RU2676176C1 - Method of state control of a long object and device for its implementation for railway - Google Patents
Method of state control of a long object and device for its implementation for railway Download PDFInfo
- Publication number
- RU2676176C1 RU2676176C1 RU2017138070A RU2017138070A RU2676176C1 RU 2676176 C1 RU2676176 C1 RU 2676176C1 RU 2017138070 A RU2017138070 A RU 2017138070A RU 2017138070 A RU2017138070 A RU 2017138070A RU 2676176 C1 RU2676176 C1 RU 2676176C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- rail
- measuring
- information
- input
- optical
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 65
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 70
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 claims abstract description 47
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 30
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 28
- 238000007654 immersion Methods 0.000 claims abstract description 19
- 230000009974 thixotropic effect Effects 0.000 claims abstract description 11
- 238000010276 construction Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 89
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims description 44
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 37
- 239000011152 fibreglass Substances 0.000 claims description 36
- 230000007547 defect Effects 0.000 claims description 27
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims description 21
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims description 21
- 238000005452 bending Methods 0.000 claims description 18
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 claims description 18
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims description 17
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 16
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 15
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 13
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims description 12
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 12
- 239000011253 protective coating Substances 0.000 claims description 9
- 239000010453 quartz Substances 0.000 claims description 9
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims description 9
- 230000003321 amplification Effects 0.000 claims description 8
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 8
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 8
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 8
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 claims description 8
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 8
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 7
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 claims description 7
- 238000001845 vibrational spectrum Methods 0.000 claims description 7
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 6
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 claims description 6
- 229920000728 polyester Polymers 0.000 claims description 6
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims description 5
- 230000006378 damage Effects 0.000 claims description 5
- 239000003292 glue Substances 0.000 claims description 5
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 claims description 5
- 229920001651 Cyanoacrylate Polymers 0.000 claims description 4
- MWCLLHOVUTZFKS-UHFFFAOYSA-N Methyl cyanoacrylate Chemical compound COC(=O)C(=C)C#N MWCLLHOVUTZFKS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 4
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 4
- 229920000515 polycarbonate Polymers 0.000 claims description 4
- 239000004417 polycarbonate Substances 0.000 claims description 4
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000013519 translation Methods 0.000 claims description 4
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims description 3
- 230000004044 response Effects 0.000 claims description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 2
- 238000005192 partition Methods 0.000 claims description 2
- 230000035939 shock Effects 0.000 claims description 2
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 abstract description 8
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 abstract description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 238000005065 mining Methods 0.000 abstract description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 230000016732 phototransduction Effects 0.000 abstract 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 25
- 230000006870 function Effects 0.000 description 14
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 10
- 238000005399 mechanical ventilation Methods 0.000 description 8
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 6
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 4
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 description 4
- 229920004482 WACKER® Polymers 0.000 description 3
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 3
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 3
- 229920000139 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 description 3
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 238000010219 correlation analysis Methods 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 2
- 230000003137 locomotive effect Effects 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 2
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 description 2
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 2
- 230000008439 repair process Effects 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 2
- 230000036962 time dependent Effects 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- PXFBZOLANLWPMH-UHFFFAOYSA-N 16-Epiaffinine Natural products C1C(C2=CC=CC=C2N2)=C2C(=O)CC2C(=CC)CN(C)C1C2CO PXFBZOLANLWPMH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920004936 Lavsan® Polymers 0.000 description 1
- 102000010410 Nogo Proteins Human genes 0.000 description 1
- 108010077641 Nogo Proteins Proteins 0.000 description 1
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 1
- NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N acrylic acid group Chemical group C(C=C)(=O)O NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 1
- 230000006399 behavior Effects 0.000 description 1
- 238000012790 confirmation Methods 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 238000009472 formulation Methods 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 230000009931 harmful effect Effects 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 230000007257 malfunction Effects 0.000 description 1
- 238000000386 microscopy Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 1
- -1 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 description 1
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 description 1
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 1
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 1
- 238000013024 troubleshooting Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
- G01B11/16—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E01—CONSTRUCTION OF ROADS, RAILWAYS, OR BRIDGES
- E01B—PERMANENT WAY; PERMANENT-WAY TOOLS; MACHINES FOR MAKING RAILWAYS OF ALL KINDS
- E01B35/00—Applications of measuring apparatus or devices for track-building purposes
- E01B35/06—Applications of measuring apparatus or devices for track-building purposes for measuring irregularities in longitudinal direction
- E01B35/10—Applications of measuring apparatus or devices for track-building purposes for measuring irregularities in longitudinal direction for aligning
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Architecture (AREA)
- Civil Engineering (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для контроля состояния длинномерных объектов, а именно протяженных грузонесущих конструкций в виде рельсовой колеи железнодорожного полотна местных и магистральных железных дорог, метрополитена, горнорудного и строительного производства, а также подвижного состава, перемещающегося по этим конструкциям. Физико-механические характеристики таких длинномерных объектов, прежде всего геометрия в пространстве, распределения действующих нагрузок, полей вибраций и температуры контролируются вдоль заданной координаты, обычно продольных осей рельсовых нитей.The invention relates to control and measuring equipment and can be used to monitor the condition of long objects, namely, long load-bearing structures in the form of a rail track of local and main railways, subways, mining and construction, as well as rolling stock moving along these structures . The physicomechanical characteristics of such long objects, primarily the geometry in space, the distribution of the acting loads, vibration fields and temperature are controlled along a given coordinate, usually the longitudinal axes of rail threads.
Согласно заявленному способу изготавливают специальный информационно-измерительный оптоволоконный кабель (ИИОК), содержащий группу взаимодействующих между собой стекловолокон, реагирующих на изменения контролируемых распределенных физико-механических параметров. Все стекловолокна помещены в общую светоотражающую оболочку, заполненную тиксотропным иммерсионным гелем. По крайней мере два таких ИИОК закрепляют на внутренней поверхности шейки обоих рельсов железнодорожной колеи, подают в каждый из них оптические импульсы от одного источника волновой энергии, после фотопреобразования и демодуляции выходных сигналов обоих ИИОК, с помощью специальных алгоритмов в вычислительном устройстве получают вышеперечисленные характеристики рельсовой колеи и поезда, на основе анализа которых, принимают решения о их состоянии. Технический результат - повышение точности и селективности контроля за счет расширения диапазона данных при контроле состояния рельсовой колеи бесстыкового железнодорожного пути.According to the claimed method, a special information-measuring fiber-optic cable (IIOC) is made, which contains a group of interacting glass fibers that respond to changes in controlled distributed physical and mechanical parameters. All fiberglass is placed in a common reflective sheath, filled with thixotropic immersion gel. At least two such IIECs are fixed on the inner surface of the neck of both rails of the railway track, optical pulses are supplied to each of them from one wave energy source, after photoconversion and demodulation of the output signals of both IIECs, using the special algorithms in the computing device, the abovementioned rail track characteristics are obtained and trains, based on the analysis of which, make decisions about their condition. The technical result is an increase in the accuracy and selectivity of control by expanding the data range when monitoring the state of the rail track of a jointless railway.
Известно изобретение авторов Ходорковского Я.И., Анучина О.Н., Гусинского В.З., Емельянцева Г.И., описанное в патенте RU №2123445 «Способ и устройство контроля состояния рельсовой колеи», опубликованном 20 декабря 1998 года. Изобретение относится к области средств контроля состояния рельсовой колеи железнодорожного пути с помощью вагонов-путеизмерителей и заключается в следующем.The invention of the authors of Khodorkovsky, Ya.I., Anuchin, O.N., Gusinsky, V.Z., Emelyantsev, G.I., described in patent RU No. 2143445 "Method and device for monitoring the state of the rail gauge", published on December 20, 1998, is known. The invention relates to the field of means for monitoring the state of the rail track of a railway track using track gauges and is as follows.
Согласно данному способу измеряют ширину рельсовой колеи и скорость движения по ней, определяют положение рельсовых нитей по уровню, просадки рельсовых нитей и направление рельсовых нитей в плане, характеризующееся стрелой изгиба рельсовой нити, отличающийся тем, что определяют угловые колебания и координаты буксы колесной пары, характеризуемые матрицей направляющих косинусов углов между системой координат, связанной с буксой колесной пары, и горизонтным координатным трехгранником, по угловым колебаниям и координатам буксы колесной пары с учетом измеренной ширины рельсовой колеи находят координаты точек касания левого и правого колес колесной пары, причем положение рельсовых нитей по уровню выражают в виде разности вертикальных координат точек касания левого и правого колес колесной пары, просадку каждой рельсовой нити выражают в виде разности вертикальных координат точки касания колеса, соответствующих двум моментам времени, отличающимся на временной интервал, определяющий с учетом скорости движения, измерительную базу для определения просадок, при этом для определения направления рельсовых нитей в плане находят составляющие SМe-SМn координат середины М хорды заданной длины и составляющие SAe и SAn координат точки пересечения перпендикуляра, восставленного к хорде в точке М, и траектории рельсового пути, а стрелу изгиба ΔА(t) определяют по соотношению ΔA(t)=(SAe-SMe)2+(SAn-SMn)2.According to this method, the width of the rail track and the speed of movement along it are measured, the position of the rail threads is determined by the level, the subsidence of the rail threads and the direction of the rail threads in the plan, characterized by the arrow of the bend of the rail thread, characterized in that the angular oscillations and the coordinates of the axle box are determined the matrix of the guiding cosines of the angles between the coordinate system associated with the axle box and the horizontal coordinate trihedron, according to angular vibrations and coordinates of the axle box pairs taking into account the measured rail gauge find the coordinates of the points of contact of the left and right wheels of the wheelset, and the position of the rail threads by level is expressed as the difference of the vertical coordinates of the points of touch of the left and right wheels of the wheels, the drawdown of each rail is expressed as the difference of the vertical coordinates of the point touching the wheel, corresponding to two points in time, differing by the time interval, which, taking into account the speed of movement, determines the measuring base for determining drawdowns, while for Determining the direction of the rail threads in the plan, find the components S M eS M n of the coordinates of the middle M chords of a given length and the components S A e and S A n of the coordinates of the point of intersection of the perpendicular recessed to the chord at point M and the trajectory of the rail track, and the bend arrow Δ A (t) is determined by the relation Δ A (t) = (S A eS M e) 2 + (S A nS M n) 2 .
