже модулированный поток через конденсор поступает на приемник инфракрасного излучений, который преобразует поступающее модулированное излучение в электрический сигнал с частотой и амплитудой пропорциональной падающему потоку излучения. Выходной сигнал приемника излучения через предварительный усилитель поступает на вход блока усиления, который усиливает и фильтрует поступающий сигнал. Выходной сигнал блока усиления поступает на блок вторичного преобразования сигнала постового оборудования, где по калибровочной характеристике определяется температура контролируемой поверхности. Далее сигнал с выявленной аномалией поступает на модем и далее на станционное оборудование.

Модем стойки управления обеспечивает связь со станционным оборудованием и осуществляет по запросу станции передачу накопленной на посту информации о результатах контроля поезда и обеспечивает прием управляющих сигналом.

После обработки сигналов устройствами постового оборудования информация о состоянии букс вагонов передается на станционный пульт контроля и сигнализации (СПКиС), где отображается на экране монитора и заносится в память компьютера станционного пульта контроля и сигнализации в журнал. Журнал предназначен для накопления оперативной информации, поступающей за время дежурства одного оператора ПТО, и после завершения смены и очистки журнала вновь заступившим на смену оператором, информация помещается в долгосрочный архив, который предназначен для анализа ситуации на дороге за длительный период времени.

СПКиС осуществляет всю логическую обработку информации как поступающей по линии связи от перегонного оборудования, так и вводимой оператором непосредственно на станции.

Выводы Проанализировав принцип работы базовой подсистемы АСДК-Б мы выявили следующие особенности и недостатки системы.

Особенности системы:

1. подсистема базовая АСДК-Б выполнена на базе микропроцессорной техники, что позволяет расширять функциональные возможности аппаратуры;

2. возможность интегрирования ее в систему диспетчерской централизации;

3. число регистрируемых подвижных единиц — до 200;

4. число осей — до 800;

5. число поездов за сутки — до 240;

6. старт-стопный принцип запуска системы;

7. передача информации от объекта контроля к автоматизированной системе контроля — инфракрасное излучение;

8. усиление импульсных сигналов;

9. съем амплитудно-модулированной дискретной информации;

10. усиление амплитудно-модулированной дискретной последовательности с левой и правой сторон движущегося вагона;

11. АСДК-Б обеспечивает непрерывный и круглосуточный режим работы с автоматическим переходом из режима ожидания в режим контроля буксовых узлов при появлении подвижного состава на участке контроля;

12. фиксация в памяти амплитуд информационно-несущих сигналов в зоне стробирования от двух левых и двух правых колес;

13. сравнение значений амплитуд информационно-несущих сигналов букс одной оси (левой и правой буксы одной оси) и определение их разности;

14. сравнение разности двух амплитуд с эталонным значением;

15. выработка сигнала «тревоги» с последующий его фиксацией;

16. на всех этапах прохода поезда аппаратура производит контроль работоспособности камер напольных;

17. пороговые значения рассчитываются (пересчитываются) перед проходом каждого поезда;

18. температура контролируемой поверхности определяется на постовом оборудовании по калибровочной характеристике;

19. переход из режима ожидания в режим контроля производится как автоматически, так и вручную оператором;

20. передача накопленной информации о поезде осуществляется по запросу со станции;

Недостатки системы:

1. стационарность системы контроля — контроль состояния подвижной единицы осуществляется только в дискретных точках пути следования состава;

2. выявляемость перегретых букс — 95%;

3. достоверность информации — 94%;

4. отсутствие информации о динамике измеряемых поверхностей;

5. контроль температуры букс осуществляется дистанционно — влияние погодных условий, возможное загрязнение корпуса буксы;

6. возникают трудности с настройкой и виброустойчивостью напольного оборудования;

7. использование для передачи данных проводных линий связи — возможен обрыв лини;

8. в результате анализа работоспособности системы не было выявлено сведений о кодировании сигнала — помехо-неустойчивый сигнал.

1.4 Бортовой регистратор для железнодорожного подвижного состава Ранее предпринимались попытки пойти по этому пути. Примером может служить «Бортовой регистратор для железнодорожного подвижного состава».

Рисунок 1.5 — Функциональная схема бортового регистратора.

