Разработка инерциальных методов измерения параметров рельсового пути тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.16, кандидат технических наук Казанцев, Андрей Валерьевич

• Казанцев, Андрей Валерьевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Казанцев, Андрей Валерьевич

Введение

1. Современное состояние методов и средств измерения геометрических параметров рельсового пути

1.1. Контроль геометрических параметров - как важнейшая составляющая диагностики пути

1.2. Основные термины и понятия, используемые в области измерения геометрических параметров рельсового пути

1.3. Современные путеизмерительные вагоны

1.4. Способы измерения основных геометрических параметров рельсового пути

1.5. Проблемы, подлежащие исследованиям 3 7 Выводы по главе

2. Бесхордовый инерциальный метод измерения неровностей рельсовых нитей в продольной вертикальной плоскости 42 2.1 .Экспериментальный анализ хордовых измерительных устройств

2.2. Бесхордовый инерциальный метод измерения просадки

2.3. Анализ погрешностей бесхордового измерительного устройства

2.4. Экспериментальные исследования в составе путеизмерительного вагона ЦНИИ

Выводы по главе

3. Разработка и исследование метода измерения путеизмерительным вагоном вертикальной жесткости рельсового пути 64 3.1. Метод измерения путеизмерительным вагоном жесткости рельсового пути

3.2. Анализ погрешностей

3.3. Методика поверки метода измерения ПВ жесткости рельсовых нитей

Выводы по главе

4. Разработка и исследование метода высокоточной привязки результатов измерений параметров рельсового пути на основе интегрированной системы навигации

4.1. Разработка интегрированной системы одометр/СНС/ИНС в составе путеизмерительного вагона ЦНИИ

4.2. Результаты испытаний интегрированной системы

4.3. Математическая модель погрешности определения пройденной дистанции и модификация алгоритма коррекции путем учета режима и условий движения

Выводы по главе

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

Железнодорожная дорога в России всегда была и остается главной транспортной артерией для перевозки грузов и пассажиров. Основная задача, которая стоит перед железнодорожниками, удовлетворение всех запросов потребителей транспортных услуг при условии обеспечения безопасности перевозок.

С подъемом экономики железнодорожный транспорт в России имеет хорошие перспективы и должен быть готов к освоению возрастающих объемов перевозок грузов и пассажиров. Первостепенное значение придаётся развитию средств диагностики пути, поскольку их состояние непосредственно связано с безопасностью движения поездов и планированием ремонтных работ. Определяющим фактором при этом является качество и своевременность проведения диагностики. В связи с этим оправдана потребность в современных средствах и методах измерения, позволяющих проводить контроль параметров рельсового пути на больших скоростях без ущерба качеству. Если в настоящее время в качестве таких средств успешно выступают путеизмерительные вагоны (ПВ), то не все методы измерения претерпели модернизацию и обеспечивают необходимую точность и достоверность.

Так, например, в современном ПВ ЦНИИ-4 такой высокоточный, обладающий большим потенциалом измерительный инструмент, как спутниковая навигационная система (СНС) используется лишь для начальной выставки инерциальной навигационной системы (ИНС) [1], применение которой также значительно ограничено. Неровности рельсовых нитей измеряются "дедовскими" хордовыми методами, без привлечения информации об инерциальном положении в пространстве путеизмерительного средства.

Все контролируемые параметры состояния рельсовой колеи фиксируются как функция пройденного вагоном-путеизмерителем пути, требования к точности его измерения чрезвычайно высоки. Решение задачи определения пройденного вагоном на момент времени Г пути от некоторой опорной точки необходимо, во-первых, для локализации (привязки) результатов контроля рельсового пути и, во-вторых, для определения характеристик пути независимо от скорости вагона. Естественно, что все погрешности измерений пройденного пути приводят к неточной привязке обнаруженных дефектов и контролируемых геометрических параметров. Пройденная ПВ дистанция измеряется электронно-механическим устройством, вырабатывающим определенное количество импульсов на оборот колеса (одометром). Погрешность определения пройденной дистанции при использовании такого датчика велика и составляет 5м на 1 км пути [1].

Данная работа направлена на совершенствование методов диагностики и контроля геометрических параметров путем рационального и более полного использования имеющихся в арсенале ПВ средств измерения, таких как СНС и ИНС, а также их интегрированием в одну навигационную систему. В частности, разработан бесхордовый метод измерения вертикальных неровностей рельсовых нитей в продольной плоскости, в котором устранены недостатки хордового метода, посредством использования данных об угловом положении кузова вагона относительно плоскости горизонта, получаемых с ИНС. Впервые получен метод измерения при помощи ПВ распределенной жесткости рельсовых нитей, в основе которого также лежит инерциальная информация. Интегрирование одометра, СНС и ИНС в навигационную систему позволило получить модель погрешностей датчика пути, разработать алгоритмы определения пройденной дистанции и добиться высокой точности привязки обнаруженных дефектов.

Цель работы - разработка новых методов измерения параметров рельсового пути на основе привлечения инерциальной навигационной информации.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

- разработкой бесхордового метода измерения вертикальных неровностей рельсовых нитей в продольной плоскости (просадки);

- разработкой метода измерения ПВ распределенной вертикальной жесткости рельсовых нитей;

- разработкой метода высокоточной привязки результатов измерения параметров рельсового пути, на основе интегрированной системы навигации о дометр/ИНС/СНС.

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

Научная новизна проведенных исследований заключается в том, что в ходе их выполнения впервые:

- предложен бесхордовый метод измерения вертикальных неровностей, позволяющий с высокой точностью определять величину коротких и длинных просадок, а также оценивать дефекты поверхности катания рельсовых нитей;

- разработан метод измерения ПВ жесткости рельсовых нитей;

- получена модель погрешности датчика пути, учитывающая характер и условия движения, произведена идентификация ее коэффициентов, на основе которой разработан метод коррекции показаний датчика пути.

Практическая ценность полученных в диссертационной работе результатов заключается в том, что разработка новых методов на базе имеющегося измерительного комплекса приборов и датчиковой аппаратуры, привела к созданию конкретных систем, нашедших практическое применение. В работе получены следующие практические результаты:

- результаты экспериментального проезда ПВ ЦНИИ-4 показали преимущества бесхордового метода измерения просадки, в частности, его достоверность и более высокую точность, возможность определять короткие просадки, а при малом инкременте одометра идентифицировать стыки и короткие дефекты поверхности катания;

- рабочие программы, реализующие разработанный метод высокоточной привязки результатов контроля к пройденной дистанции на основе интегрированной системы навигации позволяют обеспечить независимость результатов измерений от режима и условий движения и увеличить воспроизводимость результатов измерений пройденного расстояния.

Вместе с тем, следует отметить, что до настоящего времени в мировой путеизмерительной технике такой параметр как жесткость рельсовых нитей не используется по причине отсутствия метода измерения ПВ. Разработанный метод измерения ПВ жесткости рельсового пути заполнит существующий пробел и откроет новое информационное поле для исследования, а также позволит нормировать результаты измерения геометрических параметров, зависящих от нагрузки, по ее величине.

Основные научные положения, выносимые на защиту;

1. Бесхордовый инерциальный метод, позволяющий измерять неровности рельсовых нитей в продольной вертикальной плоскости.

2. Экспериментальные исследования, подтверждающие достоверность и более высокую точность результатов измерения вертикальных неровностей бесхордовым методом.

3. Метод, позволяющий измерять путеизмерительным вагоном вертикальную жесткость рельсового пути.

4. Математическая модель, описывающая погрешность определения пройденной дистанции по показаниям датчика пути.

5. Метод коррекции показаний датчика пути, на основе интегрированной системы навигации, учитывающий характер и условия движения.

Заключение диссертации по теме «Информационно-измерительные и управляющие системы (по отраслям)», Казанцев, Андрей Валерьевич

Выводы по главе

1. Разработана интегрированная система навигации одометр/СНС/ИНС на базе путеизмерительного вагона ЦНИИ-4, в основе которой лежит алгоритм коррекции по координатам, вырабатываемым СНС.

2. Разработанный алгоритм коррекции показаний одометра по сигналам СНС и ИНС, а также учет влияния участия приемной антенны потребителя в колебательном движении вагона позволили повысить точность привязки результатов измерения геометрических параметров и обнаруживаемых дефектов рельсового пути, что подтверждается экспериментальными исследованиями, проведенными в составе ПВ ЦНИИ-4. Воспроизводимость результатов измерений при этом возросла в 12 раз.

3. Получена уточненная модель погрешности датчика пути, учитывающая характер движения, произведена идентификация ее коэффициентов на основе экстремально-корреляционного метода. Разработан метод коррекции датчика пути, погрешность которого не зависит от режима и условий движения объекта.

Заключение

Данная работа является единым комплексом мер, направленным на модернизацию и совершенствование методов измерения и контроля за состоянием рельсового пути. Предложенные в работе инерциальные методы измерения переводят процедуру диагностики геометрии пути на качественно новый уровень, поскольку в их основу положено использование отвечающих требованиям современности технологий, таких как спутниковые навигационные системы (GPS и Глонасс), бесплатформенная инерциальная навигационная система на базе блока лазерных гироскопов и акселерометров.

В процессе работы над диссертацией автором получены следующие новые и практически значимые результаты:

1. Разработан бесхордовый метод измерения просадки рельсовых нитей, проведен сравнительный анализ величин просадок, полученных хордовым и бесхордовым способом с поперечным уровнем, подтверждающий его достоверность и более высокую точность. Даны рекомендации по уменьшению инкремента одометра и увеличению частоты опроса ИНС, для обнаружения коротких неровностей, а также дефектов поверхности катания и стыков.

2. Предложен метод измерения путеизмерительным вагоном вертикальной жесткости рельсового пути, что позволит в дальнейшем нормировать контролируемые параметры по величине нагрузки.

3. Получена модель погрешности датчика пути, учитывающая характер движения ПВ, произведена идентификация ее коэффициентов, на основе которой разработан новый метод коррекции показаний датчика пути.

Все полученные методы, направленные на решение задач, сформулированных в целях данной диссертационной работы, прошли экспертизу в Российском агентстве по патентам и товарным знакам и запатентованы.

Таким образом, научные и практические результаты, полученные в диссертации, могут быть использованы в путеизмерительных комплексах нового поколения на железных дорогах мира.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Казанцев, Андрей Валерьевич, 2005 год

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

2. Правила технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации. http://www.skonHne.ru/doc/9598.html

3. Стратегия развития путевого комплекса российских железных дорог// Междунар. информ. аналит. обозрение Евразия Вести. 2003. - № 9. — http:// www.eav.ru/

4. Инструкция по содержанию земляного полотна железнодорожного пути: ЦП-544/ Министерство путей сообщения Российской Федерации. -М., 2000. -107 с.

5. Инструкция по текущему содержанию железнодорожного пути: ЦП-774/ Министерство путей сообщения Российской Федерации. -М., 2000. -224 с:.

6. Инструкция по расшифровке лент и оценке состояния рельсовой колеи по показаниям путеизмерительного вагона ЦНИИ -2 и мерам по обеспечению безопасности движения поездов: ЦП 515/ Министерство путей сообщения Российской Федерации. -М., 1997. -34 с.

7. Полоса отчуждения и рельсовый путь// Энциклопедия «Кругосвет». -http://kmgosvet.rU/articles/l 2/1001219/1001219аЗ.

8. Инструкция по текущему содержанию железнодорожного пути: ЦП-2913/ Министерство путей сообщения СССР. -М.: Транспорт, 1972. -223 с.

9. Вериго, М.Ф. Взаимодействие пути и подвижного состава/ М.Ф. Вериго, А.Я. Коган; под ред. М.Ф. Вериго. М.: Транспорт, 1986. - 559 с.

10. Фришман, М.А. Ещё раз об определении модуля упругости подрельсового основания/ М.А. Фришман, И.С. Леванков// Тр. Днепропетровского института инженеров на транспорте. -1965. Вып.57. - С.4-8.

11. Некоторые результаты экспериментального определения жесткости пути/ Л.Я. Воробейчик и др.// Тр. Днепропетровского института инженеров на транспорте. 1974. - Вып. 148. - С. 9-16.

12. Путеизмеритель системы ЦНИИ-2. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. 0982.00.00.000 ТО. М., 1983.

