Вагон-путеизмеритель ЦНИИ-4, назначение, принцип работы
Вагон-путеизмеритель
Вагон-путеизмеритель. Внедрение вагонов-путеизмерителей ЦНИИ-4 начато с 1995 г. По сравнению с путеизмерителем ЦНИИ-2 он контролирует большее число параметров с рабочей скоростью до 160 км/ч, системой оптических бесконтактных датчиков и гироскопической системой с датчиками углов крена, галопирования, азимутального направления и ускорений.
Решаемые задачи и технология использования ЦНИИ-4 и I ЦНИИ-2 различны.
Вагон-путеизмеритель ЦНИИ-4 предназначен для контроля ширины колеи, уровня, просадок и дополнительных параметров состояния рельсовой колеи: уклона, перекосов на базе кузова и тележки, неровностей в профиле и плане длиной до 200 м; съемки параметров профиля и параметров устройства кривых участков пути; контроля отклонения от проектного положения пути в плане и профиле, «привязки» результатов измерений к абсолютной системе отсчета (местоположению реперных точек); оценки соответствия параметров устройства пути требованиям, предъявляемым к пути данного класса; соответствия установленных скоростей движения фактическим параметрам устройства пути; оценки соответствия фактических параметров пути после окончания ремонтных работ проектным характеристикам; выявления участков, требующих производства ремонтных работ и их предпроектного обследования.
Вагон-путеизмеритель обеспечивает измерение и контроль: просадок каждой рельсовой нити в вертикальной плоскости с погрешностью не более +/-1 мм в диапазоне 0-40 мм; взаимного положения рельсовых нитей по высоте (уровня) с погрешностью не более +1/-4 мм в диапазоне +/-160 мм; отклонения уровня (перекосы и плавные отклонения) с погрешностью не более +/-1,5 мм в диапазоне 0-40 мм; ширины рельсовой колеи (шаблона) с погрешностью не более +/-1 мм в диапазоне 1510-1550 мм; перекосов пути на длине, равной базе тележки (коротких перекосов) с погрешностью не более +/-1 мм в диапазоне 0-30 мм; перекосов пути на длине, равной базе кузова вагона (длинных перекосов) с погрешностью не более +/-1 мм в диапазоне 0-50 мм; уклона продольного профиля пути с погрешностью не более +/-0,3‰ в диапазоне +/-50‰; положения реперных точек с погрешностью не более +/-1м; горизонтальных и вертикальных ускорений кузова; длины пройденного пути, с погрешностью не более +/-0,5м на 1 км пройденного пути.
В состав ЦНИИ-4 входит аппаратно-программный контрольно-вычислительный комплекс (КВК) (рис. 9), который включает в себя: датчиковую аппаратуру; информационную магистраль с согласующими устройствами, вспомогательный комплекс из трех ПЭВМ, объединенных в локальную есть, со специальным программно-математическим обеспечением (СПМО), систему отображения, регистрации и документирования, систему электропитания.
Рис.9. Структурная схема аппаратно-программного контрольно-вычислительного комплекса Вагон-путеизмеритель ЦНИИ-4
Принцип действия КВК основан на сборе по заданной программе информации с датчиков, приведении ее с помощью согласующих устройств к единому формату и выдаче на ПЭВМ для дальнейшей обработки.
Датчиковая аппаратура обеспечивает измерение первичных характеристик рельсовой колеи и параметров движения.
В комплект датчиков входят: оптические датчики ширины колеи (ШК) — 2 шт.; оптические датчики вертикальных и горизонтальных перемещений головки рельса относительно кузова (РК) — 2 шт.; гироскопическая система с датчиками углов крена, талонирования, азимутального направления и ускорений; спутниковая навигационная система GPS; датчики вертикального перемещения букс относительно кузова (БК) — 6 шт.; датчик пройденного пути (Д1 III); датчики вертикального и поперечного ускорения букс (ВУБ и ПУБ) — 4 шт.
Датчиковая аппаратура размещается на корпусе вагона, на буксах колесных пар и на балках ходовых тележек. В состав системы оптических датчиков (СОД) входят датчики ШК для измерения расстояния между внутренними поверхностями головок рельсов — датчик ширины колеи и датчики РК—для измерения вертикальных и горизонтальных расстояний от кузова вагона до рельса.
Датчики ШК устанавливаются над каждым рельсом на неподрессоренной поперечной балке ходовой тележки.
Датчик ШК состоит их двух основных частей — осветительной и приемной. Функция осветителя заключается в формировании на боковой поверхности головки рельса (ниже УГР на 13±2 мм) светового пятна. Световой поток, отраженный от рельса, принимается объективом приемной системы, который формирует изображение светового пятна в плоскости приемника лучистой энергии.