Устройство для контроля рельсовой колеи, реализующее вышеописанный способ, содержащее бортовой компьютер, предназначенный для вычисления положения рельсовых нитей по уровню, просадок рельсовых нитей и направления рельсовых нитей в плане, характеризующегося стрелой изгиба рельсовой нити, связанный с измерителем ширины рельсовой колеи и измерителем скорости движения, отличающееся тем, что оно снабжено установленным на буксе колесной пары инерциальным измерительным модулем, включающим в себя три ортогонально установленных линейных акселерометра и три ортогонально установленных датчика угловой скорости и связанным с бортовым компьютером, который предназначен для вычисления указанных параметров рельсовой колеи по определенным с использованием алгоритма инерциальной навигации координатам точек касания левого и правого колеса колесной пары, середины М хорды заданной длины и точки пересечения перпендикуляра, восставленного к хорде в точке М, и траектории рельсового пути.A device for monitoring the rail gauge that implements the above method, comprising an on-board computer for calculating the position of the rail yarns according to the level, subsidence of the rail yarns and the direction of the rail yarns in plan, characterized by a bending arrow of the rail yarn associated with the gauge of the rail gauge and the speed meter, characterized in that it is equipped with an inertial measuring module mounted on the axle box of the pair of wheels, including three orthogonally mounted linear a celerometer and three orthogonally mounted angular velocity sensors and connected to the on-board computer, which is designed to calculate the specified parameters of the rail track using the coordinates of the points of tangency of the left and right wheelsets, the middle M chords of a given length and the intersection point of the perpendicular restored using the inertial navigation algorithm to the chord at point M, and the trajectory of the rail track.
Главным недостатком данного способа и реализующего его устройства, как и всех технических решений с использованием вагонов-путеизмерителей, является эпизодичность контроля (например, один раз в квартал), что сохраняет высокую вероятность происхождения аварий на железнодорожном транспорте из-за возникновения большого количества дефектов рельсовой колеи и подрельсового основания в периоды отсутствия их контроля.The main disadvantage of this method and the device that implements it, as well as all technical solutions using track gauge wagons, is the frequency of monitoring (for example, once a quarter), which maintains a high probability of the occurrence of accidents in railway transport due to the occurrence of a large number of rail gauge defects and rail base during periods of lack of control.
Также известно техническое решение, описанное в патенте RU №2441788 «Система мониторинга напряжений рельсов» автора Харрисона Харолда (US), опубликованном 27 апреля 2009 года. Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для мониторинга продольных напряжений в бесстыковых железнодорожных стальных путях.Also known is a technical solution described in patent RU No. 2441788 "Rail stress monitoring system" by Harrison Harold (US), published April 27, 2009. The invention relates to instrumentation and can be used to monitor longitudinal stresses in jointless railway steel tracks.
Согласно данному изобретению оно содержит систему, устройство и способ мониторинга напряжения рельса со следующей формулой изобретения:According to this invention, it comprises a system, device and method for monitoring rail voltage with the following claims:
1. Система для мониторинга напряжения рельсов, содержащая:1. A system for monitoring rail stress, comprising:
(a) модуль чувствительных элементов, причем модуль чувствительных элементов дополнительно содержит(a) a sensor module, wherein the sensor module further comprises
(i) по меньшей мере, один датчик, причем, по меньшей мере, один датчик выполнен с возможностью установления прямо на рельсовом звене и дополнительно включает в себя, по существу, плоскую прокладку, имеющую, по меньшей мере, один чувствительный элемент, установленный на ней, и,(i) at least one sensor, and at least one sensor is configured to be mounted directly on the rail link and further includes a substantially flat gasket having at least one sensing element mounted on her and
(ii) по меньшей мере, один модуль сбора данных, находящийся на связи, по меньшей мере, с одним датчиком, и(ii) at least one data acquisition module in communication with at least one sensor, and
(b) модуль обработки данных, причем модуль обработки данных принимает и обрабатывает информацию, собираемую, по меньшей мере, одним модулем сбора данных, чтобы определять напряжение рельса.(b) a data processing module, the data processing module receiving and processing information collected by the at least one data acquisition module to determine a rail voltage.
2. Система по п. 1, дополнительно содержащая передающее средство, находящееся на связи, по меньшей мере, с одним модулем сбора данных для передачи информации в модуль обработки данных.2. The system of
3. Система по п. 1, дополнительно содержащая, по меньшей мере, одно рельсовое звено, на которое может быть установлен датчик.3. The system of
4. Система по п. 1, в которой модуль чувствительных элементов дополнительно содержит защитный корпус для заключения в него, по меньшей мере, одного датчика и, по меньшей мере, одного модуля сбора данных.4. The system of
5. Система по п. 1, в которой модуль чувствительных элементов дополнительно содержит автономный источник электропитания.5. The system of
6. Система по п. 1, в которой, по меньшей мере, один датчик дополнительно содержит защитное покрытие, и в которой защитное покрытие размещено по поверхности, которая окружает, по меньшей мере, один чувствительный элемент.6. The system of
7. Система по п. 1, в которой прокладка составляет приблизительно 1 дюйм (2,54 см) в длину, приблизительно 0,5 дюйма (1,27 см) в ширину и дополнительно содержит металлическую фольгу.7. The system of
8. Система по п. 1, в которой, по меньшей мере, один чувствительный элемент представляет собой, по меньшей мере, один из датчика деформаций и температурного датчика.8. The system of
9. Система по п. 1, в которой модуль обработки данных дополнительно содержит портативный считыватель и портативный процессор для обработки данных.9. The system of
10. Система по п. 9, в которой портативный считыватель и портативный процессор для обработки данных объединены в единый портативный модуль.10. The system of
11. Устройство для мониторинга напряжения рельса, содержащее модуль чувствительных элементов, причем модуль чувствительных элементов дополнительно включает в себя, по меньшей мере, один датчик, причем, по меньшей мере, один датчик можно устанавливать прямо на рельсовом звене, и дополнительно включает в себя, по существу, плоскую прокладку и, по меньшей мере, два чувствительных элемента, установленных на одной стороне прокладки в конфигурации елочкой, и при этом, по меньшей мере, один датчик выполнен с возможностью осуществления связи, по меньшей мере, с одним модулем сбора данных, и причем, по меньшей мере, один модуль сбора данных выполнен с возможностью осуществления связи с модулем обработки данных.11. A device for monitoring rail voltage, containing a module of sensing elements, and the module of sensing elements further includes at least one sensor, and at least one sensor can be installed directly on the rail link, and further includes, a substantially flat gasket and at least two sensing elements mounted on one side of the gasket in a herringbone configuration, and at least one sensor is configured to communicate, for example shey least one data acquisition module, and wherein the at least one data acquisition module is adapted to communicate with the data processing unit.
12. Устройство по п. 11, дополнительно содержащее передающее средство, находящееся на связи, по меньшей мере, с одним модулем сбора данных для передачи информации в модуль обработки данных.12. The device according to
13. Устройство по п. 11, в котором модуль чувствительных элементов дополнительно содержит защитный корпус для заключения в него, по меньшей мере, одного датчика и, по меньшей мере, одного модуля сбора данных.13. The device according to
14. Устройство по п. 11, в котором модуль чувствительных элементов дополнительно содержит автономный источник электропитания.14. The device according to
15. Устройство по п. 11, в котором, по меньшей мере, один датчик дополнительно содержит защитное покрытие, и в котором защитное покрытие расположено по поверхности, которая окружает, по меньшей мере, один чувствительный элемент.15. The device according to
16. Устройство по п. 11, в котором прокладка составляет приблизительно 1 дюйм (2,54 см) в длину, приблизительно 0,5 дюйма (1,27 см) в ширину и дополнительно содержит металлическую фольгу.16. The device according to
17. Устройство по п. 11, в котором, по меньшей мере, два чувствительных элемента представляют собой датчики деформаций.17. The device according to
18. Устройство по п. 11, в котором модуль обработки данных дополнительно содержит портативный считыватель и портативный процессор для обработки данных.18. The device according to
19. Устройство по п. 18, в котором портативный считыватель и портативный процессор для обработки данных объединены в единый портативный модуль.19. The device according to p. 18, in which a portable reader and a portable processor for processing data are combined into a single portable module.
20. Способ мониторинга напряжения рельса, содержащий этапы, на которых выполняют:20. A method for monitoring rail stress, comprising the steps of:
(a) обеспечение модуля чувствительных элементов, причем модуль чувствительных элементов дополнительно включает в себя, по меньшей мере, один датчик, причем, по меньшей мере, один датчик можно устанавливать прямо на рельсовом звене, и дополнительно включает в себя, по существу, плоскую прокладку и, по меньшей мере, два чувствительных элемента, установленных на одной стороне прокладки в конфигурации елочкой, и, по меньшей мере, один модуль сбора данных, находящийся на связи, по меньшей мере, с одним датчиком;(a) providing a sensor module, wherein the sensor module further includes at least one sensor, wherein at least one sensor can be mounted directly on the rail and further includes a substantially flat gasket and at least two sensing elements mounted on one side of the gasket in a herringbone configuration, and at least one data acquisition module in communication with at least one sensor;
(b) обеспечение модуля обработки данных, причем модуль обработки данных принимает и обрабатывает информацию, собираемую, по меньшей мере, одним модулем сбора данных, чтобы определять напряжение рельса; (с) регистрацию и рассмотрение информации, обрабатываемой модулем обработки данных.(b) providing a data processing module, the data processing module receiving and processing information collected by at least one data acquisition module to determine a rail voltage; (c) recording and reviewing information processed by the data processing module.
