Вагоны-путеизмерители КВЛ-П

До начала 90-х годов прошлого века вагон-путеизмеритель ЦНИИ-2 был единственным средством механизированного контроля рельсовой колеи железнодорожного пути под динамической нагрузкой при скорости движения до 70 км/ч. Вагон позволял производить запись параметров геометрии рельсовой колеи на две бумажные ленты в виде диаграмм. Принцип работы путеизмерителя заключался в передаче относительных смещений контактирующих с головками рельсов элементов через трособлочные передачи на пишущие узлы стола регистрации параметров. Механическая передача с массивными передаточными элементами существенно ограничивает скорость движения вагона при измерениях, усложняет эксплуатацию. Кроме того, такая система подразумевала ручную расшифровку результатов измерений по диаграммам с использованием специальных шаблонов, поэтому в оценке состояния пути присутствовал субъективный человеческий фактор. С развитием компьютерной техники и современных средств измерений появилась возможность существенно упростить механическую часть измерительной системы, сделать ее в меньшей степени инерционной, ввести автоматическую расшифровку первичных данных измерений, сведя к минимуму субъективные ошибки. Информация о состоянии пути может накапливаться в базе данных и использоваться для назначения режимов движения поездов, планирования путевых работ и в целом использоваться в системе мониторинга состояния пути на разных уровнях управления (дистанция пути, железная дорога, департамент пути и сооружений ОАО «РЖД»).

В 1993 г. Научно-производственный центр информационных и транспортных систем (НПЦ ИНФОТРАНС г. Самара, под руководством С.В.Архангельского) разработал компьютеризированный вагон-лабораторию для измерения геометрии рельсовых нитей КВЛ-П1 [2, 46, 57]. В основу конструкции измерительной системы была положена традиционная схема измерений вагона-путеизмерителя ЦНИИ-2, однако смещения элементов измерительных устройств передаются на валы сельсинов-датчиков. В результате системой первичного измерения вырабатываются электрические сигналы, которые кодируются и поступают на цифровую обработку в бортовую автоматизированную систему (БАС), в состав которой входят аппаратно-программные комплексы (АПК) на базе персональных компьютеров. Одновременно ВНИИЖТ совместно с РНИИ-КП произвел разработку нового вагона-путеизмерителя ЦНИИ-4 с лазерной бесконтактной системой измерения параметров.

В результате ряда модернизаций, в том числе связанных со сменой базовой модели пассажирского вагона, были выпущены серии вагонов-лабораторий КВЛ-П1МП и КВЛ-П2, которые в настоящее время является основным средством контроля на сети ОАО «РЖД». Разработан новый вагон КВЛ-П.3 с лазерной системой измерения параметров. Вагоны серии КВЛ-П обеспечивают в автоматическом режиме съем и обработку основных (нормируемых) и дополнительных параметров, позволяющих более полно и объективно оценить состояние пути. К основным функциям относятся:

контроль геометрических параметров рельсовой колеи (ширина колеи (шаблон), положение рельсовых нитей по высоте (уровень), просадки правой и левой рельсовых нитей и положение их в плане в плане (рихтовка));

оценка в баллах состояния пути по геометрическим параметрам; обработку дополнительных параметров (скорость, расстояние, время);

обработка параметров привязки к исследуемому участку пути (координат километровых столбов, переездов, стрелочных переводов);

документирование сверхоперативной информации об обнаруженных местах пути с грубыми и опасными отступлениями с одновременной выдачей звукового и светового сигнала, индикацией на мониторе;

документирование оперативной информации в объеме, достаточном для принятия мер по обеспечению безопасности движения поездов, а также для планирования путевых работ текущего содержания пути;

документирование нормативно-отчетной информации в пределах; границ административного деления дистанции.

Компьютеризированный вагон-лаборатория для записи и обработки геометрических параметров рельсовой колеи КВЛ-П1МП (рис. 11. 7, а) производится на базе купейного пассажирского вагона, кузов которого опирается на две ходовых тележки типа КВЗ-ЦНИИ: заднюю 2 и переднюю 6 (котловую – по названию котла водяной системы обогрева). Так как механизмы путеизмерителя с датчиками измеряют смещения кузова вагона относительно элементов (колесных пар с буксами), положение которых жестко связано с положением пути, то на задней тележке дополнительно смонтированы балки 1, опирающиеся на буксы. Балки образуют вместе с измерительными тележками спереди и сзади тележки 2 жесткую конструкцию, позволяющую позиционировать контактирующие измерительные элементы относительно рельсов.

Кузов 3, в соответствии со спецификой разъездного характера работы двух экипажей, разделен на зоны: рабочую, содержащую аппаратную и мастерскую; жилую, содержащую пять или шесть двухместных купе, и бытовую, содержащую кухню, душ, туалет, отопительные устройства и системы жизнеобеспечения).

В аппаратной (рис. 11. 7, б), разделенной прозрачной перегородкой на две части, установлены два аппаратно-программных комплекса 9 и 11, столы и сиденья для сопровождающих, зона оперативного контроля (перед задними окнами), организационно-техническое автоматизированное рабочее место (ОТ АРМ) в зоне аналитической обработки, аудио и видеосистему, позволяющую визуально наблюдать поверхности головки рельсов и колесной пары на мониторах. Видеозапись выполняется с привязкой к записи параметров измерения, поэтому может быть организован просмотр локальных мест отступлений при анализе данных измерений. В мастерской установлены шкаф рабочей пневматической системы, шкаф системы электроснабжения (СЭС), зарядное устройство, блоки радиостанции, шкаф для одежды, шкаф для ЗИП, верстак.

Большинство измерительных механизмов с датчиками, для удобства наблюдения и технического обслуживания, расположены снизу кузова вагона (рис. 11.8) [46]. Кузов вагона опирается через двухступенчатое рессорное подвешивание тележек на колесные пары и при движении по неровностям совершает дополнительные колебательные движения с шестью степенями свободы (рис. 11.9). Колебания носят случайный характер, поэтому вызванные ими перемещения чувствительных элементов датчиков также случайны и должны быть скомпенсированы путем ввода поправок в систему обработки первичной информации датчиков.

На путеизмерителях серии КВЛ-П применяются типовые датчики линейных перемещений. В варианте конструктивного исполнения такого датчика (рис. 11.10) смещения троса 4, поддерживаемого в состоянии натяжения пружиной 10, передаются через систему блоков 1 и 3 на шкив 6. Шкив соединен через муфту с валом сельсина-датчика 13 и поворачивается при смещениях тросов. В варианте исполнения имеется двойной масштабный блок, который уменьшает угол поворота вала сельсина в пределы 30°, при котором его электромеханическая характеристика может приниматься линейной. В других вариантах исполнения трос от перемещаемого элемента путеизмерителя соединяется прямо со шкивом 6, имеющим диаметр, согласованный с допустимым углом поворота сельсина-датчика.

Механизм измерения ширины колеи (рис. 11.11) включает два ролика 2, которые ребордами контактируют при движении вагона с боковой и верхней рабочими поверхностями головок рельсов 1. Внутренние реборды катятся по внутренним поверхностям головок рельсов на расчетном расстоянии от УВГР 13^{+3 мм. При изменении ширины колеи изменяется расстояние между роликами, Эти смещения передаются через тросы на рычаги 6, которые поворачиваются с изменением расстояния между закрепленными на них роликами. Трос, проходящий через обводные блоки 3 и 7, смещается, вызывая поворот шкива 8 и вала сельсина-датчика 9. Величина смещения равна изменению ширины колеи в масштабе 1:1. Пружина 10 служит для натяжения тросовой передачи. Датчик Д11 находится точно по середине кузова вагона, поэтому его подпрыгивание и галопирование приводят к колебаниям расстояния между блоками 3 и 7, которые надо компенсировать. Для компенсации используется система с датчиком Д10, трос которой связан с задней измерительной тележкой 12, жестко связанной с боковыми рамами задней ходовой тележки. Изменения ширины колеи, мм:}

(11.1)

где K_m – масштабный коэффициент передачи сигнала от шкивов сельсинов к устройствам обработки и индикации; S₁₀, S₁₁ – перемещения тросов у шкивов датчиков Д10 и Д11, мм.

