способ оценки состояния рельсового пути с построением трехмерной спектральной карты

Формула изобретения

1. Способ оценки состояния рельсового пути, при котором перемещают вдоль рельсового пути измерительное устройство и регистрируют очертания рельсов, отличающийся тем, что осуществляют скользящий спектральный анализ регистрируемых очертаний, при этом определяют интенсивности гармонических составляющих как функции от скользящей координаты пути и длины волны и по ним выявляют скорости вагонов при различной их загрузке и координаты пути, для которых возможно возникновение резонанса, и формируют трехмерную спектральную карту исследованного участка пути.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве измерительного устройства используют вагон-путеизмеритель, а в качестве скользящей координаты - координату перемещающегося вагона-путеизмерителя.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что регистрацию очертаний осуществляют для обеих рельсовых нитей, а скользящий спектральный анализ производят по гармонически сопряженным функциям путем получения спектра комплексной координаты пар рельсов и/или пар параметров очертаний одной рельсовой нити.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что спектральную карту исследуемого участка пути формируют в цвете.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что с помощью спектральной карты строят скоростные профили участка пути, оптимальные с точки зрения резонансной безопасности.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта и предназначено для контроля и оценки состояния рельсовых путей.

Известен способ контроля неровностей рельсового пути, предусматривающий, в частности, использование для каждой рельсовой нити установленных на раме тележки вагона датчиков вертикальных ускорений рамы и вертикальных перемещений букс относительно рамы, по параметрам сигналов которых вычисляют сначала вертикальные траектории букс, а затем - вертикальные неровности рельсового пути (RU 2134319 С1, Е 01 В 35/06, 10.08.1999; RU 2035534 C1, E 01 В 35/06, 20.05.1995).

Недостаток известного способа определяется невысокой точностью оценки, обусловленной существенными погрешностями производимых линейных измерений.

Известен также способ контроля состояния рельсового пути, заключающийся в определении географических координат места старта вагона-путеизмерителя по данным спутниковой навигационной системы и запоминании их совместно с априорным значением, а также измерении в процессе движения вагона-путеизмерителя циклически и асинхронно значений пройденного пути, силовых факторов динамического взаимодействия подвижного состава и рельсового пути, высоты неровностей на поверхности катания рельсов, углов ориентации вагона-путеизмерителя в географической системе координат и ускорений в направлении осей связанной системы координат этого вагона (RU 2114950 C1, E 01 В 35/00, 10.07.1998).

Известный способ позволяет измерять истинные геометрические параметры рельсового пути с повышенной точностью и достоверностью при движении вагона-путеизмерителя со скоростью до 250 км/ч. Однако его недостаток связан со сложностью практической реализации.

Наиболее близким к предложенному является способ оценки состояния рельсового пути, при котором перемещают вдоль рельсового пути измерительное устройство, регистрируют очертания рельсовых нитей и определяют дефектность пути статистико-коррелляционным методом (Балух Хенрик, Диагностика верхнего строения пути, М., Транспорт, 1981, с.146-193).

Недостаток указанного способа состоит в том, что он не позволяет определять резонансно-опасные участки рельсового пути.

Следует отметить, что железнодорожный экипаж, являясь подрессоренной массой и, следовательно, представляя из себя сложный механический колебательный контур, обладает ансамблем собственных колебательных частот, зависящих как от механических характеристик этого экипажа (т.е. его типа, степени износа основных механических узлов и т.п.), так и от его загрузки.

При движении по неровностям пути, в спектре которых кроме "белого" шума могут присутствовать гармонические составляющие очертаний рельсовых нитей, этот экипаж на определенной скорости движения может попасть в резонанс с этими гармониками, что, в свою очередь, может привести к таким неприятным явлениям, как интенсивное килевое и бортовое раскачивание экипажа, его галлопирование, сапорасцеп и, в худшем случае, - самосход.

Задачей изобретения является обеспечение резонансной безопасности движения железнодорожных составов за счет спектрального исследования неровностей протяженного участка пути (скользящего спектрального анализа для локализации таких гармонических составляющих и их интенсивностей как по месту (км, километропикет), так и длине волны (в метрах).

Поставленная цель достигается тем, что в способе оценки состояния рельсового пути, при котором перемещают вдоль рельсового пути измерительное устройство и регистрируют очертания рельсовых нитей, осуществляют скользящий спектральный анализ регистрируемых очертаний, при этом определяют интенсивности гармонических составляющих как функции от скользящей координаты пути и длины волны и по ним выявляют скорости вагонов при различной их загрузке и координаты пути, для которых возможно возникновение резонанса, и формируют трехмерную спектральную карту исследуемого участка пути.

Решению поставленной задачи способствуют также частные существенные признаки изобретения.

В качестве измерительного устройства используют вагон-путеизмеритель, а в качестве скользящей координаты - координату перемещающегося вагона-путеизмерителя.

Регистрацию очертаний осуществляют для обеих рельсовых нитей, а скользящий спектральный анализ производят по гармонически сопряженным функциям путем получения спектра комплексной координаты пар рельсов и/или пар параметров очертаний одной рельсовой нити.

Спектральную карту исследуемого участка пути формируют в цвете.

С помощью спектральной карты строят скоростные профили участка пути, оптимальные с точки зрения резонансной безопасности.

На фиг.1 представлена общая структура реализации предложенного способа, включающая в себя последовательно соединенные измерительное устройство (вагон-путеизмеритель) 1, анализатор спектра 2 регистрируемых очертаний рельсовых нитей, узел формирования 3 трехмерной спектральной карты исследуемого участка пути, узел вычисления 4 резонансных скоростей и узел скоростной маршрутизации 5.

На фиг.2 приведена спектральная карта участка пути.

Предложенный способ осуществляется следующим образом.

