Скоростная путеобследовательская станция ЦНИИ-4МД

Скоростные путеобследовательские станции (ПС) системы ЦНИИ-4 предназначены для контроля геометрических параметров рельсовой колеи (модификации М, МД), и дополнительно габаритов вдоль пути (модификация МГ). Они являются структурными подразделениями дорожных Центров диагностики путевого хозяйства железных дорог. Контролируется состояние главных и станционных путей, оценивается состояние пути на дорожном и сетевом уровне.

ПС представляет собой переоборудованный купейный вагон типа 47Д, который включает аппаратный, щитовой, дизель-генераторный отсеки, салон и жилые купе. В аппаратном отсеке, в подкузовном пространстве и на ходовых тележках размещаются элементы контрольно-вычислительного комплекса (КВК). КВК оснащен аппаратурой, в состав которой входят бесконтактные измерительные системы на базе оптических датчиков, прецизионная лазерная навигационная гиросистема и вычислительный комплекс из 3-х персональных компьютеров (ПЭВМ), объединенных локальной сетью. Работа КВК обеспечивается системой специализированного программно-математического обеспечения (СПМО).

Путеобследовательская станция ЦНИИ-4МД оснащена оптическими и электромеханическими системами для определения основных параметров геометрического положения рельсовых нитей (см. предыдущий пункт), а также дополнительными оптическими измерительными системами определения зазоров в рельсовых стыках, бокового износа, температуры рельсов и системой контроля неровностей на поверхности катания рельсов. Контролируется более 20 параметров ж.д. пути, часть которых определяется непосредственно в процессе поездки, часть вычисляется после нее.

В процессе поездки определяются параметры: ширина рельсовой колеи; просадки рельсовых нитей в вертикальной плоскости; взаимное положение рельсовых нитей по высоте (уровень); стрелы изгиба в плане от несимметричной хорды (рихтовка); перекосы пути на базе кузова и ходовой тележки; уклон продольного профиля пути; кривизна пути в плане; боковой износ рельсов (износ); величина стыковых зазоров; температура рельсов; горизонтальные и вертикальные ускорения кузова; скорость движения ПС; длина пройденного пути (местоположение ПС). После поездки с использованием СПМО вычисляются параметры: отметки продольного профиля пути; неровности продольного профиля пути; параметры устройства кривых участков пути; отклонение от прямолинейного положения прямых участков пути; горизонтальные неровности в прямых участках пути; наличие неровностей на поверхности катания рельсов; статистические характеристики геометрических параметров рельсовой колеи.

ПС постоянно оснащается новым оборудованием и программно-математическим обеспечением для расширения функциональных возможностей и номенклатуры решаемых задач. ПС может работать в составе скорых и пассажирских поездов, или с отдельным локомотивом. Потребителями информации являются: службы пути железных дорог, дорожные Центры диагностики, проектные организации, дистанции пути и Департамент пути и сооружений ОАО «РЖД».

Датчики на базовом вагоне размещаются на кузове в подкузовном пространстве и на специальных неподрессоренных элементах ходовых тележек (рис. 11.18, а). Датчики входят в состав КВК (рис. 11.18, б). Оптические датчики включены в систему через соответствующий пульт управления ПУ СОД, а другие датчики – через кросс-соединительное устройство. Система позволяет контролировать состояние пути через основные параметры по типовым схемам измерений вагонов-путеизмерителей в соответствии с инструкцией ЦП-515, производить оценку пути по дополнительным параметрам. Результаты измерений могут выводиться в виде диаграмм, таблиц и сводных ведомостей на мониторах компьютеров, накапливаться и передаваться в базы данных различного уровня, распечатываться в виде путеизмерительных лент и отчетов. Все данные привязываются к местности через системы навигации и систему маркеров на объектах вдоль пути. Объем данных может соответствовать до 10000 км пути.

В качестве примеров рассмотрим принцип действия основных оптических систем ПС. Система измерения ширины колеи (рис.11.19) включает в себя два источника оптического излучения 3 и 6. Используется монохромный луч лазера, который в меньшей степени подвержен засветкам при дневном освещении. Через объективы 2 и 7 на боковой поверхности головок рельсов 10 и 11 на расстоянии 15 мм ниже УВГР высвечиваются узкие горизонтальные световые полосы. Положение этих полосы относительно неподрессоренной балки 9 определяется фотоприемниками, имеющими объективы 1 и 8 и линейные матрицы фотоэлементов 4 и 5. Фотоприемники по конструктивному устройству являются своеобразными цифровыми фотоаппаратами с линейной матрицей засвечиваемых светодиодов большой разрешающей способности.