21. Способ по п. 20, дополнительно содержащий обеспечение средства антенны, в котором средство антенны находится на связи, по меньшей мере, с одним модулем сбора данных, для передачи информации в модуль обработки данных.21. The method of
22. Способ по п. 20, дополнительно содержащий обеспечение рельсового звена, на котором можно устанавливать датчик.22. The method of
23. Способ по п. 20, в котором модуль чувствительных элементов дополнительно содержит защитный корпус для заключения в него защищающим образом, по меньшей мере, одного датчика и, по меньшей мере, одного модуля сбора данных.23. The method according to p. 20, in which the module of the sensitive elements further comprises a protective housing for enclosing in a protective manner, at least one sensor and at least one data acquisition module.
24. Способ по п. 20, в котором модуль чувствительных элементов дополнительно содержит автономный источник электропитания.24. The method according to p. 20, in which the module of the sensitive elements further comprises an autonomous power source.
25. Способ по п. 20, в котором, по меньшей мере, один датчик дополнительно содержит защитное покрытие, и в котором защитное покрытие расположено по периметру поверхности, которая окружает, по меньшей мере, один чувствительный элемент.25. The method according to p. 20, in which at least one sensor further comprises a protective coating, and in which the protective coating is located along the perimeter of the surface that surrounds at least one sensing element.
26. Способ по п. 20, в котором прокладка составляет приблизительно 1 дюйм (2,54 см) в длину, приблизительно 0,5 дюйма (1,27 см) в ширину и дополнительно содержит металлическую фольгу.26. The method of
27. Способ по п. 20, в котором, по меньшей мере, два чувствительных элемента представляют собой датчики деформаций.27. The method according to p. 20, in which at least two sensing elements are strain sensors.
28. Способ по п. 20, в котором модуль обработки данных дополнительно содержит портативный считыватель и портативный процессор для обработки данных.28. The method according to p. 20, in which the data processing module further comprises a portable reader and a portable processor for processing data.
29. Способ по п. 28, в котором портативный считыватель и портативный процессор для обработки данных объединены в единый портативный модуль.29. The method according to p. 28, in which the portable reader and portable processor for processing data are combined into a single portable module.
Главными недостатками вышеописанного способа и реализующих его системы и устройства являются:The main disadvantages of the above method and implementing its systems and devices are:
- низкая точность контроля из-за ограниченного числа датчиков и используемого дискретного принципа измерений распределенных параметров-полей механических напряжений и температуры рельсовой нити;- low accuracy of control due to the limited number of sensors and the used discrete principle of measuring distributed parameters-fields of mechanical stresses and temperature of the rail thread;
- высокие энергозатраты на проведение измерений, сбор и передачу информации;- high energy costs for measuring, collecting and transmitting information;
- низкая надежность контроля из-за большого количества соединений электронных и электромеханических элементов, размещенных в зоне вибраций от прохождения поездов, а также использования нестабильной воздушной среды для передачи данных;- low reliability of control due to the large number of connections of electronic and electromechanical elements located in the vibration zone from the passage of trains, as well as the use of unstable air for data transmission;
- высокие затраты на эксплуатацию, связанные с заменой автономных источников питания и отказавших элементов системы контроля;- high operating costs associated with the replacement of autonomous power supplies and failed elements of the control system;
- узкие функциональные возможности не позволяют одновременно с полями механических напряжений и температуры контролировать распределения таких важных физико-механических параметров рельсовых нитей, как распределения кривизн и изгибных жесткостей вдоль их осей в вертикальной и горизонтальной плоскостях, определяющих их напряженно-деформированное состояние, усталостную прочность и действующие нагрузки, а также поля вибраций.- narrow functionality does not allow simultaneously with the fields of mechanical stresses and temperatures to control the distribution of such important physical and mechanical parameters of rail threads as the distribution of curvatures and bending stiffnesses along their axes in the vertical and horizontal planes that determine their stress-strain state, fatigue strength and acting load, as well as vibration fields.
Известно техническое решение, описанное в патенте RU 2141102 «Диагностическая система с оптическими датчиками (варианты)» авторов Данфи Джеймса P. (US) и Фалковича Кеннита П. (US), опубликованном 10 ноября 1999 г. В этом изобретении система используется для детектирования механических деформаций и перепадов температур. Система включает перестраиваемый узкополосный источник светового излучения, генерирующий световое излучение с переменной длиной волны, направляя его в светопроводящее волокно. По длине волокна расположены отражательные датчики, например, типа решеток Брэгга. Датчики пропускают световое излучение с длиной волны, соответствующей пропускным минимумам этих датчиков и изменяющейся под влиянием действующего на них возмущения. Контур перестройки длины волны управляет перестраиваемым источником света, обеспечивая сканирование генерируемого светового излучения в заранее определенной области длин волн с целью индивидуального освещения каждого датчика светом с длиной волны, соответствующей его пропускному минимуму. Мощность этого пропускаемого датчиками светового излучения преобразуется детектором в электрический сигнал, который обрабатывается контуром обработки сигналов. Контур обработки сигналов выявляет провалы профиля мощности светового излучения, воспринятого детектором, вырабатывает выходные сигналы, несущие информацию о параметрах возмущения, действующего на каждый датчик. Система может быть разомкнутой без обратной связи для измерения статических деформаций или замкнутой с обратной связью для отслеживания изменения статических деформаций и измерения динамических деформаций. Система может также применяться по схеме Фабри-Перо, обеспечивая при этом очень высокую чувствительность к деформациям. Система может переключаться на работу в режиме отражения или режиме пропускания светового излучения датчиками.A technical solution is known, described in patent RU 2141102 "Diagnostic system with optical sensors (options)" by Danfi James P. (US) and Falkovich Kennit P. (US), published November 10, 1999. In this invention, the system is used to detect mechanical deformations and temperature changes. The system includes a tunable narrow-band light source that generates variable-wavelength light, directing it into a light guide fiber. Reflective sensors, such as Bragg gratings, are located along the length of the fiber. The sensors transmit light radiation with a wavelength corresponding to the transmission minimums of these sensors and changing under the influence of the perturbation acting on them. The wavelength tuning loop controls the tunable light source, providing a scan of the generated light radiation in a predetermined wavelength region in order to individually illuminate each sensor with light with a wavelength corresponding to its transmission minimum. The power of this light transmitted by the sensors is converted by the detector into an electrical signal, which is processed by the signal processing circuit. The signal processing circuit reveals the gaps in the power profile of the light radiation received by the detector, and generates output signals that carry information about the parameters of the disturbance acting on each sensor. The system can be open without feedback for measuring static strains or closed with feedback for tracking changes in static strains and measuring dynamic strains. The system can also be used according to the Fabry-Perot scheme, while providing a very high sensitivity to deformation. The system can switch to operation in reflection mode or transmission mode of light radiation by sensors.
Основными недостатками указанной системы являются ее сложность и как следствие - низкая надежность, а также узкие функциональные возможности из-за низкой точности и селективности контроля вследствие малого количества контролируемых параметров - только механических деформаций в одной плоскости и перепадов температур. Причем контроль этих физико-механических величин осуществляется не одновременно.The main disadvantages of this system are its complexity and, as a consequence, low reliability, as well as narrow functionality due to low accuracy and selectivity of control due to the small number of controlled parameters - only mechanical deformations in one plane and temperature changes. Moreover, the control of these physical and mechanical quantities is not carried out simultaneously.
Более близким аналогом по технической сущности к заявленному здесь техническому решению является изобретение, описанное в патенте SU 1742615 «Способ контроля состояния длинномерного объекта и устройство для его осуществления» авторов Михеева С.М., Земерова В.Н. и Елшанского П.В., опубликованном 23 июня 1992 г.A closer analogue in technical essence to the technical solution claimed here is the invention described in patent SU 1742615 "Method for monitoring the state of a long object and device for its implementation" by S. Mikheev, V. N. Zemerov. and Elshansky P.V., published June 23, 1992
В указанном патенте представлен способ контроля состояния длинномерного объекта, заключающийся в том, что в зоне контроля размещают протяженный канал передачи волновой энергии, измеряют параметры последней и по ним определяют физико-механические данные о состоянии объекта и их распределение в зоне контроля, отличающийся тем что, с целью повышения точности контроля и расширения диапазона данных, канал передачи волновой энергии выполняют в виде волновода, фиксируют моды колебаний указанной энергии, формируют по крайней мере одну из них в качестве опорно-информативной, с ее учетом выделяют из указанных мод наиболее информативные по указанным физико-механическим данным и измеряют параметры каждой из них. За параметры мод принимают амплитудно-фазочастотные характеристики их передачи по волноводу и реакцию этих характеристик на изменение формы, структуры объекта и окружающих давления и температуры.The said patent provides a method for monitoring the state of a long object, which consists in placing an extended wave energy transmission channel in the control zone, measuring the parameters of the latter and determining physical and mechanical data about the state of the object and their distribution in the control zone, characterized in that in order to improve the accuracy of monitoring and expanding the data range, the wave energy transmission channel is made in the form of a waveguide, the oscillation modes of the indicated energy are recorded, at least one of them As musculoskeletal informative on its basis of said modes allocate the most informative for said physical-mechanical data and measured parameters of each of them. For the parameters of the modes, the amplitude-phase-frequency characteristics of their transmission along the waveguide and the response of these characteristics to changes in the shape, structure of the object and surrounding pressure and temperature are taken.