13. Башкатова, JI.B. Анализ зарубежных средств диагностики железнодорожного пути и системы их использования/ JI.B. Башкатова// Железнодорожный транспорт за рубежом. Cep.IV. М.: ЦНИИТЭИ. — 1997.- Вып. 1.-С. 1-21.

14. Кирштейн X. Новый путеизмерительный вагон железных дорог ФРГ, ETS.- 1966. -№ 1-2. С.29-33.

15. Вагон-лаборатория нового поколения для испытаний контактной сети/ В.П. Герасимов и др.// Железные дороги мира. 1998. -№12. - С.14-23.

16. Белов, Д.П. Путеизмерители зарубежных железных дорог/ Д.П. Белов// Министерство путей сообщений. 1975. -№ 8. - С.34-37.

17. Клауз, П.Л. Путеизмерительные тележки и вагоны железных дорог нормальной колеи / П.Л. Клауз, В.Н. Солофненко. Л.: ЛИИЖТ, 1966. — 54с.

18. Track Recording Car EM-120. Austia: Plasser, 1986.

19. Официальный интертнетсайт компании «Геокосмос».- http://www.geokosmos.ru

20. Вагон-путеизмеритель нового поколения/ Б.Н. Зензинов и др.// Железнодорожный транспорт. 1998. -№ 11. - С .17-21.

21. Льюис, Р.Б. Высокоскоростной вагон-путеизмеритель/ Р.Б. Льюис// Железные дороги мира. -1977. -№ 12. С.66-68.

22. Официальный интернетсайт НПЦ Инфотранс. http://www.infotrans-logistic.ru23. "ПИК прогресс" делает ставку на комплексные системы диагностики// Междунар. информ. аналит. обозрение Евразия Вести. 2002. — № 12. — http://www.eav.ru/

23. Технические указания по определению и использованию характеристик устройства и состояния пути, получаемых вагонамипутеобследовательскими станциями системы ЦНИИ-4: ЦПТ-55/22/ Министерство путей сообщения Российской Федерации. М.: Транспорт, 2000.-66 с.

24. Технические указания по определению и использованию характеристик устройства и состояния пути, получаемых вагонами-путеизмерителями системы ЦНИИ-4/ Департамент пути и сооружений Министерства путей сообщения Российской Федерации. -М., 1998. 41 с.

25. Mochalov, A. Navigation on Railway Tracks by Means of GPS/INS and Navigation Marks/ A. Mochalov, M. Rechel// Proc. of The First European Symp. on GNSS, Munich, Germany, 21-25 Ahril, 1997. Munich, 1997. -PP. 26-36.

26. Тупысев, В.А. Выявление деформаций железнодорожного пути с использованием измерений вариаций трассы/ В.А. Тупысев, И.Б. Вайсгант// Матер. II С.-Петерб. междун. конф. по гироскоп, техн. и навиг. СПб.: ЦНИИ "Электроприбор", 1995. - 4.1. - С. 195-201.

27. Мочалов, A.B. Инерциальные методы и средства динамических измерений параметров движения и деформаций объектов: дис. . докт. техн. наук.: 05.11.03: защищена 19.03.02/ Мочалов Андрей Владимирович. СПб., 2002.-298 с.

28. Гупалов, В.И. Инерциальные методы и средства определения параметров движения объектов и свойств рельсового пути: учеб. пособие/ В.И. Гупалов, А.В. Мочалов, A.M. Боронахин. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2003. - 144с.

29. Исследование интегрированной системы навигации на рельсовом пути/ A.M. Боронахин и др.// Интегрирован, инерциально-спутник. системы навигации: сб. ст. и докл./ ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор». - СПб.,2001. С.181-197.

30. Rechel, М. Integrated System for Navigation on Railway Tracks/ M. Rechel// Proc. on Symposium Gyro Technology, Stuttgart, Germany, 19 -20 Sept., 2001. -Stuttgart, 2001.-PP. 17.0-17.18.

31. Боронахин, A.M. Инерциальные методы и средства измерений геометрических параметров рельсового пути: дис. . канд. техн. наук: 05.11.03: защищена 15.10.02/ Боронахин Александр Михайлович. СПб,2002.- 160 с.

