Библиографическое описание:

Малинин С. С. Исследование возможности создания системы оповещения о сходе вагона // Молодой ученый. — 2012. — №6. — С. 36-38.

Попытки создания системы определения потери контакта с рельсом на Горьковской железной дороге была предпринята в середине 90-х годов прошлого столетия. Руководили работами профессор Меркулов В.И. и к.т.н. Мисевич В.Н. В процессе исследований проводились эксперименты, целью которых было определение параметров для регистрации момента схода вагона. Было разработано устройство для создания условий схода вагона. Оно состояло из двух частей, одна из которых устанавливалась на рельс в том месте, где вагон должен сойти с рельсов, а вторая устанавливалась на вагон, подлежащий сходу. Это позволяло остальным вагонам свободно проходить над устройством. На буксе локомотива (электровоз ВЛ-80с) был установлен трехкомпонентный акселерометр, защищенный от повреждений. Эксперименты проводились на полигоне ст. Ильино. Так как участок пути, на котором проводились эксперименты, был неэлектрофицирован, то поезд состоял из тепловоза, электровоза, динамометрического вагона, в котором была установлена аппаратура и располагалась испытательная бригада, и 20, 30 грузовых вагонов. В ходе экспериментов было установлено, что наибольшие ускорения при сходе вагона имеют вертикальное направления. Однако сопутствующие колебания различных частей колесно-моторного блока и от встречи со стыками рельс не дают возможности идентифицировать сход непосредственно по величине вертикального ускорения. Для установления соответствия пика ускорения сходу вагона надо было установить диапазон частот, в которых наблюдается рост ускорения во время схода, а для этого необходим спектральный анализ процесса колебаний в точке установки акселерометра. Для этого применялось быстрое преобразование Фурье (БПФ).

Этой группой исследователей в результате анализа спектров было установлено, что наиболее существенные отличия спектров колебаний до схода вагона и после наблюдаются в диапазоне частот 100 – 140 Гц. Во время испытаний варьировалось расстояние от места схода до буксы с датчиком путем изменения номера вагона, исчисляя от локомотива (10 – 30). Отмечалось, что эти спектры существенно отличались как качественно, так и количественно только в том случае, если расстояние между точкой схода и буксой с датчиком 75 – 100 м. Считалось, что отличие аппаратно может быть установлено на расстоянии до 200 м. Было также установлено, что наибольший вклад в создание колебаний шпально-рельсовой решетки вносит первое колесо передней тележки вагона при его движении после схода.

К участию в этих испытаниях была привлечена группа сотрудников Службы технической политики Управления ГЖД во главе с профессором Звягиным А.Д. Эта группа устанавливала пьезоакселерометры на буксе электровоза и тепловоза. Процессы колебаний в виде изменения ускорений во времени записывались на измерительный магнитофон датской фирмы Брюль и Къер. Этой группой в результате анализа спектров для идентификации схода вагона была принята частота встречи колеса со шпалами после схода. Так в этом диапазоне частот амплитуды ускорения, вызванные другими причинами, больших пиков не имеют. Так, например, при сходе вагона на скорости 30 км/час частота встречи колеса со шпалами будет равна:

(1)

где – частота встречи колеса со шпалами, Гц;

v – скорость движения, м/с;

d – расстояние между серединами шпал, м.

На рис. 1 приведены наложенные друг на друга два спектра: спектр при движении вагона по рельсам и после схода по шпалам со скоростью ~32км/час.

Рис. 1. Спектры БПФ с буксы локомотива

На частоте ~17 Гц, что соответствует расчету по формуле (1), в спектре после схода виден пик ускорения, существенно отличающийся от ускорений при движении по рельсам. Очевидно, что этот пик ускорений возникает в результате колебаний шпально-рельсовой решетки под действием периодических сил удара колеса вагона о шпалы.

Расчетные формулы для колебания рельса под действием гармонической силы были получены Тимошенко С.П. В их числе приведена формула скорости изгибной волны рельса при упомянутом воздействии силы:

(1)

где

E=20,6 Н/м2 – модуль упругости материала рельса;

I= 170,8 м4 – момент инерции площади поперечного сечения профиля рельса;

m=65 – погонная масса рельса со шпалой;

λ – круговая частота возмущающей силы;

v – скорость движения поезда. м/с;

d≈0,53 м – расстояние между серединами шпал, м.

Зная скорость движения поезда и скорость изгибной волны можно определить скорость сигнала, а, следовательно, и время прохождения сигнала от места схода вагона до пъезодатчика. Расчеты скорости сигнала в зависимости от скорости движения поезда сведены в таблицу 1.

Таблица 1

NN

п/п

Скорость состава, км/час

Круговая частота

волны

, с-1

Скорость

волны, св, м/с

Скорость

сигнала,

vc, м/с

1

21,9 (6,083 м/с)

72,35

8,506

129,7

123,6

2

32,0(8,9 м/с)

105,5

10,3

156,6

147,7

2

50 (13,89 м/с)

163,72

12,795

195,1

181,2

3

55 (15,28 м/с)

179,47

13,4

204,3

189,0

4

60 (16,67 м/с)

196,44

14,016

213,7

197,1

5

70 (19,44 м/с)

229,16

15,14

230,8

211,4

Аппроксимация зависимости скорости сигнала от скорости состава в пределах 100 км/час:

vc=30v0,452 (2)

где v – скорость локомотива (состава) в км/час,
vc – скорость сигнала в м/с.

Как видно из расчета скорость волны намного выше скорости движения состава и она догоняет колесо локомотива, на буксе которого установлен датчик. При проведении эксперимента устанавливались две вехи: одна у места схода, а вторая по ходу поезда на расстоянии между вагоном, подлежащим сбросу, и динамометрическим вагоном. Это давало возможность засечь время прохождения сигнала от момента сброса вагона до его появления на мониторе. Так, например, при сходе 10 вагона указанное расстояние было ~152,5 м. Скорость движения была ~30 км/час. Зафиксированное время прохождения сигнала составило 1с, т.е. скорость сигнала для этой скорости поезда была ~150 м/с. Эта скорость хорошо совпадает с данными таблицы 1 и с расчетом по формуле 2.

Таким образом, если принять частоту встречи колеса со шпалой, на которой можно идентифицировать сход вагона, то величина сигнала о сходе в виде пика ускорения на этой частоте значительно превышает все остальные пики. Однако с удалением вагона, сброшенного с рельс от датчика, пик ускорения в спектре БПФ снижается.

Эта проблема во многом снимается, если заменить спектр, полученный с помощью БПФ, на спектр Берга, который отражает собой мощность сигнала. На рис. 2 показан спектр Берга при сходе 20-го вагона на скорости 35 км/час, а на рис. 3 спектр Берга при сходе 30-го вагона. В первом случае пик превышает окружающие в 8 раз, а во втором больше в два с лишним раза.

Рис. 2. Спектр Берга при сходе вагона на скорости 35км/ч

Рис. 3. Спектр схода вагона на скорости 35км/ч

Таким образом, применение спектра Берга в системе определения схода вагона может существенно увеличить её чувствительность.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle