Разработка инерциальных методов и средств измерения параметров рельсового пути тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.16, кандидат технических наук Филипеня, Наталья Сергеевна

• Филипеня, Наталья Сергеевна
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Филипеня, Наталья Сергеевна

Список сокращений

Введение

1. Обзор и анализ информационно-диагностических систем оценки состояния железнодорожного пути

1.1. Современные средства контроля железнодорожного пути

1.1.1. Состав и структура путеизмерительных вагонов (ПВ)

1.1.2. Элементная база инерциальных навигационных систем

1.1.3. Ручные средства диагностики

1.1.4. Земляное полотно и основные причины его деформаций

1.1.5. Средства диагностики подрельсового основания

1.1.6. Тенденции развития путеизмерительных средств

1.2. Основные параметры геометрии рельсового пути

1.3. Анализ традиционных методов измерения просадки и обоснование необходимости их совершенствования

1.4. Выводы, цели и задачи исследований

2. Инерциальные методы измерения параметров рельсового

2.1. Бесхордовый инерциальный метод измерения просадки рельсовых нитей

2.2. Анализ погрешностей бесхордового инерциального метода измерения просадки рельсовых нитей

2.3. Методы измерения жесткостей рельсовых нитей

2.3.1. Метод измерения ПВ вертикальной жесткости рельсовых нитей

2.3.2. Метод измерения ПВ поперечной (боковой) жесткости рельсовых нитей

2.4. Исследование динамического взаимодействия

ПВ и рельсового пути 64 2.4.1 .Выбор математической модели для анализа динамических процессов в рельсах

2.4.2. Математическая модель упругого рельсового пути

2.4.3. Результаты анализа метода измерения вертикальной жесткости рельсовых нитей

Выводы по главе

3. Анализ возможности использования инерциальных измерительных модулей (ИИМ) для оценки динамического взаимодействия ПВ и рельсового пути

3.1. Лабораторные испытания ИИМ

3.1.1. Описание ИИМ

3.1.2. Алгоритм обработки показаний ИИМ

3.1.3. Результаты лабораторных испытаний ИИМ

3.2. Результаты натурных испытаний ИИМ в составе ПВ

3.2.1. Описание специализированных ИИМ

3.2.2. Состав и структура интегрированной системы на базе ИИМ

3.2.3. Описание алгоритма оптимальной калмановской фильтрации

3.2.4. Результаты испытания ИИМ в стационарных условиях

3.2.5. Результаты испытания ИИМ в динамическом режиме 102 Выводы по главе

4. Нормирование результатов измерения геометрических параметров рельсового пути

4.1. Теоретические предпосылки нормирования результатов измерений геометрических параметров рельсового пути

4.2. Математическая модель динамического взаимодействия подвижной нагрузки и упругого пути

4.3. Анализ погрешности определения динамической составляющей неровности пути

4.4. Интегрированная система современного путеизмерительного комплекса

Выводы по главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка инерциальных методов и средств измерения параметров рельсового пути»

Актуальность проблемы. Железнодорожные аварии всегда имеют серьезные последствия, особенно когда речь идет о перевозках химикатов, нефтепродуктов и взрывоопасных грузов. Одной из причин крушений поездов являются своевременно необнаруженные и неустраненные дефекты пути.

Для поддержания в надлежащим состоянии ж.-д. пути службами путевого хозяйства регулярно проводится комплекс мероприятий, одной из составляющих которого является проверка пути с использованием различных средств диагностики и мониторинга. При контроле геометрии рельсового пути наиболее надежным остается использование путеизмерительных вагонов -лабораторий (ПВ).

Согласно инструкции ЦП-714 на сегодняшний день состояние отрезка пути определяется по его качественной оценке. Километр оценивается по количеству и степени обнаруженных на нём отступлений. В зависимости от количества отступлений 2-ой, 3-ей и 4-ой степеней километр характеризуется оценкой с четырьмя градациями: «отлично», «хорошо», «удовлетворительно» и «неудовлетворительно».

Этот критерий оценивает отклонение пути от нормативного положения, не учитывая того, как будет двигаться состав по участку пути, т. е. его динамику.

