Автоматизированная система контроля подвижного состава на основе комплекса технических средств для модернизации аппаратуры ПОНАБ-3

За более чем 150-летний период своего существования железнодорожный транспорт нашей страны превратился в важнейшую отрасль народного хозяйства. В настоящее время объем перевозок грузов и пассажиров этим видом транспорта превышает объем перевозок, выполняемый другими видами транспорта.

В процессе своего развития железная дорога потребовала формирования особых требований для используемой аппаратуры автоматики, телемеханики и связи. В первую очередь эти требования затронули такие понятия как надежность и безопасность движения. Были разработаны устройства для контроля занятости перегона, для регулирования движения поездов, для управления стрелочным развитием станций.

В последнее время на железнодорожном транспорте сформировалось новое направление автоматики — контроль и диагностика технического состояния подвижного состава при движении поезда. Обеспечение высокого уровня надежности подвижного состава и безопасности движения поездов — важнейшие условия повышения эффективности и качества работы железнодорожного транспорта. Однако непрерывная интенсификация перевозочного процесса влечет за собой увеличение длины участков безостановочного следования, увеличение скорости движения и нагрузки на ось. Это приводит к увеличению числа отказов ходовых частей подвижного состава и, в первую очередь, вагонных букс.

Буксовый узел является одним из наиболее ответственных в железнодорожном подвижном составе, от исправной работы которого зависит безопасность движения и ряд технических показателей использования вагонов.

Существовавшая до последнего времени и в значительной мере сохранившаяся до сих пор система технического содержания железнодорожного подвижного состава включает в себя периодическое освидетельствование важнейших узлов вагонов, их технический осмотр и ремонт на станциях, контроль в пути следования.

В пути следования исправность вагонов контролируют локомотивная бригада, дежурные по станции и другие линейные работники железнодорожного транспорта. Однако такая система технического обслуживания подвижного состава, методы контроля буксовых узлов при движении поезда по участку безостановочного следования не удовлетворяют современным требованиям эксплуатации из-за их низкой эффективности, особенно в сложных климатических условиях и в ночное время.

Стремление преодолеть недостатки традиционных методов визуального контроля букс на ходу поезда привело к разработке новых методов и средств автоматического контроля букс. Работы в этом направлении на железных дорогах были начаты в 50-х годах прошлого века и развивались в направлении создания средств индивидуального и группового контроля букс.

Наиболее совершенный способ автоматического контроля основан на улавливании специальными напольными устройствами инфракрасной энергии, излучаемой корпусом буксы. Аппаратура автоматического контроля обеспечивает обнаружение перегретых букс и регистрацию информации о количестве и расположении таких букс в поезде. Аппаратурой в первую очередь оснащаются пункты контрольно-технического обслуживания и контрольные посты на участках безостановочного следования поездов.

В настоящее время производится совершенствование аппаратуры обнаружения перегретых букс. Направлениями в разработке новой аппаратуры и задачами модернизации существующей являются: расширение функциональных возможностей аппаратуры; объединение автономно работающих пунктов контроля букс в систему централизованного контроля; поиск более точных методов обработки, передачи и регистрации информации о греющихся буксах.

Объединение аппаратуры в единую централизованную систему является качественно новым направлением в развитии техники контроля состояния подвижного состава. Организация такой системы в пределах участка безостановочного следования поезда позволяет сократить капитальные затраты на оснащение линий аппаратурой контроля, обслуживающий персонал, одновременно контролировать наиболее ответственные узлы ходовых частей вагонов.

В системе централизованного контроля поездов можно обеспечить обработку телеметрической информации по сложным алгоритмам вплоть до наблюдения за процессом развития неисправностей в пути следования и за счет этого повысить качество контроля, более рационально использовать информацию о техническом состоянии подвижного состава в пути следования при управлении движением поездов на участке.

Таким образом, одной из задач совершенствования и развития аппаратуры обнаружения перегретых букс является построение единой информационной централизованной сети контроля подвижного состава на базе современной микропроцессорной техники. Однако, в настоящее время в эксплуатации находится большое число комплектов аппаратуры ПОНАБ-3, модернизация которой выгоднее, чем внедрение устройств нового типа. В связи с этим встает проблема разработки устройств для модернизации этой аппаратуры.

1. Эксплуатационно-техническая часть

1.1 Разработка эксплуатационно-технических требований к системе централизованного контроля подвижного состава

Аппаратура централизованного контроля подвижного состава строится на базе существующих систем обнаружения перегретых букс. Для осуществления комплексного контроля на перегоне помимо обнаружения перегретых букс необходимо контролировать ряд других параметров, таких как дефекты колес по кругу катания, заторможенных колес, нарушения нижнего (волочение) и верхнего габаритов, нагрев шкивов пассажирских вагонов и др. Также необходима аппаратура для концентрации и централизации полученной информации.

Аппаратура обнаружения перегретых букс в целом может быть построена по принципам систем телеизмерения (ТИ) и телесигнализации (ТС). При построении аппаратуры по принципу ТИ вся телеметрическая информация, представляющая собой непрерывный ряд значений измеряемой величины, передается в пункт ее регистрации (станционное оборудование). В этом случае в постовой аппаратуре выполняется только функция нормирования сигналов от букс по длительности, и выработка сигналов счета осей и стробирующего сигнала, по которому аппаратура передачи данных принимает сигналы с выхода постового оборудования. Операцией стробирования удается исключить из контроля посторонние нагретые части подвижного состава.

С помощью аппаратуры передачи данных сигналы от букс и сигналы счета осей передаются по линии связи к станционному оборудованию и после приема регистрируются. В данном случае оценка аварийного состояния буксового узла и подсчет числа осей до перегретой буксы выполняются расшифровкой сигналов на станционной аппаратуре автоматически либо специальным оператором.