Устройство для контроля состояния длинномерного объекта, содержащее источник модулированной волновой энергии, канал передачи волновой энергии и демодулятор, отличающееся тем, что с целью повышения точности контроля оно снабжено двумя пространственными фильтрами, один из которых включен между выходом источника модулированной волновой энергии и входом канала передачи волновой энергии, а второй пространственный фильтр - между входом демодулятора и выходом канала передачи волновой энергии, который выполнен в виде многомодового протяженного волновода прямоугольного или круглого сечения или их сочетаний, а демодулятор выполнен в виде подключенных к выходам второго пространственного фильтра двух синхронных детекторов, интегратора, подключенного к выходу одного из них, и связанного с выходами интегратора, второго синхронного детектора и операционного усилителя. Дополнительно устройство, описанное выше, снабжено гетеродинным преобразователем частот сигналов, включенным между выходами второго пространственного фильтра и входами синхронных детекторов.A device for monitoring the state of a long object containing a source of modulated wave energy, a wave energy transmission channel and a demodulator, characterized in that in order to increase the control accuracy it is equipped with two spatial filters, one of which is connected between the output of the modulated wave energy source and the input of the wave transmission channel energy, and the second spatial filter is between the input of the demodulator and the output of the wave energy transmission channel, which is made in the form of a multimode Nogo waveguide of rectangular or circular cross section or combinations thereof, and the demodulator is designed as a second output connected to the spatial filter the two synchronous detectors integrator connected to the output of one of them and connected to the outputs of the integrator of the second synchronous detector and an operational amplifier. Additionally, the device described above is equipped with a local oscillator frequency converter of signals included between the outputs of the second spatial filter and the inputs of synchronous detectors.
Развитием вышеописанного способа и устройства в области железнодорожного транспорта является патент на дополнительное изобретение SU 1793213 А2 «Способ контроля состояния длинномерного объекта и устройство для его осуществления» авторов Михеева С.М., Земерова В.Н. и Елшанского П.В., опубликованный 7 февраля 1993 г.The development of the above method and device in the field of railway transport is a patent for an additional invention SU 1793213 A2 "Method for monitoring the state of a long object and a device for its implementation" by S. Mikheev, V. N. Zemerov and Elshansky P.V., published on February 7, 1993.
Цель дополнительного изобретения - расширение функциональных возможностей контроля за счет одновременного определения состояния грузонесущей конструкции и параметров перемещающейся по ее поверхности нагрузки. Для этого в волноводе, реагирующем на изменение кривизны его оси, создают разные замедления фазовых скоростей опорных и наиболее информативных по кривизне конструкции мод, перемещения по поверхности конструкции заранее заданной нагрузки, с помощью волновода фиксируют распределение кривизны и соответственно изгибной жесткости по длине конструкции, затем в процессе эксплуатации конструкции определяют ее напряженно-деформированное состояние за счет измерения возникающих деформаций, а также одновременно по известной изгибной жесткости и деформациям конструкции получают распределение величины нагрузки, скорость и ускорение ее перемещения вдоль конструкции.The purpose of the additional invention is the expansion of the control functionality by simultaneously determining the state of the load-bearing structure and the parameters of the load moving along its surface. To do this, in the waveguide that responds to changes in the curvature of its axis, different slowdowns of the phase velocities of the reference and most informative curvatures of the structure of the mode are created, displacements of a predetermined load along the surface of the structure are recorded using the waveguide to determine the distribution of curvature and, accordingly, bending stiffness along the length of the structure, during the operation of the structure, its stress-strain state is determined by measuring the resulting deformations, as well as by the known bending stiffness and deformations of the structure receive the distribution of the load, the speed and acceleration of its movement along the structure.
Устройство для контроля состояния длинномерного обьекта по вышеописанному способу, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей контроля, оно снабжено аналого-цифровым преобразователем (АЦП), микропроцессором, вход которого соединен с выходом АЦП, вход АЦП соединен с выходом демодулятора, выход микропроцессора подсоединен к входу видеотерминала, а волновод, выполненный в виде многомодового волоконного световода с изолирующей и защитной оболочками, закреплен вдоль образующей грузонесущей конструкции на ее не контактирующей с нагрузкой поверхности в плоскости деформаций, возникающих от действия перемещающейся нагрузки, синхронные детекторы выполнены в виде фотодетекторов, а источник модулированной волновой энергии выполнен в виде генератора оптического излучения. Возможно грузонесущую конструкцию использовать в качестве волновода в акустическом диапазоне волн.A device for monitoring the state of a long object according to the method described above, characterized in that, in order to expand the monitoring functionality, it is equipped with an analog-to-digital converter (ADC), a microprocessor, the input of which is connected to the output of the ADC, the input of the ADC is connected to the output of the demodulator, the output of the microprocessor connected to the input of the video terminal, and the waveguide, made in the form of a multimode fiber waveguide with insulating and protective sheaths, is fixed along the generatrix of the load-bearing structure on its ontaktiruyuschey surface load in the plane deformations arising from the action of the moving load, synchronous detectors embodied as photodetectors, and the source of modulated wave energy is in the form of an optical radiation generator. It is possible to use the load-bearing structure as a waveguide in the acoustic wavelength range.
Длинномерным объектом в примере реализации способа выступает грузонесущая конструкция в виде рельсов, по которым перемещается распределенная нагрузка, а именно - железнодорожный состав.The lengthy object in the example of the method is the load-bearing structure in the form of rails along which the distributed load moves, namely, the train.
Основными недостатками вышеуказанных изобретений являются узкие функциональные возможности способа и устройства для его осуществления из-за низкой точности и селективности контроля вследствие малого количества одновременно контролируемых параметров - только распределения кривизны длинномерного объекта в одной вертикальной плоскости, а также полей давления и температуры.The main disadvantages of the above inventions are the narrow functionality of the method and device for its implementation due to the low accuracy and selectivity of control due to the small number of simultaneously controlled parameters - only the distribution of the curvature of a long object in one vertical plane, as well as pressure and temperature fields.
Самым близким аналогом (прототипом) представленного здесь технического решения является изобретение, описанное в заявке на патент РФ с рег. №2017114899/28(025867) от 27 апреля 2017 года «Способ контроля состояния длинномерного объекта и устройство для его осуществления» автора Земерова В.Н.The closest analogue (prototype) of the technical solution presented here is the invention described in the patent application of the Russian Federation with reg. No. 2017114899/28 (025867) dated April 27, 2017 “A method for monitoring the state of a long object and a device for its implementation” by V. Zemerov
Цель указанного изобретения - повышение точности и селективности контроля за счет расширения диапазона данных при контроле состояния магистрального нефтегазопровода путем одновременного измерения распределений его кривизны в вертикальной и горизонтальной плоскостях, а также полей вибраций и температуры вдоль этого длинномерного объекта.The purpose of this invention is to increase the accuracy and selectivity of control by expanding the data range when monitoring the state of the main oil and gas pipeline by simultaneously measuring the distributions of its curvature in the vertical and horizontal planes, as well as vibration and temperature fields along this lengthy object.
Здесь в соответствии с предложенным способом контроля состояния нефтегазопровода и учетом патента на дополнительное изобретение SU 1793213 А2 в области железнодорожного контроля, с помощью информационно-измерительного оптоволоконного кабеля (ИИОК), размещенного в зоне контроля вдоль оси длинномерного объекта, для измерения распределений кривизны этого объекта, в вертикальной и горизонтальной плоскостях, в указанном кабеле по всей его длине L помещают по крайней мере две, ортогонально расположенные оптоволоконные пары, каждая из которых содержит два параллельно протянутых и взаимодействующих между собой цилиндрических кварцевых стекловолокна, одно из указанных волокон является опорно-информационным каналом n1, а второе - измерительным каналом n2 с разными показателями преломления n1>n2, помещенных в общую светоотражающую оболочку, при этом сам информационно-измерительный оптоволоконный кабель закрепляют на поверхности по образующей, параллельной оси длинномерного объекта, генерируют последовательность когерентных оптических импульсов длительностью Т=L/V, где V - скорость света в стекловолокне опорно-информационного канала n1 с шириной спектра порядка 1/Т и временным интервалом T1 между импульсами, подают указанные импульсы на вход каждого стекловолокна опорно-информационного канала n1 информационно-измерительного оптоволоконного кабеля длиной L, усиливают оптические сигналы во всех каналах информационно-измерительного оптоволоконного кабеля, получают оптические сигналы на выходах всех каналов указанного кабеля, осуществляют временную задержку и их фотопреобразование в электрические сигналы, затем синхронно детектируют, интегрируют, усиливают и преобразуют эти электрические сигналы в цифровую форму, далее по измеренным распределениям кривизны производят их масштабное преобразование в пространственно-временные распределения изгибающих моментов, сил и напряжений, действующих на длинномерный объект в горизонтальной и вертикальной плоскостях и, сравнивая полученные физико-механические характеристики текущего состояния длинномерного объекта с заданными физико-механическими характеристиками, принимают решение о состоянии этого объекта,Here, in accordance with the proposed method for monitoring the state of the oil and gas pipeline and taking into account the patent for an additional invention SU 1793213 A2 in the field of railway control, using the information-measuring fiber optic cable (IIOK) located in the control zone along the axis of the long object to measure the distribution of curvature of this object, in the vertical and horizontal planes, in the specified cable along its entire length L, at least two orthogonally located fiber optic pairs are placed, each of which it holds two cylindrical quartz glass fibers parallel to each other and interacting with each other, one of these fibers is a reference and information channel n 1 , and the second is a measuring channel n 2 with different refractive indices n 1 > n 2 placed in a common reflective sheath, while information and measuring fiber optic cable is fixed to the surface along a generatrix parallel to the axis of a long object, a sequence of coherent optical pulses of duration T = L / V is generated, where V is coming soon the light intensity in the fiberglass of the reference information channel n 1 with a spectrum width of the order of 1 / T and a time interval T 1 between pulses, these pulses are fed to the input of each fiberglass of the reference information channel n 1 of an information-measuring optical fiber cable of length L, amplify optical signals all channels of the information-measuring fiber optic cable, receive optical signals at the outputs of all channels of the specified cable, carry out a time delay and their photoconversion into electrical signals, m synchronously detect, integrate, amplify and convert these electrical signals into digital form, then, according to the measured distributions of curvature, they are scaled to the spatio-temporal distributions of bending moments, forces and stresses acting on a long object in horizontal and vertical planes and comparing the received physical and mechanical characteristics of the current state of a long object with specified physical and mechanical characteristics, decide on the state of th object,