Ширина колеи, мм, определяется по формуле:

(11.16)

где DX_1,2 = (N_j(1,2) – N_0(1,2))dS/f_пр – относительное перемещение рельса; N_j(1,2) – текущее значение параметра светочувствительного элемента ПЗС-линейки, соответствующее геометрическому центру изображения световой полосы первого или второго датчика; N_0(1,2) – номер светочувствительного элемента ПЗС-линейки, соответствующий началу отсчета; d – шаг светочувствительных элементов ПЗС-линейки; S – расстояние от датчика до рельса; f_пр – фокусное расстояние объектива приемной части; B_ш – базовое расстояние между датчиками.

Вследствие изменений величин DX₁ и DX₂ по сравнению с определенными при настройке на номинальный размер ширины колеи (1520 мм) световая полоса смещается вверх (уменьшение расстояния) или вниз (увеличение расстояния). Это смещение приводит к засветке соответствующего фотоэлемента на линейке, по номеру которого оценивается рассматриваемое расстояние.

Частота съема информации 250 Гц, что соответствует отсчетам через 0,16 м пути при скорости движения путеизмерителя 144 км/ч.

Система контроля относительных смещений головки рельса и кузова вагона (рис. 11.20) состоит из двух оптических лазерных источников 1 и 2, которые через объективы 3 и 4 посылают сфокусированный лазерный луч на зеркала 5 и 8. Отраженные лучи попадают на зеркала 5 и 7, которые синхронно вращаются и смещены по фазе вращения друг относительно друга. Отраженный от вращающегося зеркала, например зеркала 7, луч проходит через головку рельса, создавая на ней световое пятно, пробегающее от внешней стороны головки до внутренней стороны. Световое пятно регистрируется фотоприемной камерой 10. После ухода пятна за внутреннее скругленное ребро головки рельса оно «исчезает» для камеры 10. В момент исчезновения пятна регистрируется положение зеркала 7, соответственно, угол a₁. Световой датчик ДН1 начала отсчета включает систему регистрации положения пятна на головке рельса, а другой такой же датчик ДК1 конца отсчета отключает указанную систему. Для определения расстояния используется бинокулярный принцип, поэтому имеется вторая такая же система с зеркалом 5. Датчики начала и конца отсчета служат для идентификации последовательно появляющихся и исчезающих световых пятен, отраженных от зеркал 5 и 7. В течение одного оборота происходит сначала регистрация пятна от зеркала 7 (определяется угол a₁), а затем – от зеркала 5 (определяется угол a₂).

Зная a₁ и a₂, можно определить вертикальное H, мм, и горизонтальное L, мм, расстояния от датчика до рельса по формулам:

(11.17)

где B – Фиксированное расстояние между осями вращающихся зеркал, мм.

Информация по расстоянию L используется для оценки положения рельсовых нитей в плане относительно традиционной хордовой системы длиной 21,5 м.

Частота съема информации в датчике РК, определяемая частотой вращения двигателя сканера, равна 70 Гц, что соответствует точкам отсчета через 0,6 м пути при скорости путеизмерителя 144 км/ч и точности ±2,5 мм.

Система измерения стыковых зазоров (рис. 11.21) включает источник инфракрасного излучения 5, который через объектив 6 и систему оптических призм 7 отбрасывает на поверхность головки рельса две узких светящихся полоски, находящихся на расстоянии а, мм, друг от друга. При нахождении световых полосок на головке рельса они фиксируются через объективы 3 и 6 фотоприемниками 1 и 2, а при отбрасывании излучения в зазор оно не отражается и не попадает в соответствующую камеру. Система регистрирует наличие открытого зазора. Моменты прерывания и восстановления отражения регистрируются в реальном времени. Регистрируется время, соответствующее прохождению ПС расстояния a, поэтому измерения не привязаны к скорости движения. Величина зазора, мм:

(11.18)

где t_з, t_a – время прохода зазора и базового расстояния a, с.

Системой не регистрируются закрытые (сомкнутые) стыковые зазоры (a_з = 0), поэтому система содержит магнитные датчики определения зазоров МСЗ1 и МСЗ2. Принцип действия этих датчиков аналогичен принципу действия магнитного дефектоскопа (см. следующий пункт).

Созданы аналогичные диагностические комплексы, например АДК-И, в состав которого входит путеизмеритель КВЛ-П3 с расширенным набором функциональных возможностей, совмещенный с ультразвуковым и магнитным дефектоскопом, и вагон-лаборатория для обследования контактной сети, автоматики и поездной радиосвязи.