Очевидно, что анализируя данные после рейсов в депо наряду с рассмотренными параметрами технического состояния тепловоза или электровоза, полученные во время поездки, т. е. в реальных условиях работы, можно более глубоко производить диагностирование систем локомотивов, выявляя дефекты еще на стадии их зарождения.

На рисунке 1.5 изображена функциональная схема базового варианта БР. Функциональные возможности базового варианта несложно наращивать за счет подключения имеющихся в серии MicroPC модулей ввода аналоговых и дискретных сигналов, модулей для измерения временных параметров сигналов, модулей энергонезависимой памяти, сетевых адаптеров для интегрирования БР в локомотивные информационно-управляющие системы.

Оптоизолированные дискретные и аналоговые модули УСО фирмы Grayhill обеспечивают высокую помехоустойчивость БР по входным цепям.

На основе базового варианта разработан БР для контроля амплитудных и временных параметров кодов автоматической локомотивной сигнализации. Наряду с записью в БД всех поступающих на борт локомотива кодов прибор обеспечивает регистрацию тонкой структуры сигналов на тех участках рельсовых цепей, где параметры кодов имеют те или иные отклонения от нормы.

Данная система разработана для регистрации параметров локомотивов, и не представляется возможным установки данной системы на остальные подвижные единицы подвижного железнодорожного состава, т. е. вагоны.

1.5 Микропроцессорный комплекс технических средств КТСМ С 1998 г. началось массовое внедрение КТСМ-01 на железных дорогах России для модернизации аппаратуры ПОНАБ-3, а с 2001 г. КТСМ-01Д для модернизации как ПОНАБ-3, так и ДПСК-Б. Применение КТСМ-01 и КТСМ-01 Д было эффективно в условиях ограниченных средств железных дорог на замену основных фондов. Оно позволило при минимальных затратах на модернизацию электронной части перегонного и постового оборудования получить новое качество, присущее техническим средствам 4-го поколения.

При модернизации на перегонном посту контроля взамен функциональных стоек устанавливаются периферийные контроллеры (ПК-02), а на примыкающих станциях организуются автоматизированные рабочие места линейного поста контроля с программным обеспечением (АРМ ЛПК). При этом сохраняется напольное и силовое оборудование штатных средств контроля. Разработанный в 1991 г. НПЦ «Инфотэкс» шестиканальный концентратор информации КИ-6М для системы передачи данных (СПД ЛП) используется для подключения АРМ ЛПК и объединении КТСМ (включая ПОНАБ-3 и ДИСК-БТ) в автоматизированную систему централизованного контроля АСК-ПС. К одному АРМ ЛПК подключается до 4 перегонных комплектов средств контроля, что чаще всего необходимо для НТО сортировочных и участковых станций, с выдачей данных в АСК-ПС по двум адресам.

Для модернизированных ПОНАБ и ДИСК НПЦ «Инфотэкс» разработал более совершенные алгоритмы диагностики буксовых узлов и заторможенных колесных пар, новое программное обеспечение для АСК-ПС. Был выполнен ряд научно-исследовательских работ по оценке информативности элементов корпуса буксы грузового вагона, которые контролируются в системах ПОНАБ и ДИСК при тепловой (инфракрасной) диагностике подшипников, и обоснованию новых, более информативных зон контроля.

В аппаратуре контроля нагрева букс ПОНАБ, ДИСК, ДИСК-2, КТСМ-01 и КТСМ-01Д приемники инфракрасного (ИК) излучения (болометры) установлены под углом 13° или 20° к оси пути и под углом 34° к горизонту. Эти углы ориентации (визирования) приемников ИК-излучения, разработанные еще для диагностики букс с подшипниками скольжения, используются и для диагностики букс на подшипниках качения. При разработке было принято, что ИК-приемники ориентированы на поверхность смотровой крышки и частично на верхнюю цилиндрическую (попутную относительно движения поезда) часть корпуса буксы с роликовыми подшипниками.

Для определения фактической зоны сканирования буксового узла, а также для оценки влияния износа колеса, динамических перемещений колесной пары в колее при движении поезда по пути с неровностями на амплитуду теплового сигнала, вырабатываемого приемником, выполнены трехмерное компьютерное моделирование и экспериментальные исследования на буксовом стенде и реальном подвижном составе (рис 1.6).

Рисунок 1.6 — Трехмерная геометрическая модель для определения зоны буксы сканируемой болометром при прохождении состава и кадры положении пятна в различные моменты времени при перемещении буксы в зоне контроля.