При отклонении рельса относительно датчика ШК изображение светового пятна также перемещается. В результате каждому новому положению рельса соответствует свое положение изображения светового пятна.
В датчике ШК подсветка внутренней боковой поверхности головки рельса осуществляется за счет расположения оптического отражающего элемента ниже УГР. В качестве отражающего элемента используется прямоугольная призма полного внутреннего отражения.
Существенным недостатком данной схемы является слабая защищенность кронштейна поворотной призмы от механических повреждений и загрязнение выходного иллюминатора осветителя.
В целях исключения указанного недостатка была применена принципиально новая схема осветителя. В данном осветителе (ШКМ) на рельс в поперечном направлении проецируется световая полоса, длина (К) которой перекрывает возможный диапазон перемещений рельса относительно датчика.
Плоскость распространения световой полосы расположена под углом, а к плоскости нормали УГР. Плоскость, определяемая ПЗС-линейкой и оптической осью объектива приемной части датчика ШК, расположена перпендикулярно продольной оси рельса.
При такой конфигурации за счет выбора высоты подвеса датчика ШК относительно УГР и угла, а можно получить единственную точку, одновременно принадлежащую осветительной, и приемной плоскостям и боковой поверхности головки рельса. Конструктивные параметры датчика ШК обеспечивают положение этой точки ниже уровня УГР на 13±2 мм.
Частота съема информации — 250 Гц, что соответствует отсчетам через 0,16 м пути при скорости движения вагон-путеизмеритель 144 км/ч.
Для измерения вертикальных и горизонтальных расстояний от кузова вагона до рельса применяется оптическая схема датчика РК «рельс-кузов».
Каждый канал состоит из источника оптического излучения, осветительного объектива проецирующего световой поток источника в световое пятно на головке рельса, и сканирующего зеркала, закрепленного на оси двигателя.
При вращении зеркала световое пятно сканирует область возможного нахождения головки рельса. Момент прохождения сканирующим лучом радиусной части головки рельса фиксируется приемной системой (датчик ПРК), состоящей из формирующей оптической системы и фотоприемника.
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 вагон-путеизмеритель 144 км/ч при точности ±2,5 мм.
Кроме датчиков ШК и РК в состав СОД входит пульт управления (ПУ СОД), который служит для обеспечения работоспособности датчиков, принимает от них первичную информацию, обрабатывает ее и передает в ПЭВМ №1 КВК.
Контрольно-вычислительный комплекс путеизмерителя осуществляет: обработку информации, полученной путеизмерителем в реальном и нереальном масштабе времени и вывод результатов на дисплеи, высокоскоростной принтер, магнитный носитель, запись в графическом виде после поездки результатов первичных измерений параметров пути (выбор параметров и масштаба записи осуществляется оператором).
Расчетное быстродействие КВК обеспечивает выполнение измерительных и контрольных функций при скорости движения до 200 км/ч. Установленные в вагоне три ПЭВМ имеют различное назначение.
ПЭВМ-1 на стоянке обеспечивает тарировку датчиков и измерительных каналов. В процессе движения производит прием измерений от всех типов датчиков, первичную обработку измерений, контроль работоспособности измерительных каналов. Отображение на экране дисплея в цифровом и графическом виде параметров пути и показаний датчиков, запись на магнитный носитель.
ПЭВМ-2 решает задачи ведения базы данных (априорные данные о пути, маршруты поездок и т.д.), осуществляет прием информации о параметрах пути от ПЭВМ-1 и их расшифровку, производит оценку состояния рельсовой колеи по основным параметрам пути в соответствии с действующим ТУ.
Выдает на экран дисплея и документирует информацию об опасных отступлениях, ограничениях скоростей движения, дает оценку километров, обслуживаемых подразделениями, непосредственно после их проезда.
ПЭВМ-3 оборудована интерфейсной платой связи с гироскопической системой. Связь со спутниковой навигационной системой GPS применяется для определения точных географических координат путеизмерителя с целью ввода в качестве начальных установок в гидросистему.
Гидросистема служит постоянным и точным источником данных о положении путеизмерителя, используемых при вычислении геометрических параметров железнодорожного пути. Программный пакет определяет полису управления узлами гидросистемы и порядок сбора данных.
По результатам поездки проводится, анализ изменения состояния рельсовой колен, формирование и печать графиков и ведомостей, применяемых подразделениями путевого хозяйства при планировании путевых ремонтных работ.