32. Боронахин, A.M. Навигация на рельсовом пути/ A.M. Боронахин, А.В. Мочалов// Навигация и управление движением: сб. докл. II науч.-техн. конф. молодых ученых, г.Санкт-Петербург, 28-30 марта 2000 г. СПб., 2000. -С.251-258.

33. Боронахин, A.M. Результаты экспериментальных исследований системы навигации на рельсовом пути/ A.M. Боронахин// Навигация и управление движением: сб. докл. III науч.-техн. конф. молодых ученых, г. Санкт-Петербург, 2001 г. СПб., 2001. -С.206-213.

34. Пат. № 2242554 Россия. Способ измерения просадки рельсовых нитей/ Боронахин A.M., Гупалов В.И., Казанцев А.В., Карпасов С.А. № 2003102519; заявл. 24.01.2003; опубл.20.12.2004, Бюл. №35. - 4 с.

35. Бесхордовый инерциальный метод измерения неровностей в продольной вертикальной плоскости рельсовых нитей/ Боронахин A.M., Гупалов В.И., Казанцев А.В. и др.// Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Сер.

36. Приборостроение и информ. технологии».- СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2004. -№1.-С. 24-29.

37. Лукьянов, Д.П. Лазерные инерциальные системы: учеб. пособие/ Д.П. Лукьянов, A.B. Мочалов, Ю.В. Филатов. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 1995.-157с.

38. Вайсгант, И.Б. Принципы построения инерциальных навигационных систем: учеб. пособие/ И.Б. Вайсгант, A.B. Мочалов, A.A. Одинцов. Л.: Изд-во ЛЭТИ, 1984.-48с.

39. Бранец, В.Н. Введение в теорию бесплатформенных инерциальных навигационных систем/ В.Н. Бранец, И.П. Шмыгелевский. М.: Наука, 1992.-280с.

40. Ривкин, С.С. Определение параметров ориентации объекта бесплатформенной инерциальной системой/ С.С. Ривкин, З.М. Берман, И.М. Окон. СПб., 1996. - 224с.

41. Гупалов, В.И. Проектирование систем угловой ориентации на лазерных гироскопах: метод, указания к курсовому проекту по дисциплине "Проектирование и конструирование устройств АСНУ'7 В.И. Гупалов. -СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 1998. 32с.

42. Дружинин, Ю.А. Статистический анализ и синтез путеизмерительных систем/ Ю.А. Дружинин, Ю.Г. Вадужев// Расчет, проектирование и конструирование железнодорожных машин: сб. науч. тр./ С.Петерб. гос. ун-т. путей сообщ. СПб., 2003. - 45с.

43. Пат. № 2240244 Россия. Способ измерения путеизмерительным вагоном жесткости рельсового пути/ Боронахин A.M., Гупалов В.И., Мочалов A.B., Казанцев A.B. № 2002132852; заявл. 28.11.2002; опубл.20.11.2004, Бюл. №32.-2 с.

44. Федотов, Г.А. Инженерная геодезия: учебник/ Г.А. Федотов. — 2-е изд., исправл. — М.: Высш. шк., 2004. 463 с.

45. Дмитриев, С.П. Инерциальные методы в инженерной геодезии/ С.П. Дмитриев. СПб.: ГНЦ РФ - ЦНИИ «Электроприбор», 1997. - 208с.

46. Инерциальные навигационные системы морских объектов/ Д.П. Лукьянов и др.. Л.: Судостроение, 1989.

47. Степанов, O.A. Применение теории нелинейной фильтрации в задачах обработки навигационной информации/ O.A. Степанов. СПб.: ГНЦ РФ -ЦНИИ "Электроприбор", 1998. - 370с.

48. Пат. № 2243505 Россия. Способ коррекции датчика пройденной дистанции/ Боронахин A.M., Гупалов В.И., Казанцев A.B. №2003107775; заявл. 12.03.2003; опубл.27.12.2004, Бюл. №36. -4 с.

49. Крейнис, 3.JI. Состояние железнодорожного пути. Методы определения, анализа, прогнозирования: учебное пособие/ 3.JI. Крейнис. М.: Транспорт, 1988.

50. Анализ хордовых методов измерения геометрических параметров рельсового пути1. Мочалов A.B.)

51. Выполним более подробный анализ погрешностей хордового метода и возможностей использования для комплексирования полученных с его помощью результатов измерений.