Положение рельсовых нитей по уровню, определяемое через возвышение h_в, мм (рис. 11.12) должно определяться от искусственного горизонта, положение которого не зависит от колебаний кузова вагона при движении по неровностям пути. Таким устройством является двухкоординатная гироскопическая платформа 8 со следящей системой стабилизации положения. Датчик Д7 позволяет измерить угол b, рад, наклона кузова относительно вертикали, создаваемой гироскопической платформой. Этот угол является алгебраической суммой углов a, рад, и g, рад, соответственно, наклона УВГР к горизонту и наклона кузова относительно УВГР, т.е.:

(11. 2)

где g₁, g₂ – углы наклона кузова относительно УВГР влево и вправо, рад. Положение кузова это результат сложения этих углов с учетом знаков.

Считая эти углы малыми, можно написать соотношения:

(11.3)

где S, S_в – расстояния между осями рельсовых нитей (S = 1600 мм) и между точками закрепления тросов на буксах (S_в = 2050 мм); h₁, h₂ – смещения тросов датчиков Д1 и Д2, мм.

После подстановок, искомое возвышение, мм:

(11.4)

а если подставить конкретные значения размеров и учесть передачу сигнала к устройствам вывода, мм:

(11.5)

Благодаря тому, что величины смещений тросов правого и левого датчиков учитываются с разными знаками, компенсируется изменение по высоте кузова вагона относительно УВГР при его колебаниях в вертикальной плоскости.

Первичная информация о положении правой и левой рельсовых нитей в горизонтальной плоскости определяется относительно хорды длиной 18,315 м (см. рис. 11.7) при измерении в точке на расстоянии 3,83 м (КВЛ-П-1МП и КВЛ-П-2). В качестве базовой хорды служит кузов вагона. Для измерения положения в плане правой рельсовой нити служат датчики Д13, Д17 и Д19 (рис. 11.13, а), а левой – датчики Д14, Д16 и Д18. Датчики Д13, Д14, Д16 и Д18 каждый представляют собой сельсин-датчик 6 (рис. 11.13, б), который шкивом 7 связан с тросом механизма, включающего обводные блоки 3 и 5, рычаг 4 и лыжу 2, контактирующую с головкой рельса. Датчики Д18 и Д19 соединены через тросы с рамой передней ходовой тележки.

В качестве примера рассмотрим измерительную схему левого рельса (рис. 11.13, в). Система должна обеспечивать измерение стрелы изгиба h₁₆, мм, при боковом относе и вилянии кузова при движении вагона. В результате наблюдаются случайные смещения передней и задней измерительных точек относительно положения измерительной хорды 14–18, которые должны быть скомпенсированы соответствующим преобразованием сигналов датчиков Д14 и Д18. Например, при смещении переднего конца кузова на величину y₁₈ измеренная датчиком Д16 смещение y₁₆ = h₁₆ + h_к18, мм (h_к18 – величина необходимой корректировки рассматриваемой стрелы изгиба, вызванная смещением кузова вагона в передней точке, мм). Аналогичные рассуждения можно привести и для случая смещения задней точки. С учетом соотношения плеч a и b хорды, а также учитывая суперпозицию смещений передней и задней точек кузова, величина измеряемой стрелы изгиба, мм:

(11.6)

После подстановки значений плеч хорд для КВЛ-П-1МП и с учетом коэффициента передачи к воспроизводящему устройству, измеренная стрела изгиба в плане:

(11.7)