при этом светопроводящий контакт в каждой оптоволоконной паре между цилиндрическими кварцевыми стекловолокнами n1 и n2 обеспечивают созданием между ними светопрозрачной перегородки,wherein the light-conducting contact in each optical fiber pair between the cylindrical quartz glass fibers n 1 and n 2 is ensured by the creation of a translucent partition between them,
кроме того, осуществляют контроль распределения поля температуры поверхности длинномерного объекта за счет размещения в информационно-измерительном оптоволоконном кабеле дополнительной пары стекловолокон с одинаковыми показателями преломления n1=n2, при этом стекловолокно измерительного канала n2 выбирают с линейной зависимостью диэлектрической проницаемости стекловолокна ε от температуры,in addition, they control the distribution of the temperature field of the surface of a long object by placing an additional pair of glass fibers with the same refractive indices n 1 = n 2 in the information-measuring optical fiber cable, while the glass fiber of the measuring channel n 2 is selected with a linear temperature dependence of the dielectric constant ε of the glass fiber ε ,
дополнительно в информационно-измерительном оптоволоконном кабеле устанавливают вторую пару стекловолокон с разными показателями преломления n1 и n2, причем n1>n2, с помощью которой осуществляют контроль распределения поля вибраций вдоль длинномерного объекта, при этом для гармонических электрических сигналов, характеризующих распределение полей вибраций длинномерного объекта, применяют процедуру быстрого преобразования Фурье,additionally, a second pair of optical fibers with different refractive indices n 1 and n 2 is installed in the information-measuring optical fiber cable, and n 1 > n 2 , with the help of which the distribution of the vibration field along the lengthy object is monitored, while for harmonic electrical signals characterizing the distribution of the fields vibrations of a long object, apply the fast Fourier transform procedure,
получают и хранят дополнительную информацию о статических и динамических характеристиках длинномерного объекта за счет фиксации измеренных распределений кривизны, полей вибраций и температуры объекта, а также скоростей изменения указанных параметров по времени в процессе эксплуатации и геодезических данных о распределении кривизны объекта, полученных при его строительстве,receive and store additional information about the static and dynamic characteristics of a long object by fixing the measured distributions of curvature, vibration fields and temperature of the object, as well as the rates of change of these parameters over time during operation and geodetic data on the distribution of the curvature of the object obtained during its construction,
для одновременного определения состояния длинномерного объекта в виде грузонесущей конструкции, например, рельсовой колеи и параметров перемещающейся по ее поверхности нагрузки, например, поезда, с помощью волновода, закрепленного на рельсе, фиксируют распределение кривизны и соответственно изгибной жесткости по длине рельсовой колеи, затем в процессе эксплуатации этой конструкции определяют ее напряженно-деформированное состояние за счет измерения возникающих деформаций, а также одновременно по известной изгибной жесткости и деформациям рельсовой колеи получают распределение веса поезда, скорость и ускорение его перемещения вдоль рельсов,to simultaneously determine the state of a long object in the form of a load-bearing structure, for example, a rail track and the parameters of a load moving along its surface, for example, a train, using the waveguide mounted on the rail, the distribution of curvature and, accordingly, bending stiffness along the length of the rail track is recorded, then in the process the operation of this design determine its stress-strain state by measuring the resulting deformations, as well as simultaneously known flexural rigidity and def Rail gauge frames receive train weight distribution, speed and acceleration of its movement along rails,
Реализующее вышеописанный способ устройство для контроля состояния длинномерного объекта, содержит источник модулированной волновой энергии, выполненный в виде импульсного когерентного лазера, подключенного через оптический усилитель и оптический разъем на вход ИИОК, содержащего один опорно-информационный канал в виде цилиндрического кварцевого стекловолокна, вход которого и является входом указанного кабеля, и четыре измерительных канала, также в виде цилиндрических кварцевых стекловолокон, изолированных между собой и взаимодействующих с опорно-информационным каналом по всей длине кабеля, при этом все пять указанных каналов помещены в одну общую светоотражающую оболочку, которая отделена твердым диэлектриком от главной защитной оболочки ИИОК с прямоугольным профилем поперечного сечения, сам кабель закреплен по образующей на поверхности длинномерного объекта, а выход кабеля, в данном случае -выходы всех пяти указанных стекловолокон, через второй оптический разъем и блок фотоприемников, подключены к входу демодулятора, выход которого соединен с входом блока АЦП, в свою очередь выход которого является входом процессора БПФ, последовательно соединенного с вычислительным устройством и видеотерминалом, причем второй выход блока АЦП непосредственно подключен к второму входу вычислительного устройства, третий вход которого в свою очередь соединен с выходом буферной памяти, кроме того в разрез кабеля через определенные расстояния установлены промежуточные оптические усилители.The apparatus for monitoring the state of a long object that implements the above method, contains a modulated wave energy source made in the form of a pulsed coherent laser connected through an optical amplifier and an optical connector to the input of an IED, containing one reference and information channel in the form of a cylindrical quartz fiber glass, the input of which is the input of the specified cable, and four measuring channels, also in the form of cylindrical quartz fiberglass, isolated between each other and interactions components with a reference and information channel along the entire length of the cable, while all five of these channels are placed in one common reflective sheath, which is separated by a solid dielectric from the main protective sheath of the IIEC with a rectangular cross-sectional profile, the cable itself is fixed along the generatrix on the surface of a long object, and the cable output, in this case, the outputs of all five of these glass fibers, through the second optical connector and the photodetector block, are connected to the input of the demodulator, the output of which is connected to the input of the AD block P, in turn, the output of which is the input of the FFT processor, connected in series with the computing device and the video terminal, and the second output of the ADC unit is directly connected to the second input of the computing device, the third input of which is in turn connected to the output of the buffer memory, in addition to the cable cut at certain distances intermediate optical amplifiers are installed.
Главными недостатками способа и устройства-прототипов при контроле состояния длинномерного объекта в виде рельсовой колеи бесстыкового железнодорожного пути являются:The main disadvantages of the method and device prototypes when monitoring the status of a long object in the form of a rail track of a jointless railway are:
- низкая точность и селективность контроля, поскольку эти известные технические решения имеют узкий диапазон контролируемых данных, например, распределения кривизн в вертикальной и горизонтальной плоскостях одного длинномерного объекта (одной рельсовой нити), что не позволяет получить все нормируемые в железнодорожном транспорте характеристики геометрии рельсовой колеи, а в первую очередь - распределения ширины рельсовой колеи и взаимного положения обеих рельсовых нитей по всей длине железнодорожного пути, а тем самым своевременно и точно выявить места опасных нарушений геометрии рельсовой колеи для предотвращения аварий поездов;- low accuracy and selectivity of control, since these well-known technical solutions have a narrow range of controlled data, for example, the distribution of curvatures in the vertical and horizontal planes of one long object (one rail thread), which does not allow to obtain all the rail track geometry characteristics normalized in railway transport, and first of all - the distribution of the rail gauge and the relative position of both rail threads along the entire length of the railway track, and thereby timely accurately identify the places of dangerous violations of the geometry of the rail track to prevent train accidents;
- низкие ударная прочность и коэффициент оптической связи стекловолокон ИИОК;- low impact strength and optical coupling coefficient of glass fibers IIOK;
- отсутствие возможности контроля распределения растяжения-сжатия каждой рельсовой нити по всей длине железнодорожного пути.- the inability to control the distribution of tension-compression of each rail filament along the entire length of the railway track.
Целью предлагаемого технического решения является устранение всех вышеперечисленных недостатков.The purpose of the proposed technical solution is to eliminate all of the above disadvantages.
Технический результат в отношении объекта изобретения - способа достигается тем, что с целью повышения точности и селективности контроля за счет расширения диапазона данных при контроле состояния рельсовой колеи бесстыкового железнодорожного пути используют по крайней мере два информационно-измерительных оптоволоконных кабеля, первый из которых закрепляют на внутренней поверхности шейки рельса по линии, образованной от пересечения ее поверхностью нейтральных осей поперечных сечений рельса по всей длине левой рельсовой нити, а второй - правой рельсовой нити, например, с помощью цианакрилатного клея, при этом подачу оптических импульсов на вход каждого стекловолокна опорно-информационного канала двух информационно-измерительных оптоволоконных кабелей осуществляют от одного источника модулированной волновой энергии, а промежуточное усиление и синхронизацию оптических сигналов путем их задержки по времени в указанных кабелях производят одновременно через отрезки рельсовой колеи длиной ΔL=L/(N+1), где N - количество точек промежуточного усиления и синхронизации оптических сигналов в кабелях.The technical result in relation to the object of the invention - the method is achieved by the fact that in order to increase the accuracy and selectivity of control by expanding the data range when monitoring the state of the rail track of a continuous rail track, at least two information-measuring optical fiber cables are used, the first of which is fixed on the inner surface rail neck along a line formed from the intersection of its surface of the neutral axes of the rail cross sections along the entire length of the left rail thread, and the second d - of the right rail, for example, using cyanoacrylate glue, while the supply of optical pulses to the input of each fiberglass of the reference information channel of two information-measuring optical fiber cables is carried out from one source of modulated wave energy, and the optical signals are intermediate amplified and synchronized by delaying them in time in these cables is produced simultaneously through pieces of rail gauge of length ΔL = L / (N + 1), where N is the number of points of intermediate amplification and synchronization of optical Signals in cables.