Станционное оборудование аппаратуры контроля, работающей по принципам систем ТИ [1], может дополняться устройствами аварийной сигнализации и автоматическими указателями, которые распознают перегретые буксы по определенным признакам сигналов (амплитуда сигнала, отношение или разность амплитуд сигналов двух букс одной колесной пары и др.) и выдают обслуживающему персоналу информацию о наличии и расположении перегретых букс в поезде. По сигналам с этих устройств может проводиться отметка перегретой буксы и автоматическое воздействие на систему электрической централизации станции для перекрытия сигнала прибывающему поезду.

В аппаратуре контроля, построенной по принципу ТС, на станцию передаются только дискретные сообщения об аварийном состоянии объекта контроля (буксы). При этом постовое устройство автоматически распознает сигналы от перегретых букс по определенным признакам и вырабатывает кодовое значение текущего номера проконтролированной оси или физической подвижной единицы. В момент обнаружения перегретой буксы информация передается на станционное оборудование, где регистрируются.

Так как создание автономных технических средств для контроля отдельных элементов подвижного состава неизбежно приводит к использованию функционально однотипных узлов, например для передачи, обработки и регистрации сигналов. Это усложняет обработку результатов измерений, увеличивает объем аппаратуры из-за неоправданного дублирования отдельных узлов и усложняет обслуживание. Поскольку контроль состояния элементов подвижного состава обычно выполняют в одном месте, например на подходах к крупным станциям, то более целесообразно использовать комплексный принцип сбора и обработки информации, реализуя однотипные операции обработки данных при помощи общего комплекта аппаратуры. Различными будут лишь устройства предварительного формирования сигналов поступающих от соответствующих датчиков. Этот принцип был положен в основу комплексной системы технического контроля подвижного состава ДИСК-БКВ-Ц и ее технического продолжения — системы ДИСК-2.

Организация централизованной системы контроля в пределах участка безостановочного следования поезда позволяет сократить капитальные затраты на оснащение линий аппаратурой контроля, обслуживающий персонал, одновременно контролировать наиболее ответственные узлы ходовых частей вагонов. В системе централизованного контроля поездов можно обеспечить обработку телеметрической информации по сложным алгоритмам вплоть до наблюдения за процессом развития неисправностей в пути следования и за счет этого повысить качество контроля.

Важным требованием к системе централизованного контроля подвижного состава является верность передаваемой информации. В современной аппаратуре целесообразно использовать частотную или фазовую модуляции наряду с применением систем передачи с обратной связью и использованием помехозащищенного кодирования.

1.2 Обзор и анализ отечественных и зарубежных систем автоматического контроля подвижного состава

Аппаратура обнаружения перегретых букс компании «Servo Corporation Of America» (США)

Модель 7788 аппаратуры этой компании обнаруживает перегретые буксы по температуре задней стенки корпуса буксы, причем для каждой буксы определяется превышение температуры корпуса буксы над температурой окружающего воздуха.

В состав напольного оборудования (рисунок 1.1) входят: два считывающих устройства с приемными капсулами, содержащими болометры, оптические системы и предварительные усилители, узлом заслонки и устройствами обогрева; датчики прохода колесных пар, крайние из которых служат для определения направления движения поезда, включения аппаратуры и открытия заслонок, а средние — для образования зоны стробирования.

Узконаправленная оптическая система данной аппаратуры позволяет получить угол зрения приемника 3°, а оптические фильтры — полосу прозрачности от 2 до 16 мкм. В приемной капсуле, помимо оптической системы и болометра, размещена плата предварительного усилителя.

Рисунок 1.1 — Структурная схема аппаратуры обнаружения перегретых букс компании «Servo»

Ось оптической системы ориентирована на заднюю стенку корпуса буксы под углом 35° в вертикальной плоскости по отношению к плоскости пути и под углом 5° в горизонтальной плоскости относительно оси пути.

Компанией разработана специализированная аппаратура передачи данных «Servosig FM Carrier», предназначенная для передачи и приема данных контроля буксовых узлов. Конструктивно аппаратура выполнена в виде двух самостоятельных устройств (передающего и приемного), каждое из которых имеет отдельный блок электропитания. В аппаратуре активно использована часть спектра телефонного канала, имеющая относительно низкий уровень шумов (1200−3050 Гц). В этом диапазоне частот размещается до 11 каналов с несущими частотами 1275, 1445, 1615 и т. д. до 2975 Гц через каждые 170 Гц. Сообщения каждого канала передаются в линию частотно-модулированным сигналом на одной из перечисленных несущих частот. Девиация частоты в канале составляет 40 Гц. При передаче аналоговых сигналов (тепловых сигналов букс) последние предварительно преобразуются в широтно-импульсные сигналы ШИМ, а затем с помощью ЧМ передаются в линию.

Модель аппаратуры ОПБ 8808 явилась дальнейшим развитием и совершенствованием базовой модели аппаратуры 7788. Основной отличительной особенностью этой модели аппаратуры является напольное считывающее устройство, которое крепится непосредственно к рельсу и сканирует часть буксы, расположенную между боковиной рамы тележки и колесом. Такая ориентация считывающих устройств позволила: сократить расстояние между приемником ИК-излучения и объектом контроля и тем самым повысить чувствительность измерительного тракта аппаратуры; связать вертикальные перемещения колеса (за счет проседания рельса при проходе подвижного состава) с перемещениями считывающих устройств и этим повысить точность сканирования; получить одинаковые по амплитуде сигналы от роликовых букс и букс скольжения и тем самым повысить достоверность распознавания греющихся букс автоматическими устройствами; уменьшить (за счет большего угла по отношению к горизонту) время сканирования и тем самым повысить помехозащищенность измерительного тракта.

Модель 8808 аппаратуры ОПБ выполнена полностью на интегральных микросхемах.