Принятые в ПВ схемы измерения некоторых геометрических параметров пути помимо инструментальных погрешностей, как показал проведенный в работе анализ, характеризуются существенными методическими. Случайный характер динамической составляющей результатов измерения, полученных традиционными методами, приводит к низкой повторяемости, а следовательно, к уменьшению достоверности, исключающей сравнительный анализ реализаций. Поэтому для правильной интерпретации результатов контрольных проездов, записанных в условиях сложного динамического взаимодействия ПВ и рельсового пути, необходимо учитывать характер его движения.

Разработка новых методов, направленных на повышение эффективности и достоверности контроля технико-эксплуатационного состояния ж.-д. пути, а, следовательно, и безопасности движения поездов, очень актуальна, особенно в период развития в России высокоскоростных железнодорожных сообщений.

Целью работы является разработка методов и средств измерения параметров рельсового пути на основе современных инерциальных технологий и интегрированных систем.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

- разработать бесхордовый инерциальный метод измерения просадки рельсовых нитей;

- разработать методы измерения путеизмерительным вагоном вертикальной и боковой жесткостей рельсовых нитей;

- разработать математическую модель, описывающую зависимость динамической деформации пути от параметров движения ПВ;

- разработать принципы построения интегрированной системы современного путеизмерительного комплекса.

Методы исследования базируются на теории инерциальной навигации, теории оптимальной обработки информации, методах математического и имитационного моделирования.

Научная новизна:

- разработан бесхордовый инерциальный метод измерения просадки рельсовых нитей, учитывающий влияние характера движения кузова ПВ на результат измерения просадки;

- разработаны методы, позволяющие измерять путеизмерительным вагоном вертикальную и боковую жесткости рельсовых нитей;

- для реализации предложенных методов разработаны принципы построения интегрированной системы современного путеизмерительного комплекса с использованием микромеханических инерциальных измерительных модулей (НИМ).

Достоверность научных и практических результатов подтверждается:

- сравнением полученных результатов с имеющимися в литературе экспериментальными данными;

- прохождением экспертизы в Российском агентстве по патентам и товарным знакам и выдачей патентов на способы измерения ПВ вертикальной и боковой жесткостей рельсовых нитей;

- критическим обсуждением результатов работы на научно-технических конференциях.

Практическое значение работы:

- внедрение новых методов в путеизмерительный комплекс не требует дополнительной дорогостоящей технической переоснастки, а заключается в рациональной организации алгоритмов сбора и обработки измерительной информации от штатных измерительных устройств ПВ;

- результаты экспериментальных исследований разработанных НИМ в составе ПВ ЦНИИ-4 МД Октябрьской железной дороги показали целесообразность их интегрирования с датчиковой аппаратурой ПВ (инерциальной навигационной системой, системой датчиков линейных перемещений, одометром) для повышения достоверности контроля рельсового пути.

Вместе с тем, следует отметить, что в путеизмерительной практике не предусмотрено использование оценочного параметра, который бы давал информацию о жесткости рельсового пути (прочности или несущей способности). В отсутствии прямого метода измерения жесткости пути о его несущей способности сегодня можно судить лишь косвенно по параметрам, измеряемым ПВ. В работе обосновывается актуальность и необходимость оценивания боковой и вертикальной жесткостей рельсового пути наряду с другими параметрами, измеряемыми в процессе проезда ПВ, и предлагаются для этого методы и средства.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Бесхордовый инерциальный метод измерения просадок рельсовых нитей, учитывающий влияние характера движения кузова вагона на результат измерения просадки;

2. Метод, позволяющий измерять путеизмерительным вагоном вертикальную жесткость рельсовых нитей;

3. Метод, позволяющий измерять путеизмерительным вагоном боковую жесткость рельсовых нитей;

4. Математическая модель, описывающая зависимость динамической деформации пути от параметров движения ПВ;

5. Принципы построения интегрированной системы современного путеизмерительного комплекса, позволяющие реализовать предложенные методы измерения параметров пути.

Заключение диссертации по теме «Информационно-измерительные и управляющие системы (по отраслям)», Филипеня, Наталья Сергеевна

Выводы по главе 4

1. Обращено внимание на предшествующие исследования, направленные на решение вопросов нормирования геометрических параметров рельсового пути.

2. Разработана математическая модель динамического взаимодействия подвижной нагрузки и упругого пути, что позволило получить зависимость динамических деформаций пути от параметров движения и в итоге перейти к нормированию результатов измерения.

3. Предложена модель интегрированной системы современного путеизмерительного комплекса с использованием разработанных малогабаритных инерциальных измерительных модулей.

Заключение

Данная работа направлена на развитие методов и средств, позволяющих повысить эффективность и достоверность контроля технико-эксплуатационного состояния ж.-д. пути.

Алгоритмы, реализующие предложенные методы, основаны на более полном и эффективном использовании уже имеющихся в арсенале ПВ технических средств (БИНС, СДП, одометр) и специально разработанных микромеханических инерциальных измерительных модулей.

В диссертационной работе изложены следующие новые и практически значимые результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований:

1. Разработан и исследован бесхордовый инерциальный метод измерения путеизмерительным вагоном просадок рельсовых нитей. По сравнению с традиционным методом, основанным лишь на использовании информации датчиков БК, здесь также используется информация об угловом и линейном движении кузова, вырабатываемая БИНС. Результаты постобработки данных ПВ показали эффективность предложенного метода.

2. Разработан метод, позволяющий измерять путеизмерительным вагоном вертикальную жесткость рельсового пути и проведено имитационное моделирование.

3. Разработан метод, позволяющий измерять путеизмерительным вагоном боковую жесткость рельсового пути и даны рекомендации по выбору датчиков, для измерения рамных сил.

4. Разработана математическая модель, характеризующая зависимость динамических деформаций пути от параметров движения.

5. Разработаны принципы построения интегрированной системы современного путеизмерительного комплекса, позволяющие реализовать предложенные новые методы.

Разработанные методы измерения путеизмерительным вагоном вертикальной и боковой жесткостей рельсового пути прошли экспертизу в Российском агентстве по патентам и товарным знакам и запатентованы.

Таким образом, научные и практические результаты, полученные в диссертационной работе, могут быть использованы при проектировании новых и модернизации существующих путеизмерительных комплексов на отечественных и зарубежных железных дорогах.

136

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Филипеня, Наталья Сергеевна, 2007 год

1. Куприянов Н. В. Рождение путеизмерителя. //Путь и путевое хозяйство. -2004.-№5. www.rzd.ru

2. Кулябко A.M. О путеизмерительных вагонах. //Путь и путевое хозяйство- 2003 .-№6. www.rzd.ru

3. Официальный интернетсайт НПЦ Инфотранс. http://www.infotrans-logistic.ru

4. Стратегия развития путевого комплекса российских железных дорог// Международное информационно-аналитическое обозрение Евразия Вести.- 2003. № 9. - http://www.eav.ru/

5. ЗАО "Промышленно-инновационная компания Прогресс" www.pikprogress.ru

6. Вагон-путеизмеритель ЦНИИ-4. Техническое описание. ЕИМН.663511.001 ТО. -М., 1996.

7. Технические указания по определениюи использованию характеристик устройства и состояния пути, получаемых вагонами путеобследовательскими станциями ЦНИИ-4. (ЦПТ 55/15). / Департамента пути и сооружений МПС России.-М., 2003.-100 с.

8. Гупалов В.И., Мочалов A.B., Боронахин A.M. Инерциальные методы и средства определения параметров движения объектов и свойств рельсового пути: Учеб. Пособие СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2003.- 144с.

9. Matthias Roesch. Moderne Gleismessfahrzeuge fuer den Nachweis der qualitaetsgerechten Bauausführung. EI Eisenbahningenieur - 2003. - № 9. S. 48 -53.

10. Hans-Joerg Hoehberger, Martin Rechel und Heinz-Herbert Zueck. Die Oberbau-Messwagen-Einheit Neuer Standard fuer die Gleismesstechnik// Gleismesstechnik, 41, H.6-Juni, 1992, S. 405-411

11. Мочалов A.B. Инерциальные методы и средства динамических измерений параметров движения и деформаций объектов: Дис. на соискание ученой степени доктора технических наук: 05.11.03/ СПбГЭТУ «ЛЭТИ». СПб, 2002. - 298 с.