Для удобства зону контроля на оптической оси болометра назовем лучом, а участок сканируемой болометром поверхности буксы — пятном (рис. 5.1). Результаты эксперимента, в котором лазер имитировал «взгляд» приемника инфракрасного излучения напольной камеры, показывают, что при проходе колесной пары ориентированный стандартным образом приемник инфракрасного излучения фактически сканирует, в основном, смотровую крышку и частично крепительную крышку буксы (рис. 5.1). При этом наиболее нагретая часть корпус буксы не попадает в зону обзора.

Рисунок 1.7 — Схема ориентации болометров в КТСМ-02, 1-зона теплового контроля, 2-угол зрения болометров.

Результаты исследований и анализ зарубежных решений по ИК-диагностике буксовых узлов позволили НПЦ «Инфотэкс» предложить для реализации в аппаратуре 5-го поколения (в новой модели КТСМ-02Б) более совершенный вариант ориентации болометра с установкой напольной камеры прямо на подошву рельса с углом в плане 0° и углом к горизонту 55″ .

Схема установки болометра и его ориентация показаны на рис. 5.2. Конструкция напольной камеры КТСМ-02Б обеспечивает осмотр нижней и частично задней (по ходу движения) стенок корпуса буксового узла. При такой ориентации обеспечивается стабильность геометрии положения напольной камеры и приемника ИК-излучения относительно контролируемых объектов и наименьшее расстояние до объекта контроля. При этом исключаются ложные показания аппаратуры, обусловленные рабочим нагревом шкивов и редукторов привода подвагонных генераторов, нагревом обода колес, возникающим при торможении поезда, и отраженным от корпусов букс солнечным излучением.

В настоящее время разработанные НПЦ «Инфотэкс» промышленные образцы устройств КТСМ-02БТ находятся в эксплуатации на 8 железных дорогах, в том числе на ПТО грузовых вагонов сетевого значения Свердловской и Западно-Сибирской дорог.

На основе изложенного можно сделать следующие выводы.

Ориентация приемников ИК-излучения аппаратуры обнаружения перегретых букс с напольными камерами от ПОНАБ и ДИСК под углами 34° к горизонту, 13° и 20° к оси пути обеспечивает сканирование лишь смотровой (при угле 13″), смотровой и частично крепительной (при угле 20″) крышек корпуса буксы. При угле 20″ уровни тепловых сигналов от букс в среднем на 15% выше, чем при угле 13″, что необходимо Уровень сигнала приемника ПК-излученпя при такой ориентации существенно зависит от диаметра колеса п сочетания динамических перемещений буксового узла в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Возможны неблагоприятные сочетания указанных параметров, приводящие к уменьшению сигнала в 5…7 раз по отношению к идеальному результату сканирования буксовых узлов и пропуску аварийно нагретых букс с угрозой для безопасности движения поездов.

Смотровая крышка является самой холодной частью корпуса буксы при движении вагона. Как показал анализ распределения температур по деталям корпуса буксы, крышка нагревается в 1.5—2 раза меньше, чем нижняя и боковая цилиндрические части корпуса буксы. Интенсивность изменения температуры нагрева смотровой крышки намного ниже, чем у нижней части корпуса буксы при аварийном нагреве (перед заклиниванием) подшипника. Зона перехода ступицы буксы к диску, на которую ориентируются вспомогательные камеры ДИСК, холоднее, чем смотровая крышка буксы, и не может рассматриваться как резервный канал контроля состояния подшипников качения.

При ориентации приемника ИК-пзлучения на нижнюю цилиндрическую часть корпуса буксы в сечении между передним и задним подшипниками с креплением напольной камеры непосредственно к подошве рельса как в аппаратуре КТСМ-02Б обеспечивается: формирование более мощного (в 1,5…1,8 раза) теплового сигнала: стабильность положения напольной камеры с приемником ИК-излучения относительно корпуса буксы; наименьшее расстояние до поверхности корпуса буксы, а следовательно, и наименьшие потери ИК-излучения на пути от буксы к приемнику; исключение ложных показаний аппаратуры, вызванных рабочим нагревом шкивов и редукторов привода подвагонных генераторов, прямым и отраженным от букс ИК-излучением солнца.