Модель аппаратуры 8000 является одной из модификаций модели 7788 и представляет собой полностью автоматическую аппаратуру с выводом результатов контроля на путевое табло, устанавливаемое в непосредственной близости от постового оборудования аппаратуры. Оно состоит (рисунок 1.2) из двустороннего экрана, на котором флуоресцентными источниками света могут высвечиваться три цифры. Сверху на табло расположены три (также двустороннего действия) электрических фонаря.

Путевое табло извещает поездную бригаду о месте размещения в поезде первой (по ходу движения поезда) перегретой буксы. Адрес перегретой буксы указывается в осях от хвоста поезда. Загорающийся одновременно с экраном фонарь указывает на сторону поезда с перегретой буксой (левый — букса слева; правый — справа). Если в поезде оказывается больше одной перегретой буксы, то загорается средний фонарь, а мигающий свет одного из крайних фонарей указывает сторону поезда с этой буксой.

Устройство автоматической обработки данных обнаруживает перегретые буксы и указывает их местонахождение. Это устройство содержит решающий блок и блок основной аппаратуры, к которому подключаются напольные камеры и датчики прохода осей. При контроле поезда до момента появления первой перегретой буксы оси в устройстве обработки данных не подсчитываются. При появлении перегретой буксы включается блок счета осей, который запоминает число осей от перегретой буксы до хвоста поезда. После прохода поездом участка контроля на экран выводится информация о проконтролированных буксах Если перегретые буксы в поезде не обнаружены, то на экране табло «загорается» информация «000». Спустя 90 секунд после вывода информации табло отключается. Описываемая модель аппаратуры облегчает работу поездной бригады и делает применение аппаратуры обнаружения перегретых букс более эффективным.

Рисунок 1.3 — Внешний вид и функциональная схема включения путевого табло аппаратуры модели 8000

Модель аппаратуры SERVO 9000 позволяет выявить перегретые подшипники и колеса (ободы и бандажи) колесных пар при движении поезда со скоростью до 250 км/ч.

Прием сигналов от перегретых элементов происходит следующим образом. Два сканера HWD крепятся захватами к подошвам рельсов каждой нити, а один сканер HWD устанавливается сбоку от пути. Сканеры HWD имеют направленные на буксовые подшипники детекторы, считывающие температуру. Сканер HWD контролирует поверхности катания колес, а также вкладыши тормозных колодок. Перед сканерами размещаются датчики, регистрирующие заход поезда на участок контроля. Вблизи устанавливается аппаратура связи. В ее состав входят в частности микропроцессоры, преобразующие информацию, полученную от сканеров, а также модем, который позволяет автоматически передать данные по линиям связи дежурному по станции. Здесь также размещается источник питания всей системы.

Основными приемными устройствами являются модем, принимающий информацию, микропроцессоры и печатающее устройство. Распечатка является протоколом диагностики поезда, включающим количество осей, номер (по порядку) перегретой оси. Дежурный по станции, предупрежденный аварийным сигналом, может связаться по поездной радиосвязи с машинистом, приказать ему немедленно остановить поезд и проверить состояние колесных пар.

Аппаратура обнаружения перегретых букс компании «Hawker siddeley dunamies engineering» (Англия)

Аппаратура компании HSDE построена на принципах аппаратуры телесигнализации. Вся первичная телеметрическая информация обрабатывается постовым оборудованием, а на регистрирующее оборудование поступает лишь информация о целеуказании. В аппаратуре реализован метод относительного определения температуры корпуса буксы.

В состав напольного оборудования (рисунок 1.3) входят считывающие устройства (напольные камеры 1,2) и датчики прохода колес 3,4.

Напольная камера состоит из приемной капсулы с оптической системой, приемником ИК-излучения и предварительным усилителем тепловых сигналов, устройства обогрева и механизма заслонки.

Датчики прохода колес, действующие на электромагнитном принципе, размещаются попарно на специальной металлической плите-платформе, которая устанавливается у рельса с внутренней стороны пути. Такое размещение датчиков способствует более точной фиксации времени контроля одной буксы. Задняя стенка корпуса буксы сканируется под углом 45° к горизонту.

В постовое оборудование входят импульсные усилители 5, 6 и блок обработки телеметрической информации 7.

Усилителями выполняется операция стробирования, исключающая попадание в обработку паразитных сигналов от других нагретых деталей поезда.

Блок обработки телеметрической информации запоминает амплитуды сигналов двух букс одной колесной пары, по которым после прохода колесом второго датчика прохода колес принимается решение о техническом состоянии буксы. При принятии решения, помимо признака «амплитуда сигнала», формируется признак «сумма амплитуд сигналов» букс одной колесной пары. Последний признак способствует уменьшению ложных показаний при контроле букс с подшипниками качения. Результат обработки телеметрической информации кодируется четырьмя уровнями амплитуды импульсного сигнала и передается к станционному оборудованию по двухпроводной линии связи. На каждую проконтролированную буксу передается импульс, четыре уровня которого означают: первый — колесо без нагретой буксы; второй — перегретая букса слева; третий — перегретая букса справа; четвертый — обе буксы колесной пары перегреты.

В станционное оборудование входит регистратор 8 и телефонный аппарат. 10. От импульсов прохода колес начинают работать 4 механических счетчика осей регистратора. По сигналу первой перегретой буксы останавливается первый счетчик, по сигналу второй перегретой буксы — второй счетчик, по сигналу третьей перегретой буксы — третий счетчик. При этом соответствующей лампочкой указывается сторона поезда, на которой обнаружена перегретая букса. Документальная запись результатов контроля при такой форме регистрации отсутствует.