Система датчиков, связанная с буксовыми узлами ходовых тележек (рис. 11.14), позволяет измерять и регистрировать положение правой и левой рельсовых нитей через просадки, стрелы изгиба в вертикальной плоскости относительно базы длиной 17 м в точке, лежащей на расстоянии 2,4 м от задней токи, а также через перекосы, измеренные относительно базы задней ходовой тележки или кузова. При измерении соответствующих параметров необходимо делать компенсацию на подпрыгивание, галопирование и боковую качку кузова вагона при движении, так как все датчики установлены на кузове вагона. Датчики Д1 – Д6 связаны трособлочными передачами с буксами, как было показано для схемы измерения уровня (см. рис. 11.12). Перечисленные параметры измеряются по точкам контакта поверхностей катания колес и рельсов на расстоянии S, мм, а смещения относительно кузова вагона 3 передаются через тросы, закрепленные на расстоянии S_в, мм, на буксовых узлах. Этот фактор тоже учитывается при выводе формул. Проведя аналогичные рассуждения, можно вывести необходимые зависимости, связывающие перемещения датчиков, показанных на рис. 11.14, со значениями измеряемых параметров.

Например, просадка правой рельсовой нити, мм;

(11.8)

или для конкретных размеров КВЛ-П-1МП:

(11.9)

Стрела изгиба в вертикальной плоскости правой рельсовой нити, мм:

(11.10)

Для рассматриваемого путеизмерителя:

(11.11)

Перекос пути, измеренный на базе ходовой тележки, мм:

(11.12)

Для путеизмерителя КВЛ-П-1МП:

(11.13)

Перекос пути, измеренный на базе кузова вагона, мм:

(11.14)

Для путеизмерителя КВЛ-П-1МП:

(11.15)

В приведенных формулах z₁ – z₆ – смещения тросов на шкивах датчиков.

Неровности рельсовых нитей распределены вдоль пути случайным образом и характеризуются разными длинами l, м (рис. 11. 15, а) и амплитудами H, мм, поэтому можно говорить о спектре неровностей. Возможность измерения неровностей с заданной погрешностью хордовой системой определяется в результате анализа амплитудно-частотной характеристики (рис. 11.15, б). На рисунке показана амплитудно-частотная характеристика системы измерения положения рельсовых нитей в плане. КВЛ-П-1МП позволяет контролировать неровности пути в плане длиной от 4,5 до 26 м с погрешностью измерения, равной погрешности измерения стрелы (h / H = 1). При допущении большей погрешности, длина измеряемой неровности может доходить до 40 м.

Путеизмеритель позволяет контролировать и другие параметры, например параметры коротких неровностей, связанных с волнообразным износом поверхности катания головок рельсов. Для этого используется инерционный метод (рис. 11.16): на рельс опускается контактная пластина 4 с датчиком ускорений. Пружиной 3 пластина прижимается. Необходимые параметры получаются путем интегрирования показаний датчика ускорений.

Для исключения попадания контактирующих с рельсами элементов измерительной системы в желоба крестовин стрелочных переводов используются отводные ролики, которые связаны с указанными элементами, и при проходе стрелочного перевода контактируют с контррельсами. Эти ролики имеют электрическую изоляцию от корпуса вагона. При наезде на контррельс происходит замыкание электрической цепи отводной ролик – корпус вагона, что регистрируется БАС как проход стрелочного перевода.

Бортовая автоматизированная система измерений и обработки (БАС) (рис. 11.17) предназначена для автоматизации процессов контроля и балльной оценки геометрических параметров рельсовой колеи в составе КВЛ-П. Она обеспечивает:

преобразование в электрические сигналы и цифровое кодирование перемещений чувствительных элементов измерительных подвагонных механизмов, угла наклона кузова к горизонту в поперечной плоскости, скорости движения и пройденного пути, управляющих воздействий оператора в моменты подъема измерительных роликов и внесения отметок в запись, перемещений отводных роликов при проходе стрелочных переводов;

оперативную обработку измерительной информации о геометрических параметрах положения рельсовых нитей;