Разработчикам аппаратуры обнаружения перегретых букс необходимо активизировать исследования по оптимизации углов визирования приемников ИК-излучення на наиболее информативные зоны корпусов букс с учетом запланированного на ближайшие годы внедрения подвижного состава нового поколения с коническими двухрядными подшипниками (в типовых корпусах по чертежам 100.10.020 и 168.10.001) и с полуоткрытыми подшипниками кассетного типа с адаптером, не пренебрегая при этом богатым опытом диагностики подобных подшипников, накопленным на железных дорогах мира.

1.6 Выводы и постановка задачи Общим недостатком известных решений (ДИСК-Б, ПОНАБ-3, АСКД, КТСМ) является дистанционность контроля — большой уровень погрешности, зависимость от состояния окружающей среды, влияющей на канал связи: «Объект контроля» — «Система контроля», поскольку система подвержена механическим воздействиям (тряска, вибрация), это требует дополнительных затрат по юстировке (наладке, настройке).

В целом системы обнаружения перегретых букс ПОНАБ, ДИСК, КТСМ и АСДК справляются со своей задачей, но имеются факты ложного срабатывания установок по различным причинам, в том числе по отказам узлов аппаратуры контроля подвижного состава. Только за 5 месяцев 2005 года ложно остановлено 28 поездов. Анализ работ устройств показывает, что в основном отказывает напольное оборудование — как правило болометры напольных камер. За отчетный период 2005 года из 25 отказов устройств 20 приходится на напольное оборудование, из которых 12 — отказы болометров.

В выше указанных системах контроля (ДИСК-Б, ПОНАБ-3, АСКД, КТСМ) заслуживает внимания используемый способ безэталонного сравнения значений однородных параметров (амплитуд сигналов отображающих температуру букс между собой) с последующим определением размаха сравниваемых величин и сравнение с эталоном.

С целью исключения информационной избыточности, на диспетчерскую станцию передается информация только о числе отказавших вагонов среди определенного числа с адресом вагона и топологией нахождения буксы.

Опыт эксплуатации устройств обнаружения перегретых букс типа ПОНАБ, ДИСК и т. п. выявил ряд конструктивных недостатков устройств, применяемых для этих целей.

Например:

значительные затраты времени на перестановку принимающей инфракрасное излучение при ориентации напольных камер левой и правой сторон;

недостаточная жесткость в сочленениях (имеются завышенные люфты в направляющих штангах ориентирного устройства, стойке головки и др.);

трудность достижения требуемой точности параметров настройки за один прием.

Существенным недостатком является и то, что для выполнения регламентных работ по ориентации напольного оборудования требуется запрашивать длительные технологические «окна».

Что касается таких систем как ПОНАБ и ДИСК, то они давно выработали свой ресурс и требуют значительной модернизации для соответствия существующим нормам контроля (таблица 1.1). Системы КТСМ и ДЦ «Тракт», разработанные с целью модернизации морально и физически устарелой аппаратуры ПОНАБ и ДИСК, также относятся к классу систем дистанционного контроля состояния элементов движения, движущийся состав подвергается контролю лишь в определенных точках пути, его техническое состояние вне этих точек остается неизвестным.

Таблица 1.1

Несмотря на внедрение систем КТСМ и ДЦ «Тракт», статистика показывает, что количество ЧС (15) на железнодорожном транспорте за 10 месяцев 2006 г. возросло по сравнению со среднемноголетними показателями (12) на 25%, и показателями 2005 г. (11) на 36%. Количество погибших в результате ЧС на железнодорожном транспорте за 10 месяцев 2006 г. составило 5 человек, что выше показателей 2005 г. (11) и среднемноголетних значений (3 человека).

Постановка задачи Система «колесо — рельс» относится к классу систем, в которых проявляется сильная зависимость от начальных условий. Характерной особенностью таких систем является переход из детерминированного состояния в состояние хаотических колебаний, результатом проявления которых являются механические резонансы в колесных парах, способные привести к разрушению. В связи с вышесказанным, актуальным является вопрос разработки и внедрения мобильной системы непрерывного контроля и диагностики элементов движения подвижного товарного железнодорожного состава, т. е. постановка задачи может быть сформулирована следующим образом:

разработать систему непрерывного контроля состояния элементов движения каждого вагона и состава в целом, которая бы не нарушила информационных связей существующих стационарных систем контроля с центральным диспетчерским пунктами узловых железнодорожных станций, а дополняла бы информацией в масштабе реального времени о состоянии, как вагона, так и состава в целом. Такие системы позволяют постоянно информировать машиниста локомотива о состоянии состава и тем самым изменять режим движения состава в зависимости от ситуации.

Таким образом, разрабатываемая система динамического контроля элементов движения железнодорожного состава будет представлять беспроводную двухиерархическую телекоммуникационную сеть, состоящую из беспроводных ЛВС контроллеров для каждого вагона и на втором уровне — это сеть, объединяющая указанные сети с сервером, автоматизированным рабочим местом, находящимся в кабине локомотива. В качестве средств элементной базы необходимо использовать стандартные проверенные практикой решения.

Дополнительной функцией проектируемой системы можно отнести контроль состояния рельсового пути, при условии, что вагон исправлен.

2. Разработка моделей контроля букс товарного вагона

2.1 Назначение, классификация, основные характеристики букс и предполагаемая топология расположения датчиков Буксы предназначены для передачи нагрузки от тележки или рамы кузова выгона на шейки осей, а также для ограничения продольного и поперечного перемещений колесной пары при движении вагона. Букса состоит из корпуса, подшипников и деталей, уплотняющих корпус, как с переднего торца, так и со стороны колес. Типовая букса грузового вагона показана на рисунке 2.1. Наиболее распространенным является передача нагрузки на корпус буксу сверху.

Рисунок 2.1 — Типовая букса грузового вагона.

1-пердний подшипник, 2-задний подшипник, 3-внетреннее кольцо заднего подшипника, 4 — упорное кольцо переднего подшипника, 5-кольцевая поверхность, 6- продольный ребра корпуса, 7- ребра жесткости.

По типу применяемых подшипников все буксы делят на 2 группы:

с подшипниками качения (роликовые подшипники) с подшипниками скольжения Опыт эксплуатации грузовых и пассажирских выгонов, оборудованных роликовыми подшипниками, показал техническую и экономическую целесообразность перехода от подшипников скольжения к роликовым подшипникам. Подшипники качения являются самым распространенным и наиболее уязвимым элементом любого роторного механизма. Они осуществляют пространственную фиксацию вращающихся роторов и воспринимают основную часть статических и динамических усилий, возникающих в механизме. Поэтому техническое состояние подшипников является важнейшей составляющей, определяющей работоспособность механизма в целом.

На рисунке 2.2 показано распределение нагрузки между роликами в корпусе буксы грузового вагона.

Рисунок 2.2 — Распределение нагрузки между роликами в корпусе буксы грузового вагона

1 — в условия стендовых испытаний (статическое приложение радиальной нагрузки), 2 — в поездных условиях, P0 P1 P2 — нагрузки на центральный и боковые ролики (с индексом «д» в условиях движения, с индексом «с» при стендовых испытаниях), p — повторяемость нагрузки.

При проектировании букс грузовых вагонов нельзя ориентироваться только на распределение статической нагрузки, как это делается при проектировании букс пассажирских вагонов, в которой радиальная нагрузка воспринимается 5 роликами (нагрузка передается на центральный ролик-26.2%, по соседним с ним — 24.6%, и на крайний из 5 -12.3%). Необходимо также учитывать, что в тележках, не имеющих специальных балок, шейки осей нагружаются моментами, действующими в горизонтальной плоскости и обусловленными забеганием боковых рам. Эти моменты существенно перегружают ролики, расположенные под углами 2ар, 3ар, где ар-угол между двумя соседними роликами на рисунке 2.2. Учтем это, при выборе топологии расположения датчиков (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 — Колесная пара с буксами для определения мест контроля.