Рисунок 1.3 — Структурная схема аппаратуры обнаружения перегретых букс компании Hawker siddeley dunamics engineering

Аппаратура обнаружения перегретых букс компании General Electric (США)

Аппаратура обнаружения перегретых букс компании General Electric имеет ряд оригинальных отличительных признаков, к которым следует отнести применение высокоскоростного затвора, открывающего приемник ИК — излучения только на время контроля каждой буксы. Структурная схема аппаратуры General Electric показана на рисунке 1.4.

В состав напольного оборудования входят два считывающих устройства 1 и датчик прохода колесных пар 6. Особый интерес представляет собой напольное считывающее устройство этой аппаратуры. Оно объединяет в одном литом корпусе четыре независимых устройства: приемную капсулу с болометром 2, оптической системой и предварительным усилителем, высокочастотный затвор 3, защитную заслонку 4 и обогревательные элементы 5.

Рисунок 1.4 — Структурная схема аппаратуры обнаружения перегретых букс компании GE

Постовое оборудование аппаратуры включает датчики временных интервалов 7, усилители — формирователи 8, 9 и передающий комплект аппаратуры передачи данных 10. Датчики временных интервалов по сигналам путевой педали формируют команды на открытие затвора на время контроля каждой буксы, открытие входной заслонки и отключение электропитания на время контроля поезда, включение двигателя самописца станционного оборудования. В состав станционного оборудования входят двухканальный самописец 13, блок тревоги 12, приемный комплект АПД 11 и устройства сигнализации 16, 17. Каналы самописца 14, 15 регистрируют сигналы от букс левой и правой стороны поезда.

Блок тревоги по одному из признаков распознавания греющихся букс сигнализирует о наличии в поезде перегретой буксы.

Аппаратура передачи данных представляет собой стандартное многоканальное устройство, передающее сообщения с помощью частотной модуляции в диапазоне звуковых частот (от 935 до 12 500 Гц). Ширина одного канала и расстояние между несущими частотами определяются девиацией частоты, которая может принимать 3 значения: ±85 Гц, ±125 Гц и ±240 Гц.

Для передачи аналоговых сигналов в передатчике и приемнике АПД предусмотрены преобразователи амплитуды тепловых сигналов в ШИМ-сигнал и обратно.

Аппаратура обнаружения перегретых букс компании CSEE (Франция)

Аппаратура обнаружения перегретых букс компании CSEE построена по принципу аппаратуры телеметрии. Основная особенность этой аппаратуры — измерение абсолютного значения температуры задней стенки корпуса букс и применение в качестве приемника ИК-излучения активного селективного фотодиода, который состоит из пластинки сурьмянистого индия, помещенной в поле постоянного магнита (фотогальваномагнитный эффект). Подобный приемник не требует источников питания: под действием ИК-излучения он сам является источником э.д.с.

В состав напольного оборудования (рисунок 1.5) входят считывающие напольные камеры 1, 2, датчик прохода колесных пар 4, укрепленный на рельсе 3, рельсовая цепь наложения 6 (электронная педаль) и электронный блок 5, который размещен на стативе постового оборудования.

Благодаря применению в аппаратуре безынерционного приемника ИК-излучения разработчики аппаратуры предусмотрели механическую модуляцию теплового потока частотой 5 кГц. В качестве модулятора используется пластмассовый диск с отверстиями, который приводится во вращение синхронным электродвигателем. Оптическая система, состоящая из двух линз плавикового шпата и тонкой пластинки мышьяковистого индия, совместно с избирательным приемником ИК-излучения образует избирательную систему с высокой пропускной способностью в диапазоне волн от 0,4 до 8 мкм. Для выравнивания температуры внутренней поверхности диска модулятора с температурой фона (неба) на оптической оси в ноле «зрения» приемника ИК-излучения установлено компенсационное сопротивление, через которое проходит регулируемый реостатом ток.

Вспомогательное оборудование напольной камеры объединяет систему обогрева и узел заслонки, предназначенный для защиты оптической системы от внешних воздействий (пыль, снег и т. п.). Датчик прохода колесных пар представляет собой высокочастотный транзисторный генератор с разомкнутым магнитопроводом резонансного контура. При появлении в зоне действия датчика (около 30 см) реборды колеса генерация срывается и формируется сигнал прохода колесной пары. Датчик, построенный на таком принципе, позволяет формировать сигнал прохода колес при скорости движения поезда 0−200 км/ч.

Рисунок 1.5 — Структурная схема аппаратуры обнаружения перегретых букс компании CSEE

Рельсовая цепь наложения предназначена для открытия заслонок и запуска двигателей модуляторов напольных камер при подходе поезда к участку контроля.

Предварительные усилители 6, 7 постового оборудования соединены с напольными камерами коаксиальным кабелем. С выходов предварительных усилителей тепловые сигналы поступают на регулируемые аттенюаторы 9, которые выравнивают чувствительность приемников ИК-излучеиия обеих камер.

В блоке аттенюаторов происходит и температурная компенсация, необходимость в которой объясняется как теплотехническими характеристиками буксовых узлов, так и применением в аппаратуре избирательного приемника ИК-излучения.

В блоке запоминающих устройств 10 происходит преобразование тепловых сигналов переменной длительности и амплитуды в прямоугольные импульсы постоянной длительности (_п = 17 мсек) с амплитудой, пропорциональной температуре поверхности буксы. Сигналы управления формируются блоком 13.

Сформированные в блоках 10, 13 импульсы передаются передатчиком 11 на трех частотах: 2580, 2460 и 2700 Гц. Первая частота выполняет функции управления, а вторая и третья используются для передачи с помощью амплитудной модуляции значений амплитуд тепловых сигналов соответственно левой и правой стороны поезда.

В приемнике станционного оборудования 16 происходит разделение принимаемых АМ-сигналов, их детектирование. Импульсы постоянной длительности и с амплитудой, пропорциональной температуре буксы, записываются на бумажную ленту двухдорожечного самопишущего регистратора 18, управляемого устройством 19.

Одновременно эти же импульсы поступают в блок автоматической сигнализации 20, который по признаку абсолютного значения амплитуды теплового сигнала или по разности амплитуд двух сигналов букс одной колесной пары определяет в составе перегретую буксу.

Служебная телефонная связь в аппаратуре организуется с помощью фильтров 12, 15 к которым подключаются телефонные аппараты 14, 17.

В модернизированной аппаратуре компании «CSEE» добавлен ряд дополнительных устройств. В состав оборудования введены путевые педали 24,25 датчик температуры наружного воздуха 22, релейный блок 21 и указатель перегретых букс 23. Наряду с этим модернизированы считывающие устройства, путевая педаль, аппаратура передачи данных. Применение дополнительных педалей позволило выполнить схему исключения из контроля локомотивов и схему контроля направления движения поезда.

Новые разработки ведущих железнодорожных компаний Западной Европы

Австрийская компания «Ferst alpine» освоила производство аппаратуры для пунктов обнаружения перегретых букс в движущихся поездах типа VA-HOA 350. Аппаратура обнаружения перегретых букс, состоящая из напольного и постового комплектов рассчитана на многолетнюю непрерывную эксплуатацию в разных климатических зонах. Она устойчива к механическим воздействиям и электромагнитным влияниям. Минимальная погрешность измерения обеспечивает надежное определение состояния буксового узла.

У системы НОА 350 зона измерения на буксе определяется сложной настройкой оптической системы, воспринимающей поток инфракрасного излучения. Контролируемая зона буксы четко определяется узконаправленной оптической системой, обеспечивающей минимум дисперсии контролируемой площади. Контактные рельсовые датчики производят счет осей. Кроме того, с их помощью по соответствующему сигналу, преобразованному в цифровую форму, осуществляется индикация информации о фокусировке приемных камер на измерительные зоны левой или правой букс. Величина потока измеряется, регистрируется и обрабатывается только во время нахождения поезда на контрольном участке. Излучение от контролируемой зоны попадает на зеркало, совершающее колебания. Колебания обеспечивают сканирование буксы в поперечном и окружном направлениях с частотой 5−6 кГц. Ширина зоны сканирования около 80 мм. В конце каждого полупериода измерительная зона ориентируется по отношению к приемной камере посредством оптической автоколлимации так, чтобы термоэлектрическое охлаждение, основанное на эффекте Пельтье, поддерживало температуру на постоянном уровне (-30 С). Благодаря этому на измерения не влияет температура окружающего воздуха. Из-за потерь в оптике и солнечной радиации аппаратура может измерять температуру букс от порогового уровня 5 С.

Контактный рельсовый датчик, расположенный в 30−100 м впереди напольной камеры автоматически запускает измерительный процесс: заслонки открываются; поворотное зеркало приводится в действие, зеркало-осциллятор начинает совершать колебания. После того как последняя ось поезда покинет измерительный участок, этот датчик возвращает напольную камеру в исходное состояние — ожидания следующего сигнала для начала измерений.

Управление электронным оборудованием осуществляет микропроцессор, допускающий перепрограммирование. Большое количество измеряемых величин может обрабатываться даже для высокоскоростных поездов. Быстродействие обеспечивается за счет малого времени срабатывания приемника излучения и высокого быстродействия аналого-цифрового преобразователя. При скорости 350 км/ч может быть реализовано два полных цикла сканирования с измерением десяти величин при каждом сканировании, что позволяет точно определить температуру буксы. Большой объем измеряемой информации обеспечивает точность диагностики. Температуры левого и правого подшипников каждой колесной пары вводятся в запоминающее устройство вместе со всеми реквизитами контролируемого поезда.

Когда поезд уходит из контрольной зоны, все функции приемника подвергаются контролю и записанные в память данные проверяются на достоверность. Так выявляется неправильная настройка аппаратуры. Это упрощает обслуживание и контроль состояния напольных и постовых устройств.

Поскольку контроль и анализ сигналов выполняются программными методами, система обладает высокой приспосабливаемостыо к различным условиям.

Фирмы «CS Transport» и «Signaltechnik GmbH» разрабатывают и производят системы контроля за перегревом букс (НОА) и заклинивших тормозов (FOA). Они предлагают сегодня целое семейство систем для любых условий эксплуатации, начиная от низкоскоростных грузовых поездов и вплоть до высокоскоростных пассажирских. Эта группа фирм является ведущей в мире в области регистрации температуры на высокоскоростных поездах, поэтому ее оборудование установлено как на высокоскоростных магистралях для поездов «Intercity-Express» в Германии, так и AVE в Испании и TGV во Франции.

Системы этих фирм характеризуются возможностью применения при высоких скоростях (до 360 км/час), модульной архитектурой, а также стандартным протоколом передачи данных и стандартным компьютерным обеспечением.

При приближении поезда измерители переключаются из ждущего режима в режим измерения. Крышка измерителя открывается и часть ИК-излучения, зависящего от температуры и исходящего от подшипников осей отражается во вращающемся зеркале и проходит через систему кремниевых линз. ИК-луч модулируется с помощью механического прерывателя. В измерителях типа НОА 88/FOA 85 частота модуляции составляет 3000 Гц, а в измерителях HOA/FOA 90S — 6000 Гц.

Этот механический модулятор является частью устройства обратного отражения, которое использует в качестве эталона для измерений низкую высокостабильную опорную температуру (-30°С). С помощью линзовой системы ИК-луч фокусируется на чувствительном элементе ИК-детектора, который преобразует излучаемую энергию в электрический аналоговый «температурный» сигнал.

Постоянная точность измерений достигается с помощью автокалибровки. Для этого опорный элемент во время пауз между поездами разогревается до определенной температуры. Точная температура опорного элемента измеряется термочувствительным датчиком и ставится в соответствие со значением, полученным с помощью ИК-детектора. Оба измеренных значения, соответствующие каждой температуре измерительного диапазона, записываются в калибровочной таблице. Это дает возможность точно рассчитывать измеренную температуру подшипников.