Способствует достижению технического результата то, что:Contributes to the achievement of the technical result that:
- для защиты стекловолокон всех каналов каждого информационно-измерительного оптоволоконного кабеля от ударных воздействий и одновременного повышения коэффициента оптической связи между стекловолокнами их помещают в общую светоотражающую оболочку, заполненную тиксотропным гелем с иммерсионными свойствами и показателем преломления n3 не ниже показателя преломления стекловолокна опорно-информационного канала n1, а также рабочим диапазоном температур (- 60+60)°C;- to protect the glass fibers of all channels of each information-measuring optical fiber cable from impacts and simultaneously increase the optical coupling coefficient between the glass fibers, they are placed in a common reflective shell filled with a thixotropic gel with immersion properties and a refractive index of n 3 not lower than the refractive index of the fiberglass of the reference information channel n 1 , as well as the operating temperature range (- 60 + 60) ° C;
- для контроля распределения растяжения-сжатия каждой рельсовой нити в связи с изменением окружающей температуры и предотвращения разрушения информационно-измерительных оптоволоконных кабелей от этих изменений в каждом кабеле осуществляют свободную с запасом по длине укладку всех стекловолокон в светоотражающую оболочку кабеля, защитное покрытие этой оболочки выполняют из твердого диэлектрика, например, армированного стекловолокном поликарбоната или полиэстера, имеющего линейное температурное расширение равное рельсовой стали, затем оба кабеля помещают в стальные защитные кожуха с поперечным сечением прямоугольной формы, которые приваривают к внутренней поверхности шейки каждого рельса по всей его длине;- to control the distribution of tension-compression of each rail filament due to changes in ambient temperature and to prevent the destruction of information-measuring fiber optic cables from these changes, each cable is free to store with a margin in length along the length of the glass fibers in the reflective sheath of the cable, the protective coating of this sheath is made of solid dielectric, for example, fiberglass reinforced polycarbonate or polyester having a linear thermal expansion equal to rail steel, s Then both cables are placed in steel protective covers with a rectangular cross-section, which are welded to the inner surface of the neck of each rail along its entire length;
- для калибровки обоих информационно-измерительных оптоволоконных кабелей используют данные последних измерений геометрии рельсовой колеи и распределений продольной и поперечной жесткостей рельсовых нитей с учетом действия рельсового основания, полученные с помощью путеизмерительного вагона;- for the calibration of both information-measuring fiber optic cables, the data of recent measurements of the geometry of the rail track and the distributions of the longitudinal and transverse stiffnesses of the rail threads taking into account the action of the rail base, obtained using a track-measuring car, are used;
- для перевода измеренных двумя информационно-измерительными оптоволоконными кабелями физико-механических характеристик в виде распределений кривизны каждой рельсовой нити в вертикальной и горизонтальной плоскостях используют специальный алгоритм преобразования этих характеристик геометрии рельсовой колеи в физико-механические характеристики, установленные нормативными документами на железной дороге, затем сравнивают эти характеристики с их предельными значениями для каждого участка железнодорожного пути и принимают решение о его состоянии, а также предельно-допустимой величине скорости движения поездов на каждом участке;- for the translation of the physical and mechanical characteristics measured by two information-measuring optical fiber cables in the form of distributions of the curvature of each rail filament in the vertical and horizontal planes, a special algorithm is used to convert these characteristics of the rail gauge geometry into the physical and mechanical characteristics established by regulatory documents on the railway, then compare these characteristics with their limit values for each section of the railway track and decide its condition, as well as the maximum permissible value of the speed of trains in each section;
- место возникновения дефекта рельсовой нити или рельсового основания определяют по изменениям распределений ее продольной или поперечной жесткостей, а также поля температуры;- the place of occurrence of the defect of the rail yarn or rail base is determined by changes in the distributions of its longitudinal or transverse stiffness, as well as the temperature field;
- для контроля усталостной прочности рельсовой колеи фиксируют количество циклических изменений распределений ее кривизны и суммарный вес перемещенных поездами грузов;- to control the fatigue strength of the rail gauge, the number of cyclic changes in the distributions of its curvature and the total weight of goods transported by trains are recorded;
- для контроля возникновения дефектов ходовой части, например, колесных пар, перемещающихся по железнодорожному пути поездов, на его линейных участках фиксируют распределения спектров вибраций каждой рельсовой нити в диапазоне частот (1000-30000) Гц и после применения к этим сигналам быстрого преобразования Фурье их сравнивают с эталонными спектрами типовых дефектов, а при совпадении сравниваемых спектров определяют вид и место нахождения дефекта в ходовой части поезда.- to control the occurrence of defects in the running gear, for example, wheelsets moving along the railway track of trains, the distributions of the vibration spectra of each rail filament in the frequency range (1000-30000) Hz are recorded on its linear sections and after applying the fast Fourier transform to these signals, they are compared with reference spectra of typical defects, and with the coincidence of the compared spectra, the type and location of the defect in the running gear of the train is determined.
Технический результат в отношении объекта изобретения - устройства достигается тем, что с целью повышения точности и селективности контроля за счет расширения диапазона данных при контроле состояния рельсовой колеи бесстыкового железнодорожного пути используют не менее двух одинаковых информационно-измерительных оптоволоконных кабелей, закрепленных на внутренних поверхностях шейки рельса левой и правой рельсовых нитей, причем входы этих кабелей через дополнительный оптический ответвитель, установленный в первом оптическом разъеме, подключены к одному выходу источника модулированной волновой энергии, а выходы обоих кабелей через второй оптический разъем подключены через блок фотоприемников на вход демодулятора, в котором в два раза увеличено количество фотоприемников, а в демодуляторе - количество схем синхронного детектирования, в свою очередь в промежуточные оптические усилители установлены оптические линии задержки, например, реализующие принцип эшелонов Майкельсона.The technical result in relation to the object of the invention, the device is achieved by the fact that in order to increase the accuracy and selectivity of control by expanding the data range when monitoring the state of the rail track of a continuous rail track, at least two identical information-measuring fiber optic cables are used, mounted on the inner surfaces of the left neck rail and right rail threads, and the inputs of these cables through an additional optical coupler installed in the first optical connector e, connected to one output of the modulated wave energy source, and the outputs of both cables through the second optical connector are connected through the photodetector block to the input of the demodulator, in which the number of photodetectors is doubled, and in the demodulator, the number of synchronous detection circuits, in turn, to the intermediate optical amplifiers installed optical delay lines, for example, implementing the principle of Michelson echelons.
В дальнейшем изобретение поясняется конкретным примером его выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых:The invention is further illustrated by a specific example of its implementation and the accompanying drawings, in which:
- фиг. 1 изображает опертую несущую поверхность рельсовой колеи, подвергающуюся действию внешних сил;- FIG. 1 shows a supported bearing surface of a rail track subjected to external forces;
- фиг. 2 - профиль рельсовой нити в вертикальной плоскости с учетом погрешностей его восстановления;- FIG. 2 - profile of the rail yarn in the vertical plane, taking into account the errors of its recovery;
- фиг. 3 - недеформированную и деформированную несущую поверхность рельсовой колеи с указанием главных кривизн поверхности;- FIG. 3 - undeformed and deformed bearing surface of the rail track indicating the main curvatures of the surface;
- фиг. 4 - максимальное дифференциальное укорочение элемента Δz рельсовой нити вдоль координаты z;- FIG. 4 - the maximum differential shortening of the element Δz of the rail thread along the coordinate z;
- фиг. 5a, b - профиль рельсовой нити в сечении xoiz и распределение кривизны Kz вдоль оси Z;- FIG. 5a, b are the profile of the rail yarn in the section x oi z and the distribution of curvature K z along the Z axis;
- фиг. 6 - влияние измерений пространственного импульса кривизны с конечной полосой измерительного инструмента на восстановление кривой профиля рельсовой нити;- FIG. 6 - the influence of measurements of the spatial momentum of curvature with a finite strip of the measuring tool on the restoration of the curve of the profile of the rail thread
- фиг. 7а, b, с - характеристики геометрии рельсовой колеи, нормируемые в железнодорожном транспорте;- FIG. 7a, b, c are the characteristics of the geometry of the rail gauge, normalized in railway transport;
- фиг. 8 - конструктивное выполнение ИВЛ с парой взаимодействующих между собой кварцевых стекловолокон в светоотражающей оболочке, заполненной иммерсионным гелем;- FIG. 8 - constructive implementation of mechanical ventilation with a pair of interacting quartz glass fibers in a reflective shell filled with immersion gel;
- фиг. 9 - продольный разрез ИВЛ с выделеными парами клемм входа и выхода стекловолокон;- FIG. 9 is a longitudinal section of a ventilator with highlighted pairs of fiberglass input and output terminals;
- фиг. 10 - конструктивное выполнение ИИОК с защитным кожухом в поперечном сечении, закрепленным на поверхности шейки рельса;- FIG. 10 - constructive implementation of IIR with a protective casing in cross section mounted on the surface of the rail neck;
- фиг. 11 - фрагмент рельса с закрепленным на внутренней поверхности шейки рельса ИИОК;- FIG. 11 - a fragment of a rail with a IIRF fixed on the inner surface of the neck of the rail;
- фиг. 12 - графики зависимости симметричных деформаций шейки левого и правого рельсов от времени при статическом нагружении силой 100 кН (а), 200 кН (b), 300 кН (с), 400 кН (d) и 500 кН (е);- FIG. 12 is a graph of time-dependent symmetrical deformations of the neck of the left and right rails under static loading with a force of 100 kN (a), 200 kN (b), 300 kN (s), 400 kN (d) and 500 kN (e);
- фиг. 13 - диагностические сигналы от тензометрических датчиков на рельсах в системе контроля «Quo Vadis»;- FIG. 13 - diagnostic signals from strain gauges on rails in the Quo Vadis monitoring system;
- фиг. 14 - структурную схему устройства для контроля состояния длинномерного объекта в виде рельсовой колеи;- FIG. 14 is a structural diagram of a device for monitoring the state of a long object in the form of a rail track;
- фиг. 15 - зависимость напряжения на выходе демодулятора от кривизны стальной пластины в экспериментальной установке;- FIG. 15 - dependence of the voltage at the output of the demodulator on the curvature of the steel plate in the experimental setup;
- фиг. 16 - кривые изгиба стальной пластины при различных нагрузках, рассчитанные в вычислительном устройстве экспериментальной установки по измеренной кривизне и предложенным алгоритмам;- FIG. 16 - bending curves of a steel plate at various loads, calculated in the computing device of the experimental setup according to the measured curvature and the proposed algorithms;
- фиг. 17a, b - фотографии основных частей экспериментальной установки.- FIG. 17a, b are photographs of the main parts of the experimental setup.