Условно предположим колесную пару с буксой на роликовом подшипнике (слева) и буксой на подшипнике скольжения (справа). Будем рассматривать буксу с роликовыми подшипниками. Контролируемые элементы корпуса буксового узла и колесной пары показаны стрелками а, b, с, d, e. Контроль температуры поверхности крышки буксового узла (вид по стрелке а) не может дать хороших результатов, так как температура крышки слабо отражает температуру шейки оси, и особенно для букс с подшипниками скольжения. Достаточно хорошо характеризует температуру шейки оси нагрев верхней части корпуса буксы (вид по стрелке b), но конструктивные особенности подвижного состава и необходимость соблюдения габарита приближения строений при размещении считывающих устройств аппаратуры контроля делают невозможным организовать контроль этого элемента корпуса буксы. Подступичная часть оси с наружной стороны колеса (вид по стрелке с) наилучшим образом характеризует температуру шейки. Однако из-за небольших размеров этой зоны очень трудно организовать надежный контроль при поперечных смещениях колесной пары во время движения поезда. Лучшие результаты могут быть получены при контроле подступичной части колеса с внутренней стороны (вид по стрелке е). Однако в результате предварительных исследований установлено, что связь температурой этого элемент та оси и шейкой оси более слаба, чем — между шейкой оси и верхней частью корпуса буксы. Несколько сложнее реализовать контроль задней стенки корпуса буксы с внутренней стороны рамы тележки (вид по стрелке d) так как эта часть корпуса буксы сильно загрязнена и находится вблизи нагретых подступичной части оси и тормозных колодок.

Таким образом, на наш взгляд, целесообразно располагать датчики температуры в областях b или с, т. е. в тех областях контроля, где текущее температурное состояние буксы может быть охарактеризовано должным образом. Датчик вибрации лучше всего устанавливать в верхней части буксы, т. е. там, где ролики испытывают наибольшую нагрузку.

2.2 Разработка моделей объекта контроля

2.2.1 Модель температурного контроля буксы товарного вагона Выделяемое при движении поезда в зоне трения подшипника об ось тепло распространяется 2мя путями: через шейку оси на колесо и ось, и через подшипник на корпус буксы. По данным американских исследователей, на колесо и ось приходится до 77% тепла, а на корпус буксы 23%.

Нормальная работа буксового узла характеризуется установившемся режимом теплообмена между его элементами, колесной парой и наружным воздухом в процессе движения поезда (рисунок 2.4, кривая 3). Установившейся режим нормально работающего буксового узла наступает примерно через 40 км после начального движения поезда. Значение температуры шейки оси в установившемся режиме зависит от скорости движения поезда, нагрузки на подшипник. При температуре наружного воздуха 20 Сє, установившееся значение для букс с роликовыми подшипниками менее 10−20 Сє. Перегрев букс характеризуется неустановившемся режимом теплообмена (рисунок 2.4, кривая 1). Темп возрастания температуры зависит от характера неисправности, скорости поезда. По данным американских исследователей, которые подтверждаются статистическими данными отечественных ЖД, пробег вагона до излома шейки составляет 50−60км.

Рисунок 2.4 — Зависимость температуры буксы от времени движения Критерии аварийности (перегрева) буксового узла выработаны практикой длительной эксплуатации подвижного состава в различных условиях и подтверждены экспериментами. Для буксового узла с подшипником скольжения предельно допустимая температура шейки оси составляет примерно 100—110°С. Критическая температура, при которой начинается разрушение граничного слоя и происходит схватывание металлов трущихся поверхностей, соответствует значению 140 °C и более. В соответствии со значениями предельно допустимой и критической температуры уровни нагрева шеек осей, при которых буксовый узел на подшипнике скольжения следует считать аварийным (перегретым), находятся выше 100−140°C. Для буксового узла с роликовыми подшипниками повышение в процессе движения поезда температуры корпуса буксы до 70—75°С в летний период или до 40—50°С в зимний период является признаком неисправности.

Неустановившийся режим теплообмена может быть в течение длительного времени работы буксового узла с новым подшипником при некачественной его подгонке. В начальный, период приработки подшипника температура шейки оси поднимается до 100—140°С (рисунок 2.4, кривая 2), а затем по мере приработки подшипника снижается и достигает установившегося значения через 40—80 км. Обнаружение таких букс по выбранным критериям аварийности приводит к необоснованным остановкам поездов. Однако количество этих букс по отношению к количеству действительно неисправных незначительно.

В процессе работы буксового узла тепло от подшипника передается на корпус буксы и температура контролируемой зоны (задней стенки корпуса) возрастает. Значение температуры корпуса буксы определяется температурой шейки оси, температурой наружного воздуха и скоростью движения поезда.

Среднее значение ДTкб (превышение температурой букс температуры наружного воздуха) нормально работающих буке незначительно меняется при изменении температуры наружного воздуха и при установившемся режиме теплообмена равно 10—15С°. Среднее значение ДTкб для перегретых букс в зависимости от температуры наружного воздуха меняется значительно.