Путевое электронное устройство, управляемое микропроцессором выполняет основные функции контроля, управления и оценки результатов для измерительных устройств.

Передача данных (до скорости 9600 Бод) осуществляется по стандартным каналам передачи данных с использованием модемов и стандартных протоколов передачи данных. Стандартные интерфейсы гарантируют возможность объединения в сеть нескольких измерительных постов HOA/FOA. Кроме этого они могут включаться в автоматизированную систему контроля магистралей или в интегрированную компьютерную сеть железнодорожного транспорта (Computer Integrated Railroading, CIR-сеть).

Программное обеспечение для пользователей позволяет контролировать большое количество измерительных постов HOA/FOA. Система паролей гарантирует дифференцированный доступ к базе данных для различных пользователей (диспетчер, технический обслуживающий персонал). Программное обеспечение гарантирует непрерывную оценку всех измеренных значений и сообщений о системе. Основные параметры наружных установок могут устанавливаться дистанционно. Все телеграммы данных записываются в архив на жестком диске для документирования и последующего статистического анализа.

Mecтa установки аппаратуры выбираются таким образом, чтобы расстояние между ними было в среднем около ЗЗ км. Данные от максимально четырех, следующих друг за другом, измерительных пунктов передаются через систему пакетной коммутации Х.25 в центральный информационно-управляющий блок.

Обнаружители нагрева букс и заклинивших тормозов типа HOA/FOA 90S внедряются европейскими железными дорогами, которые эксплуатируют высокоскоростные магистрали (Немецкие, Французские и Испанские железные дороги). Туннель под Ла-Маншем и примыкающие к нему магистрали также оборудованы установками обнаружения нагрева букс (НОА) и частично обнаружителями заклинивших тормозов (foa). В общей сложности 42 установки HOA/FOA контролируют буксы всех типов поездов, идущих по линии Лондон — Париж.

Система комплексного контроля технического состояния подвижного состава ДИСК — БКВ (Российская Федерация)

Система ДИСК — БКВ включает в свой состав базовую подсистему ДИСК — Б для обнаружения перегретых букс, подсистему ДИСК-К для обнаружения дефектов колес по кругу катания, подсистему ДИСК-В для обнаружения волочащихся деталей. Базовая подсистема ДИСК-Б обладает функциональной и конструктивной завершенностью, позволяющей самостоятельно работать в условиях эксплуатации, а все остальные системы могут только дополнять ее на тех или иных пунктах контроля.

Аппаратура подсистемы ДИСК — Б предназначается для бесконтактного обнаружения на ходу поезда перегретых букс подвижного состава и выдачи обслуживающему персоналу на станции информации о наличии и расположении в поезде вагонов с такого вида неисправностями (рисунок 1.6). Принцип действия аппаратуры подсистемы ДИСК — Б основан на восприятии чувствительными элементами импульсов ИК — излучения от задних (по ходу движения) стенок корпусов букс и от ступицы колеса. Подсистема ДИСК-Б, обнаруживающая перегретые буксы, является базовой и функционально законченной, т. е. может функционировать самостоятельно. Остальные могут работать лишь совместно с ней и дополняют ее возможности.

Принцип действия подсистемы ДИСК — К основан на измерении с помощью пьезоэлектрических датчиков ускорений рельса при ударе колеса с дефектом по кругу катания (ползун, навар, выщербины и т. д.) и выделении по определенным критериям сигнала информации в случаях, когда динамическое воздействие колеса на рельс превышает заданное пороговое значение.

Рисунок 1.6 — Структурная схема аппаратуры ДИСК Подсистема ДИСК — В вырабатывает сигнал наличия волочащейся детали при механическом соударении узлов и деталей вагона, выходящих за пределы нижнего габарита подвижного состава, с элементами напольного электромеханического датчика подсистемы.

Для сбора информации на центральных пунктах контроля, например в пунктах технического обслуживания подвижного состава ПТО или ПКТО, используют подсистему ДИСК-Ц. Она представляет собой комплекты приемо-передающей и регистрирующей аппаратуры и объединяет в одном месте информацию с нескольких линейных пунктов контроля. Централизация информации, как правило, проводится в пределах участка безостановочного следования поездов, а расстояния между линейными пунктами контроля 30−35 км.

После обработки сигналов устройствами постового оборудования подсистемы ДИСК-Б информация о состоянии букс вагонов передается к станционному оборудованию и регистрируется. При этом указываются порядковые номера вагонов (начиная с головы поезда) с перегретыми буксами, порядковый номер оси с перегретой буксой в вагоне, степень перегрева буксы, время контроля поезда, тип буксового узла, сторона поезда, общее количество вагонов в поезде, общее число вагонов с перегретыми буксами, исправность аппаратуры ДИСК.

На пунктах контроля, не оборудованных сигнальными световыми указателями наличия неисправных вагонов в поездах, может устанавливаться речевой информатор, предназначенный для автоматического оповещения по радиоканалу машиниста локомотива и отдельному громкоговорителю дежурного по станции о наличии выявленных неисправностей в поезде, проследовавшему по участку размещения перегонного оборудования средств контроля. Речевой информатор работает в комплексе с аппаратурой ДИСК — БКВ, ПОНАБ -3 и со стационарными радиостанциями поездной радиосвязи PC — 6, 43 РТС — А2 — ЧМ и им подобным. В передаваемом речевым информатором сообщении машинисту локомотива содержатся сведения о направлении движения пребывающего поезда, станции прибытия поезда и виде тревоги, требующей остановки поезда на перегоне или станции.