Приняты следующие сокращения в тексте описания изобретения.The following abbreviations are adopted in the text of the description of the invention.
Измерительная волноводная линия (ИВЛ) - по крайней мере одна пара взаимодействующих между собой по всей длине стекловолокон в зависимости от изменения контролируемого распределенного физико-механического параметра, помещенных в общую светоотражающую оболочку, заполненную иммерсионным гелем и размещенную вдоль оси длинномерного объекта.Measuring waveguide line (IVL) - at least one pair of glass fibers interacting with each other along the entire length, depending on the change in the controlled distributed physical and mechanical parameter, placed in a common reflective shell filled with immersion gel and placed along the axis of a long object.
Информационно-измерительный оптоволоконный кабель (ИИОК)-кабель, содержащий ИВЛ, помещенную в защитную оболочку из твердого диэлектрика, закрепленный на поверхности контролируемого длинномерного объекта, например, рельсовой нити железнодорожного пути, закрытый стальным кожухом, приваренным к рельсу.An information-measuring fiber-optic cable (IIOC) is a cable containing mechanical ventilation, placed in a protective sheath made of a solid dielectric, mounted on the surface of a controlled long object, for example, a rail thread of a railway track, closed by a steel casing welded to the rail.
Далее представлены пояснения сущности предложенного технического решения на примере контроля состояния длинномерного объекта в виде рельсовой колеи бесстыкового железнодорожного пути, позволяющие наиболее эффективно реализовать способ для достижения поставленной цели.The following are explanations of the essence of the proposed technical solution by the example of monitoring the state of a long object in the form of a rail track of a continuous railroad track, which allows the most efficient implementation of the method to achieve the goal.
Для повышения точности и селективности контроля за счет расширения диапазона данных при контроле состояния рельсовой колеи бесстыкового железнодорожного пути используют по крайней мере два информационно-измерительных оптоволоконных кабеля, первый из которых закрепляют на внутренней поверхности шейки рельса по линии, образованной от пересечения ее поверхностью нейтральных осей поперечных сечений рельса по всей длине левой рельсовой нити, а второй - правой рельсовой нити, например, с помощью цианакрилатного клея, при этом подачу оптических импульсов на вход каждого стекловолокна опорно-информационного канала двух информационно-измерительных оптоволоконных кабелей осуществляют от одного источника модулированной волновой энергии, а промежуточное усиление и синхронизацию оптических сигналов путем их задержки по времени в указанных кабелях производят одновременно, через отрезки рельсовой колеи длиной ΔL=L/(N+1), где N - количество точек промежуточного усиления и синхронизации оптических сигналов в кабелях.To increase the accuracy and selectivity of control by expanding the data range when monitoring the state of the rail track of a continuous rail track, at least two information-measuring fiber optic cables are used, the first of which is fixed on the inner surface of the rail neck along a line formed from the intersection of the neutral axes of the transverse by its surface rail sections along the entire length of the left rail thread, and the second of the right rail thread, for example, using cyanoacrylate glue, while supplying optical Pulses to the input of each fiberglass of the reference information channel of two informational-measuring fiber optic cables are carried out from a single source of modulated wave energy, and the intermediate amplification and synchronization of optical signals by their time delay in these cables is carried out simultaneously, through pieces of a rail gauge of length ΔL = L / (N + 1), where N is the number of points of intermediate amplification and synchronization of optical signals in cables.
Как указано в новом способе контроля состояния железнодорожной колеи используют два ИИОК, каждый из которых закреплен в вышеуказанном месте соответствующей рельсовой нити, так как из предмета «Сопротивление материалов» известно, что нейтральная ось это линия в поперечном сечении изгибаемой балки, в точках которой нормальные напряжения, параллельные оси балки, равны нулю. Это позволяет исключить методическую погрешность измерений кривизны из-за несовпадения продольных осей рельса и ИИОК, а также повысить срок использования последнего за счет снижения числа перемещений ИИОК.As indicated in the new method for monitoring the state of the railway gauge, two IIECs are used, each of which is fixed in the above place of the corresponding rail thread, since it is known from the subject “Resistance of materials” that the neutral axis is a line in the cross section of a bent beam at which points normal stresses parallel to the axis of the beam are zero. This allows us to eliminate the methodological error of curvature measurements due to the mismatch of the longitudinal axes of the rail and the RIS, as well as to increase the term of use of the latter by reducing the number of movements of the RIS.
Использование для закрепления на поверхности рельса ИИОК цианакрилатного клея обусловлено тем, что, например клей «Циакрин ЭО) имеет рабочий диапазон температур -80°C+80°C (см. http://cestus.net/attaches/12/X60) и он хорошо себя зарекомендовал для закрепления на рельсах тензометрических датчиков, традиционно используемых для контроля состояния отрезков рельсовых нитей.The use of cyanoacrylate glue for fixing on the surface of the IIEC rail is due to the fact that, for example, glue “Cyacrine EO” has an operating temperature range of -80 ° C + 80 ° C (see http://cestus.net/attaches/12/X60) and he proved himself well for fixing strain gauge sensors on rails, traditionally used to monitor the condition of sections of rail threads.
Использование в представленном способе операций подачи оптических импульсов на вход каждого стекловолокна опорно-информационного канала двух ИИОК от одного источника модулированной волновой энергии и промежуточного усиления оптических сигналов с одновременной их задержкой по времени в указанных кабелях производят для повышения селективности контроля за счет создания в обоих ИИОК временных отметок с точно известным расстоянием по длине каждой рельсовой нити и синхронизации оптических сигналов в процессе их распространения в ИИОК.The use in the presented method of delivering optical pulses to the input of each fiberglass of the reference and information channel of two IIEC from one source of modulated wave energy and intermediate amplification of the optical signals with a simultaneous time delay in these cables is performed to increase the selectivity of control by creating time marks with a precisely known distance along the length of each rail filament and the synchronization of optical signals in the process of their distribution in the RISC.
Формализуем задачу контроля геометрии рельсовой колеи с использованием общепринятых в механике и математике понятий, а также результатов экспериментальных исследований, чтобы обосновать реализуемость и необходимость вышеописанных операций способа по количеству и месту закрепления ИИОК, установлению связи измеренных распределений кривизн левой и правой рельсовых нитей вдоль дуговых координат, заданных продольными осями ИИОК с характеристиками геометрии рельсовой колеи в трехмерных декартовых координатах.We formalize the task of monitoring the geometry of the rail gauge using concepts generally accepted in mechanics and mathematics, as well as the results of experimental studies, in order to substantiate the feasibility and necessity of the above-described operations of the method in terms of the number and location of the IIRF, establishing the relationship between the measured distributions of the curvatures of the left and right rail threads along the arc coordinates, defined by the longitudinal axes of the IIEC with the characteristics of the geometry of the rail track in three-dimensional Cartesian coordinates.
Односторонне опертая на упругое основание несущая поверхность 1, моделирующая рельсовую колею, подвергающаяся действию внешних сил, изображена на рисунке фиг. 1.The bearing
По оси z поверхность 1 жестко закреплена на прилегающем упругом основании. Силы F1, F2, …Fn действуют вдоль осей y и z. Скручивающие моменты действуют вдоль оси z. Если силы и моменты отсутствуют (в том числе и сила тяжести), поверхность 1 занимает положение ox1z1 (фиг. 1). При наличии внешнего воздействия точка поверхности переходит в точку Mi(xyz) и исходная плоская поверхность 1 переходит в деформированную поверхность 1 (фиг. 1).On the z axis,
В результате измерений необходимо с требуемой точностью определить геометрию данной поверхности 1 и ее положение относительно исходного состояния. По этой геометрии на основании известных уравнений механики определяются величины и распределения действующих сил и моментов на несущую поверхность 1.As a result of measurements, it is necessary to determine the geometry of a given
Формально, для каждого конкретного состояния необходимо измерить матрицу оператора, переводящего совокупность точек в совокупность точек Мi. На эти точки «натягивается» контролируемая поверхность 1. За счет различного рода ошибок профиль 2 поверхности 1 после восстановления будет лежать в некотором слое d (фиг. 2) и ее прогибы hi будут определяться с ошибкой Δhi.Formally, for each particular state, it is necessary to measure the matrix of the operator that translates the set of points a set of points M i . The controlled
Для организации измерений геометрии поверхности 1 необходимо иметь следующие начальные условия:To organize measurements of the geometry of
- габариты плоскости x1, z1 поверхности 1 (фиг. 1);- dimensions of the plane x 1 , z 1 surface 1 (Fig. 1);
- максимальное значение прогиба (отклонения по оси y) hmax;- the maximum value of the deflection (deviation along the y axis) h max ;
- минимальное значение прогиба, которое необходимо измерять hmin;- the minimum value of the deflection, which must be measured h min ;
- ширину слоя ошибки d;- error layer width d;
- ориентировочное (лучше максимально возможное) число N1 вариаций (изменений знака) прогиба поверхности 1 относительно линии радиус-вектора (фиг. 2), соединяющей начальную и конечную точки несущей поверхности 1;- approximate (best possible maximum) number N 1 of variations (sign changes) of the deflection of
- число вариаций прогиба N2 в поперечном сечении х, y плоскости;- the number of variations of the deflection N 2 in the cross section x, y of the plane;
- быстродействие измерений Δt;- measurement performance Δt;
- требования к форме представления выходной информации измерений.- requirements for the presentation of measurement output information.
Примем следующие технические характеристики для проведения обоснования созданного изобретения с использованием результатов, полученных на экспериментальной установке:We take the following technical characteristics to justify the created invention using the results obtained in an experimental setup:
z1=2000 мм, х1=2000 мм; hmax=700 мм; hmin=10 мм;z 1 = 2000 mm, x 1 = 2000 mm; h max = 700 mm; h min = 10 mm;
d=10 мм; N1=4; N2=0; Δt - порядка нескольких секунд, поскольку нагрузки статические. Изображение кривизны поверхности 1 при выборе ее сечений с координатами относительно плоскости xoz должно быть представлено в графическом виде.d = 10 mm; N 1 = 4; N 2 = 0; Δt is of the order of several seconds, since the loads are static. The image of the curvature of
Из этих условий определяются основные требования к созданной измерительной системе.From these conditions, the basic requirements for the created measuring system are determined.