12. М. Rechel, J. Schmeister, A.M. Boronachin, A.V. Mochalov. Integrated System for Navigation on Railway Tracks// Proceedings on Symposium Gyro Technology, Stuttgart, Germany, 19 -20 Sept. 2001. - P.17.0-17.18.

13. Корпорация Deutsche Plasser. http://www.deutscheplasser.de/

14. Путеизмерительный вагон EM 250. / Железные дороги мира. 2005.-№8. www.css-mps.ru

15. Новая путеизмерительная система POS TG. Официальный сайт компании «Applanix» http://www.applanix.ru/page.php?id=93

16. В. Lichtberger. Die neue Generation von Multifunktionsmessfahrzeugen./ EI -Eisenbahningenieur. 2003. -№3. S. 26-32

17. Лукьянов Д.П., Мочалов A.B., Одинцов A.A., Вайсгант И.Б. Инерциальные навигационные системы морских объектов. -Л.: Судостроение, 1989. 184 с.

18. Лукьянов Д.П., Мочалов A.B., Филатов Ю.В. Лазерные инерциальные системы: Учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ, 1995. -157с.

19. Мартыненко Ю. Г. Тенденции развития современной гироскопии. Соросовский образовательный журнал. 1997—№11. С. 120 - 127.

20. Лукьянов Д.П. Лазерные и волоконно оптические гироскопы: состояние и тенденции развития./ Гироскопия и навигация. - 1998.-№4. С. 20 - 46.

21. Лукьянов Д.П. Микромеханические акселерометры и микросенсоры на ПАВ: Учеб. Пособие СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2005. - 89 с.

22. Gupalov V. I., Mochalov А. V., Boronachin А. М. Application of a ring laser for measurement of the track geometrical parameters/ Proc. SPIE №4316, 13 -20,2000.

23. Гупалов В.И., Мочалов A.B., Боронахин A.M. Аналитические гировертикали усеченного состава// "Гироскопия и навигация", № 2 (33), 2001, с. 25-36.

24. Gupalov V.I., Mochalov A.V., Boronachin A.M. The method of the ring laser correction for the measurement of an object angular moving./Proc. SPIE №4680,2001.

25. Официальный интертнетсайт группы компаний «ТВЕМА».-www.tvema.ru

26. IVR Ingenieur- und Vermessungsbuero Ruzicka GmbH / http://www.ivr-gmbh.de/

27. Полевиченко А.Г. Деформации земляного полотна, меры предупреждения и способы ликвидации: Конспект лекций. Хабаровска ДВГУПС, 1999. -29 с.

28. ЗЬШахунянц Г.М. Железнодорожный путь: Учебник для вузов ж.-д. транспорта. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1987. - 479 с.

29. Фришман М.А., Хохлов И.Н., Титов В.П. Земляное полотно железных дорог: Учебное пособие для вузов ж.-д. транспорта. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1972. - 288 с.

30. Niessen. J. GeoRail. // Eisenbahningenieur. 2000. - № 6. - S. 58 - 59. -http://www.eurailpress.com/

31. Путеизмерительные системы на железных дорогах Северной Америки. // Железные дороги мира. 2005-№9 - www.css-mps.ru

32. Научно-производственная фирма «Спецмаш» http://www.rucompany.ru/

33. Бортовая система мониторинга пути. / Железные дороги мира. 2003-№5 - www.css-mps.ru

34. Инструкция по текущему содержанию железнодорожного пути: ЦП-774// МПС РФ.-М., 2000.-224 с.

35. Инструкция по расшифровке лент и оценке состояния рельсовой колеи по показаниям путеизмерительного вагона ЦНИИ -2 и мерам по обеспечению безопасности движения поездов: ЦП 515// МПС РФ. -М., 1997.-34 с.

36. Полоса отчуждения и рельсовый путь// Энциклопедия «Кругосвет». -http://krugosvet.ru/

37. Мишин В. В. Вероятностно-статистический анализ перекоса и просадок рельсовой колеи // Вестник ВНИИЖТ. 2004. № 4. С. 3 8.