В аппаратуре ДИСК — Б для обмена информацией организовано семь прямых каналов и один обратный, которые занимают частотный диапазон 1890−3150 Гц. Нижняя часть тонального спектра используется для ведения служебных переговоров. Прямые каналы специализированы по видам информации: ВД — наличие волочащихся частей; ДК — уровень динамики колеса; ТЛ — тепловые сигналы уровней нагрева левых букс; ТП — тепловые сигналы уровней нагрева правых букс; КП — наличие поезда на участке контроля; О — отметка сосчитанных осей; OB — сигналы отметки вагонов. Сигналы передаются на станцию методом амплитудной модуляции. Обратный канал (1890 Гц) используется для управления работой перегонного поста при его тестировании с пульта оператора станции.

При работе подсистемы ДИСК-БКВ в режиме централизованной обработки на станции дополнительно устанавливается передающий комплект подсистемы ДИСК-Ц, с использованием которого результаты контроля пересылаются на центральный пункт. В этом случае печатающие устройства переносятся на центральный пункт, а на станции остается пульт оператора, которым пользуется обслуживающий персонал при отказе каналов связи или устройств центрального пункта.

Подсистема ДИСК-Ц позволяет выполнять тестовую проверку периферийных устройств по командам с пульта, а также контролировать состояние аппаратуры в режиме проверки «на себя». Команды тестирования передаются по обратному каналу со скоростью 75 Бод.

В этой подсистеме информация передается по прямому каналу со скоростью 1200 Бод методом частотной манипуляции.

Система обнаружения перегретых букс ПОНАБ-3 (Российская Федерация)

Аппаратура автоматического обнаружения перегретых букс в поездах типа ПОНАБ-3 построена по принципу систем телесигнализации и реализует наиболее распространенный в мировой практике способ контроля исправности буксовых узлов железнодорожного подвижного состава по уровню инфракрасной энергии, излучаемой корпусом буксового узла в окружающее пространство. Имея много общего в структурном построении, в конструктивном и схемном исполнении отдельных функциональных устройств с зарубежными моделями, аппаратура ПОНАБ-3 обладает и рядом отличительных признаков.

В первую очередь отличительные особенности построения ПОНАБ-3 касаются аппаратуры передачи и регистрации данных контроля (аппаратуры АПД). Если во всех других моделях аппаратуры в процессе контроля передается непрерывный ряд сообщений о состоянии контролируемого объекта (передача с перегона на станцию сигналов от букс, сигналов счета осей и др.), то в аппаратуре ПОНАБ-3 сообщение о наличии и расположении перегретой буксы в поезде передается только в момент ее обнаружения.

Применение такого способа передачи сообщений позволило в значительной степени повысить помехозащищенность аппаратуры за счет резкого снижения объемов передаваемой информации на один проконтролированный поезд.

В аппаратуре ПОНАБ-3 результаты контроля выводятся на печатающее устройство, а места расположения перегретых букс в поезде указываются не в осях или условных вагонах, как это имеет место в других моделях аппаратуры, а в физических подвижных единицах. С этой целью в состав аппаратуры введено устройство для автоматического распознавания физических подвижных единиц независимо от их осности. Помимо регистрации данных о расположении перегретых букс в поезде, аппаратурой регистрируются также данные об общем числе вагонов в поезде и числе перегретых букс.

Аппаратура ПОНАБ-3 имеет в своем составе рельсовую цепь наложения для управления ее работой в момент контроля поезда, дополнительные средства защиты напольных камер от заносов снегом, средства контроля уровня сигнала в канале связи и др. В состав аппаратуры включен ряд специальных вспомогательных устройств для ее настройки и контроля при эксплуатации.

1.3 Разработка структуры системы автоматического контроля подвижного состава на участке Гомель — Калинковичи

Анализ существующих систем автоматического контроля подвижного состава показывает, что основным направлением развития этих систем является построение единой централизованной сети контроля подвижного состава с микропроцессорным управлением. Передача данных в таких сетях осуществляется по стандартным каналам передачи данных с использованием модемов. В качестве метода коммутации применяется пакетная коммутация.

Основным достоинством микропроцессорной системы управления является гибкость и приспосабливаемость к различным условиям. Так, в микропроцессорной системе существует возможность оперативного изменения рабочей программы, а следовательно, методов измерений и анализа измеренных данных, методов контроля передаваемых сообщений. К достоинствам таких систем также относится возможность оперативного внедрения дополнительных функций аппаратуры.

1.4 Физические основы обнаружения перегретых букс

Работа буксового узла

В железнодорожном подвижном составе различают буксы с подшипниками качения (роликовыми подшипниками) и буксы с подшипниками скольжения. Надежность работы букс с подшипниками скольжения в десятки раз меньше, чем букс с роликовыми подшипниками.

Нормальная работа буксового узла характеризуется установившимся режимом теплообмена между его элементами, колесной парой и наружным воздухом в процессе движения поезда, т. е. когда количество выделяемого тепла равно количеству тепла, рассеиваемого элементами буксы и колесной парой в окружающее пространство. Установившийся режим нормально работающего буксового узла наступает примерно через 40 км после начала движения поезда (рисунок 1.8, кривая 1). Значение температуры шейки оси Т_шо в установившемся режиме зависит от скорости движения поезда, температуры наружного воздуха, нагрузки на подшипник и других факторов. При температуре наружного воздуха 20С установившееся значение температуры шейки оси для букс с подшипниками скольжения равно примерно 60С, для букс с роликовыми подшипниками около 40 — 50С.

Рисунок 1.8 — Графики изменения температуры шейки оси Перегрев букс характеризуется неустановившимся режимом теплообмена и повышением температуры шейки оси и корпуса буксы в процессе движения поезда (рисунок 1.8, кривая 2). Темп возрастания Т_шо зависит от характера неисправности и буксового узла, скорости движения поезда, нагрузки на ось и может изменяться в широких пределах.

Для букс с подшипниками скольжения Т_шо в области значений до 300С изменяется от 1 до 10 С/мин, а в области значений до 800С — до 15−18 С. Максимальные темпы возрастания температуры шейки оси характеризуют и статистические данные по изломам шеек осей. Так, по зарубежным данным, излом шейки оси при отсутствии смазки для букс с подшипниками скольжения происходит через 60−70 км. По среднестатистическим данным отечественных дорог, такие случаи наблюдаются при пробеге около 50 км. Для букс с роликовыми подшипниками возможны более высокие темпы возрастания температур шеек осей, особенно при разрушении подшипника или сколе борта.

Критерии аварийности буксового узла выработаны практикой длительной эксплуатации подвижного состава в различных условиях и подтверждены экспериментами. Для буксового узла с подшипниками скольжения предельно допустимая температура шейки оси составляет примерно 100−150 С. Критическая температура, при которой начинается разрушение граничного слоя и происходит схватывание металлов трущихся поверхностей, соответствует значению 140 С и более. В соответствии со значениями предельно допустимой и критической температуры уровни нагрева шеек осей, при которых буксовый узел на подшипнике скольжения можно считать аварийным, находятся выше 100−140 С. 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.

Неустоявшийся 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 1.8, кривая 3), 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.

Основы инфракрасного излучения

Основой построения аппаратуры контроля буксовых узлов является измерение энергии излучения корпуса буксового узла. Каждое тело, температура которого выше абсолютного нуля, излучает в окружающее пространство энергию. Тела, полностью поглощающие падающий на них лучистый поток и обладающие максимальной излучаемостью, называются абсолютно черными телами. Излучение черного тела определяется его температурой.

Спектральная плотность излучения абсолютно черного тела Е является функцией длины волны и температуры Т. В соответствии с законом Планка спектральная плотность излучения черного тела для длин волн от до d определяется по формуле:

(1.1)

где С1 и С2 — константы, равные соответственно 3,7410⁴ Втсм^-2мкм⁴ и 1,43 810⁴ мкмград.

Максимум плотности излучения по мере возрастания температуры тела перемещается в область коротких волн (рисунок 1.9). По закону Вина длина волны (в мкм), соответствующая максимуму излучения, определяется по формуле:

(1.2)

Для корпусов большинства перегретых букс, температура которых может изменяться от 0 до 80 С, максимум спектральной плотности излучения приходится на длины волн от 11 до 8 мкм. Поскольку при длинах волн меньше _max плотность излучения быстро падает и основная ее часть приходится на длины волн более _max, то наибольшее количество энергии излучения букс находится в диапазоне от 5 до 15 мкм. Эти значения длин волн должны учитываться при выборе приемника излучения (датчика) для аппаратуры контроля букс. Однако плотность излучения солнца имеет максимум при длине волны около 0,5 мкм и очень малая ее часть приходится на длины волн более 5 мкм. Поэтому для защиты аппаратуры контроля от влияний отраженной солнечной энергии приемник излучения должен иметь заградительные фильтры для длин волн короче 5 мкм.

Излучение воспринимаемое приемником аппаратуры контроля от корпуса буксы, с определенным коэффициентом передачи пропорционально полной плотности излучения буксы W_б. Полная плотность излучения абсолютно черного тела W_чт определяется законом Стефана-Больцмана. При интегрировании Е (, Т) во всем диапазоне волн от = 0 до = получаем:

(1.3)

где = 5,6710^-12 Вт/см²град⁴ — постоянная Стефана-Больцмана.

Рисунок 1.9 — График энергетического спектрального излучения черного тела

Поскольку в природе не существует абсолютно черных тел, то все реальные тела называются нечерными и делятся на тела с селективным и серым излучением. Излучательные способности серых тел, к которым относятся и буксы, характеризуются степенью черноты, показывающей, во сколько раз полная плотность излучения данного тела меньше полной плотности излучения абсолютно черного тела. С учетом выражение (1.3) принимает вид:

(1.4)

Для корпусов букс значение равно примерно 0,85 — 0,95. Изменение степени черноты букс вносит дополнительные погрешности в измерение Т_кб, а следовательно, приводит к ошибкам в распознавании перегретых букс по выбранному параметру контроля.

При выборе метода контроля букс по температуре их корпусов важным моментом является постоянство выходного сигнала приемника излучения при контроле букс с одинаковой температурой шейки оси (критерий аварийности) во всем диапазоне изменений температуры наружного воздуха. Если с помощью приемника излучения измерять значение W_т, то при изменении температуры наружного воздуха сигнал на выходе приемника будет изменяться пропорционально изменению W_т. А это значит, что при контроле букс с одинаковым критерием аварийности в диапазоне температур от минус 40 С до плюс 40 С сигнал на выходе приемника будет изменяться почти в два раза (рисунок 1.10, кривая 1). Произвести оценку состояния по такому сигналу сложно.

Рисунок 1.10 — Графики изменения плотности излучения корпусов букс Поэтому в аппаратуре контроля букс W_т измеряют с учетом температуры наружного воздуха. Суть этого метода в том, что с помощью приемника излучения измеряется превышение полной плотности излучения корпуса буксы над полной плотностью излучения тела с температурой наружного воздуха. На практике таким телом считают раму вагона, температура которой примерно равна температуре наружного воздуха. Тогда полная плотность излучения, передаваемая с определенным коэффициентом к приемнику, может быть рассчитана по формуле:

(1.5)

где Т_к.б. — температура корпуса буксы, К; Т_н.в. — температура наружного воздуха, К.

В результате воспринимаемое приемником излучение изменяется незначительно во всем диапазоне температур воздуха (рисунок 1.10, кривая 2).

2. Техническая часть

2.1 Определение состава комплекса технических средств для модернизации аппаратуры ПОНАБ-3

Напольное оборудование