обработку измерительной информации с целью получения выходных форм данных об основных (нормируемых) и дополнительных (ненормируемых) геометрических параметрах рельсовой колеи, координатах отступлений и их протяженности;

обработку управляющей информации;

количественное отображение в выходных формах данных выявленных отступлений геометрических параметров рельсовой колеи от норм содержания с указанием координаты каждого отступления по каждому параметру, величины и протяженности отступлений на экране монитора и на ленте графического регистратора;

отображение в выходных формах качественной и балльной оценки отступлений в соответствии с требованиями инструкции ЦП-515.

Информационно-измерительная система БАС КВЛ-П1МП в свой состав включает описанные выше датчики и аппаратуру, позволяющую согласовать сигналы датчиков с учетом компенсации колебаний кузова и при наличии опасных отступлений в геометрии пути воспроизвести звуковые и световые сигналы. Сигналы датчиков после предварительной обработки поступают на аппаратно-программный комплекс (АПК) оперативного контроля через устройства сопряжения с объектом УСО-1 и УСО-2. Эти устройства преобразуют электрические сигналы в цифровые коды для дальнейшей обработки на специальном вычислителе (компьютере) с использованием программного обеспечения. Результаты обработки отображаются на устройстве отображения информации – мониторе в виде диаграмм или в цифровом виде. Устройство регистрации позволяет накапливать информацию и распечатывать ее в виде лент, которые используются в качестве документов, передаваемых начальнику дистанции пути и в диагностический центр дороги.

Аппаратно-программный комплекс постобработки обрабатывает собранные данные во время движения или стоянки вагона-путеизмерителя, используя прикладное и специальное программное обеспечение (СПО).

Согласно инструкции ЦП-515 отступления контролируемых параметров рельсовой колеи от номинальных величин учитываются при автоматической расшифровке записей и оцениваются по их количеству и степеням. К I степени относятся отступления, не требующие выполнения работ по их устранению, поэтому они не учитываются при расшифровке записей. Ко II степени относятся отступления, также не требующие уменьшения установленной скорости движения поездов, но оказывающие влияние на плавность движения подвижного состава и интенсивность расстройства пути, особенно при частом повторении таких отступлений на километре. К III степени относятся отступления, которые при неустранении их после обнаружения могут за период очередной проверки пути путеизмерительным вагоном достичь величин, значительно ухудшающих плавность движения поездов и повышающих интенсивность накопления остаточных деформаций пути. Поэтому такие отступления жестче оцениваются по сравнению с отступлениями I и II степени и устраняются в первоочередном порядке. К IV степени относятся отступления, вызывающие рост сил взаимодействия пути и подвижного состава до величин, которые при наличии неблагоприятных сочетаний с отступлениями в содержании и загрузке подвижного состава, нарушениях режима ведения поезда и др. могут привести к сходу его с рельсов. Поэтом при обнаружении отступлений, относящихся к IV степени при данном интервале установленных скоростей движения, скорость уменьшается. А при отступлении, превышающем предельно допустимое значение, закрывается движение поездов, независимо от установленной скорости движения.

Качественная и балловая оценка рельсовой колеи по показаниям путеизмерительного вагона приведена в табл. 11.1.

Таблица 11.1

Качественная оценка состояния рельсовой колеи	Количественные критерии качественной оценки состояния рельсовой колеи
На километре	На подразделении
Количество отступлений по степеням	Балловая оценка километра	Среднее значение баллов
II	III	IV
Отлично (О)	До 5				До 25
Хорошо (Х)	6-25				Более 25 до 80
Удовлетворительно (У)	Более 25				Более 80 до 180
Удовлетворительно (У)	Независимо	1-6			Более 80 до 180
Неудовлетворительно (Н)	То же	Более 6			Более 180
Неудовлетворительно (Н)	Независимо	Независимо	1 и более		Более 180

Основные данные технических характеристик путеизмерителей приведены в табл. 11.2.