38. Боронахин А. М., Гупалов В. И., Филипеня Н. С. Сравнительный анализ методов измерения параметров рельсового пути. // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ», серия «Приборостроение и информационные технологии». -СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2006. №1. - С. 40-48.

39. Лысюк B.C., Сазанов В.Н., Башкатова Л.В. Прочный и надежный железнодорожный путь.- М.: ИКЦ «Академкнига», 2003. 589 с.

40. К вопросу о синтезе путеизмерительных комплексов нового поколения. Боронахин A.M., Гупалов В.И., Филипеня Н.С. / Железные дороги мира. -2004, №8. С. 44-48.

41. Казанцев A.B. Разработка инерциальных методов измерения параметров рельсового пути: Дис. на соискание ученой степени кандидата технических наук: 05.11.03/ СПбГЭТУ «ЛЭТИ». СПб, 2005. - 126 с.

42. Каменский В.Б. Оценка геометрических параметров пути методами математической статистики. / Наука и техника транспорта. 2004, №3. С. 6-13.

43. Вериго М.Ф., Коган А. Я. Взаимодействие пути и подвижного состава. / Под ред. М.Ф. Вериго. М.: Транспорт, 1986.

44. Способ измерения путеизмерительным вагоном вертикальных жесткостей рельсовых нитей: патент РФ №229803/ / A.M. Боронахин, В.И. Гупалов, Н.С. Филипеня. Бюл. № 2 от 20.01.2007.

45. Способ измерения путеизмерительным вагоном боковых (поперечных) жесткостей рельсовых нитей: патент РФ № 2291804 / A.M. Боронахин, В.И. Гупалов, Н.С. Филипеня. -. Бюл. № 2 от 20.01.2007.

46. Коган А. Я. Некоторые особенности воздействия на путь подвижной нагрузки. /Вестник ВНИИЖТ. 2005. - №3.

47. Тимошенко С.П. Сопротивление материалов. Т.2. Более сложные вопросы теории и задачи. М.: Наука, 1965.- 480с.

48. Боронахин A.M., Гупалов В.И., Филипеня Н.С. Анализ метода измерения вертикальной жесткости рельсовых нитей. / Материалы VIII конференциимолодых ученых "Навигация и управление движением" 13-15 марта 2006г. ЦНИИ "Электроприбор", С.118-124

49. Naser El-Sheimy, Eun-Hwan Shin, Xiaoji Niu. Kalman-filter face-off. Extended vs. Unscented Kaiman Filters for Integrated GPS and MEMS Inertial/ Inside GNSS, vol.1 № 2, 2006, p.p. 48 54., www.insidegnss.com

50. Интегрированные системы ориентации и навигации для морских подвижных объектов/ О.Н. Анучин, Г.И. Емельянцев/ Под общей ред. чл.-кор. РАН В.Г. Пешехонова, С-Пб., 1999. -357с.

51. Тимошенко С.П., Янг Д.Х., Уивер У. Колебания в инженерном деле/Пер. с англ. М.: Машиностроение, 1985.- 472 с.

52. Вершинский С.Б., Данилов В.Н., Хусидов В.Д. Динамика вагона/Под ред. С.В.Вертинского. -М.: Транспорт, 1991, 360 с.

53. Вагон лаборатория нового покаления для испытаний контактной сети. / В.П. Герасимов, А. В. Пешин и др. // Железные дороги мира. - 1998. -№12.,С. 13-21.

54. Боронахин A.M. Инерциальные методы и средства измерений геометрических параметров рельсового пути: Дис. на соискание ученой степени кандидата технических наук: 05.11.03/ СПбГЭТУ «ЛЭТИ». СПб, 2002. - 160 с.

55. Боронахин A.M., Мочалов A.B. Навигация на рельсовом пути// Сб. докладов II НТК молодых ученых «Навигация и управление движением», СПб., 28-30 марта 2000 г. СПб., - С.251-258.

56. Боронахин A.M. Результаты экспериментальных исследований системы навигации на рельсовом пути// Сб. докладов III НТК молодых ученых «Навигация и управление движением», СПб., 2001 г. СПб., -С.206-213.