Вдоль рельсового пути перемещают вагон-путеизмеритель 1 и регистрируют очертания рельсовых нитей. Далее с помощью анализатора спектра 2 осуществляют скользящий спектральный анализ регистрируемых очертаний и определяют интенсивности I гармонических составляющих как функции от скользящей координаты пути (x) и длины волны ():I = S(x,). В основе анализа лежит алгоритм быстрого преобразования Фурье со скользящим аргументом вдоль пути (вдоль оси X).

Найденные интенсивности I гармонических составляющих позволяют с помощью узла формирования 3 построить трехмерную спектральную карту неровностей исследуемого участка пути, которая, в свою очередь, дает возможность ответить на вопрос: на каком километре протяженного участка пути присутствует гармоника, какой длины волны и какова ее интенсивность?

К примеру, установлено, что на 110-километровом участке Москва-Бородино на 51-м километре присутствует ярко выраженная гармоника с длиной волны 6,3 м и амплитудой (интенсивностью) 3 мм.

Это знание позволяет в узле вычисления 4 рассчитать такие скорости для различных типов вагонов (и их загрузки), при которых движение по этому участку приведет к возникновению явления резонанса. Знание резонансных кривых вагонов (их добротности) дает возможность вычислить величины резонанса.

Таким образом, настоящее изобретение касается в первую очередь вопросов безопасности движения, причем, если путейцев этот вопрос интересует с точки зрения ранней диагностики пути и планирования и распределения ресурсов ремонтных бригад и техники, то движенцам обладание спектральными картами пути позволит с помощью узла 5 осуществлять "скоростную маршрутизацию" движения, как локальную (построение скоростных профилей V(s) по данному маршруту, оптимальному с точки зрения резонансной безопасности движения, так и стратегическое планирование движения (вплоть до изменения расписания).

Кроме того, движение на резонансной скорости, очевидно, вредно с точки зрения более интенсивного износа как вагонного парка, так и самого пути. В самом деле, сильно раскачивающийся экипаж испытывает повышенные динамические нагрузки на все свои конструкции, в том числе на осевые подшипники, колесные пары, головки рельсов и т.д., а с другой стороны по закону о действии, равном противодействию, более интенсивные нагрузки испытывает и путь (при движении в резонанс), что ведет к уменьшению межремонтных сроков и увеличению эксплуатационных затрат. Ну и, наконец, все эти явления требуют излишнего энергопотребления, что, в свою очередь, ведет к пережогу.

Следовательно, наряду с безопасностью, актуальность данного изобретения касается и вопросов ресурсоснабжения, среди которых можно выделить:

- уменьшение износа вагонного парка;

- увеличение межремонтных сроков эксплуатации железнодорожного пути;

- увеличение энергосбережения;

- уменьшение общих эксплуатационных затрат.

Еще раз подчеркнем, что существующие на сегодняшний день амплитудный метод анализа очертаний по ограничениям и метод среднеквадратичного отклонения (а также его разновидность - скользящее среднеквадратичное отклонение) являются соответственно слишком локальным и слишком глобальным (статистическим) и потому не дающим необходимую информацию в изложенном выше контексте. К тому же оба метода вообще не решают задачи определения спектра, а значит, наличия гармонических составляющих и резонансной опасности.

В известных технических решениях по анализу спектра (очертаний рельсовых нитей) рассматривались только стационарные спектры небольшого локально-изолированного участка пути длиной около одного километра (в основном до 1 км).

В данном же случае впервые осуществлена обработка участка в 110 км (с частотой дискретизации в 47 см - более 220 тыс. отсчетов) методом непрерывного скользящего спектрального анализа. По нему построена спектральная карта и 3-мерный спектральный ландшафт. Так же впервые посезонно (четырехкратно) обработан участок с идущим ремонтом длиной около 250 км (общий объем обработки - около 1000 км) и выявлены сезонные изменения, а также течение ремонта.

До сих пор в исследованиях использовался один небольшой участок (до 1 км) со спектральным масштабом от 512 до 1024 отсчетов (размер октавы: 2⁹ - 2¹⁰), что является достаточно трудоемким вычислительным процессом с точки зрения затрат машинного времени. Несмотря на это, впервые произведена обработка протяженного участка пути (от 110 км) со спектральным масштабом от 2048 (размер октавы: 2¹¹) и более отсчетов, что предопределяет увеличение вычислительной трудоемкости на более чем 2 порядка, но, как следствие, и увеличение разрешающей способности спектрального анализа и позволяет выявить более тонкие структурные различия в спектральной картине на непрерывном массиве данных.

Впервые проведен скользящий спектральный анализ по гармонически сопряженным функциям - получен спектр комплексного аргумента пар, например: левая просадка - правая просадка и т.п.

Благодаря оригинальной технологии обработки случайных величин (многомерный факторный анализ) впервые построена карта распределения вероятностей интенсивности в спектральном поле (по оси X) и распределения вероятностей отзывов по добротности единичного демпфированного осциллятора (по оси ).

Опять же впервые по результатам скользящего спектрального анализа получен объемный спектральный рельеф, в том числе - объемное изображение в пространстве этого рельефа с возможностью нарезания его по изолиниям и последующего построения топограмм, облета этого рельефа в пространстве на компьютере (мультимедийный мультфильм).

По результатам скользящего спектрального анализа по гармонически сопряженным функциям получены цветные объемные спектральные карты, на которых в трех различных слоях RGB-пространства отражены 3 различных источника гармонических составляющих, где потом этот цветной ковер нанесен на серый рельеф. Благодаря полученной объемной совокупной спектральной карте можно идентифицировать не только наличие и интенсивность гармоник в данном месте железнодорожного пути, но и определить по цвету степень вклада в этом месте того или иного источника (скажем, левой или правой просадки и т.п.).