По условиям предварительных экспериментов длина измерительной волноводной линии (ИВЛ) может достигать 50 км (максимальная длина контролируемого участка рельсовой колеи до промежуточного оптического усилителя). Динамический диапазон:According to the conditions of preliminary experiments, the length of the measuring waveguide line (IVL) can reach 50 km (the maximum length of the monitored section of the rail track to the intermediate optical amplifier). Dynamic range:
Разрешающая способность измерений экспериментальной установки:The resolution of the measurements of the experimental setup:
по по by by
Остальные требования уточним в процессе решения всей задачи контроля геометрии опертой пологой оболочки в виде несущей поверхности 1, краями которой являются левая и правая рельсовые нити железнодорожной колеи.The remaining requirements will be clarified in the process of solving the entire problem of controlling the geometry of the supported shallow shell in the form of a
Сформулируем дифференциально-геометрические основы проводимых измерений кривизны поверхности 1.We formulate the differential geometric basis for the measurements of
Контролируемая несущая поверхность 1 представляет собой гладкую (без изломов) поверхность, характеризующуюся текущими главными значениями кривизны и в точках Mi(xiyizi), начальными значениями , и граничными значениями Koz(z=0), Kox(z=0), которые постоянны для данного цикла измерений (фиг. 3). Координаты x, y, z в общем случае афинные. В частном случае плоской исходной поверхности 1 Koz=Kох=0.The controlled
В общем случае знание распределения Kz и Ky по поверхности 1 позволяет на основе решения интегро-дифференциальных геометрических уравнений построить саму поверхность 1. Однако на практике численные методы решений требуют определенного количества дополнительных исходных данных, которые не следуют из общей теории дифференциальной геометрии. Задачу можно существенно упростить, если ввести ряд условий, следующих из физической природы контролируемого объекта - несущей поверхности 1.In the general case, knowing the distribution of K z and K y over
Выделим главные условия, не приводя здесь строгих обоснований, которые следуют из теории инфинитезимального и кватернионного исчислений.We single out the main conditions without giving rigorous justifications here that follow from the theory of infinitesimal and quaternion calculi.
Первое условие - малые деформации поверхности 1. Это условие формулируется следующим образомThe first condition is small deformations of
при at
Физически это означает, что максимальное дифференциальное укорочение элемента Δz вдоль координаты z имеет третий порядок малости по отношению к величине Δz. Сказанное пояснено на фиг. 4.Physically, this means that the maximum differential shortening of the element Δz along the z coordinate has a third order of smallness with respect to Δz. The foregoing is explained in FIG. four.
Условие (1) эквивалентно условиюCondition (1) is equivalent to the condition
где 0(Δz)3 - величина порядка (Δz0)3; Δz0 начальное значение Δz.where 0 (Δz) 3 is an order of magnitude (Δz 0 ) 3 ; Δz 0 is the initial value of Δz.
Аналогичное условие должно выполняться и по координате х для кривизны Kх.A similar condition must also be satisfied in the x coordinate for the curvature K x .
Второе условие - конечное число вариаций кривизны. Оно формулируется следующим образомThe second condition is a finite number of variations of curvature. It is formulated as follows
где значения N, М - конечны и натуральны. Условие пояснено на фиг. 5, где изображен профиль поверхности 1 в сечении xoiz плоскостью xiyz и распределение кривизны Kz вдоль z. В приведенном примере N=1.where the values of N, M are finite and natural. The condition is explained in FIG. 5, which shows the profile of
При выполнении первого условия справедливы следующие выражения для координаты произвольной точки поверхности М(xjyzi) через распределения ; :When the first condition is satisfied, the following expressions are valid for the coordinate of an arbitrary point on the surface M (x j yz i ) through the distributions ; :
где ε, η - независимые переменные интегрирования; Kz(η), Kx(η) - распределения главных кривизн вдоль координаты η∈zoi при х=xoi исходной системы координат, в данном случае плоскости xoz (фиг. 1).where ε, η are independent variables of integration; K z (η), K x (η) are the distributions of the main curvatures along the coordinate η∈z oi for x = x oi of the original coordinate system, in this case, the xoz plane (Fig. 1).
Если дифференциальные деформации в поперечном сечении z=zoi,x малы, так что , то приращениями координаты xoi можно пренебречь и выражения (4) упрощаются:If the differential strains in the cross section z = z oi , x are small, so , then increments of the coordinate x oi can be neglected and expressions (4) are simplified:
Из выражений (4) и (5) следует, что координаты точек, на которые «натягивается» деформируемая поверхность 1, определяются интегралами от главных кривизн этой поверхности 1. Отсюда следует методика измерений.From the expressions (4) and (5) it follows that the coordinates of the points on which the
Обратимся ко второму условию (3). Это условие позволяет оценить верхнюю пространственную частотную границу измерений кривизны. Здесь существует следующая тонкость. Несмотря на то, что поверхность 1 в процессе измерений является гладкой, распределение главных кривизн принципиально включает ступенчатые функции. Это иллюстрируется простейшим примером на фиг. 5. Известно, что точное восстановление ступенчатой функции по измерениям инструментом с конечной полосой пропускания или с гладкой формой аппаратной функции является в общем случае некорректной задачей. Вопросы точности в этом случае являются проблематичными без априорных знаний поведения измеряемой величины. Поэтому существенную роль играет выбор алгоритмов организации измерений. Ниже приведем сравнение двух алгоритмов, дающих, как будет показано, наилучшие приближения в двух различных целевых решениях. А именно:We turn to the second condition (3). This condition allows us to estimate the upper spatial frequency boundary of the curvature measurements. Here there is the following subtlety. Despite the fact that
- построение поверхности 1 с минимальным отклонением от истинной формы;- construction of
- построение поверхности 1 с минимальным отклонением от истинных координат "концевых" точек относительно начальных точек опертой поверхности 1 (фиг. 1).- construction of the
Сочетание этих алгоритмов позволяет оптимизировать задачу определения геометрии поверхности 1 по двум целевым решениям.The combination of these algorithms allows us to optimize the problem of determining the geometry of
Сформулируем вышеуказанные алгоритмы восстановления контролируемой поверхности 1 и требования к точности измерений.We formulate the above algorithms for the restoration of the controlled
Примем, по крайней мере для экспериментального контролируемого образца поверхности 1, модель, описываемую выражением (5). Как показывают оценочные расчеты, эта модель работает с достаточной точностью для реализации требований принятого технического задания.We accept, at least for the experimental controlled sample of
Допустим, что кривизна Kz(η) измерена с некоторой ошибкой δKz(η). После восстановления, координаты и будут определены со следующей зависимостью от δKz(η):Suppose that the curvature K z (η) is measured with some error δK z (η). After recovery, the coordinates and will be determined with the following dependence on δK z (η):
Выражение (6) получается подстановкой в (5) Kz(η)=Kz(η)+δKz(η) и применения теоремы о среднем значении интеграла.Expression (6) is obtained by substituting in (5) K z (η) = K z (η) + δK z (η) and applying the theorem on the mean value of the integral.
Из выражения (6) следует, что происходит накапливание ошибок по прогибу y пропорционально координате zi. На фиг. 6 показано влияние измерений пространственного импульса кривизны с конечной полосой измерительного инструмента на восстановление кривой 2 профиля сечения поверхности 1.From the expression (6) it follows that there is an accumulation of errors in the deflection y in proportion to the coordinate z i . In FIG. Figure 6 shows the effect of measurements of the spatial momentum of curvature with a finite strip of the measuring tool on the restoration of
Более детальный анализ и расчеты показывают, что при непосредственном измерении кривизны и подстановке этих измерений в выражения (5) для восстановления кривой, происходит как бы растяжение масштаба вдоль кривой, приводящее к росту ошибки координаты прогиба y относительно начала отсчета zo=0. Однако форма восстановленной кривой профиля сечения 2 при этом остается подобной истинной кривой профиля 2 по характеру распределения прогибов. Такой алгоритм восстановления назовем линейным, поскольку результаты измерений линейно складываются в процессе восстановления кривизны несущей поверхности.A more detailed analysis and calculations show that when directly measuring the curvature and substituting these measurements in expressions (5) to restore the curve, a scale stretching occurs along the curve, leading to an increase in the error of the coordinate of the deflection y relative to the reference point z o = 0. However, the shape of the reconstructed profile curve of
Функционально этот алгоритм реализуется следующим образом. Задается или определяется аппаратная функция измерительной системы ƒ(η). По ней определяем передаточную частотную характеристику F(p) через преобразование Лапласа. Измеренная величина будет определяться выражениемFunctionally, this algorithm is implemented as follows. The hardware function of the measuring system ƒ (η) is set or determined. Using it, we determine the transfer frequency response F (p) through the Laplace transform. Measured value will be determined by the expression
Это уравнение свертки относительно неизвестной функции Kz(η). Оно может быть решено с заданной точностью организацией ядра уравнения ƒ(η) или в операторной формеThis is the convolution equation for the unknown function K z (η). It can be solved with a given accuracy by organizing the kernel of the equation ƒ (η) or in operator form
где F(p) - имеет известную обратную функцию.where F (p) - has a known inverse function.
Затем определяется функция или в операторной формеThen the function is determined or in operator form
Затем вычисляются интегралы (5):Then the integrals (5) are calculated:
В первом приближении при малости Kz(η) все решение можно провести в операторной форме. Пусть F-1(p) задается сходящимся рядом, например, НейманаIn a first approximation, when K z (η) is small, the whole solution can be carried out in operator form. Let F -1 (p) be given by a convergent series, for example, Neumann
где ƒ(ρ)=1-F(ρ), а |ƒ(ρ)|<1 везде.where ƒ (ρ) = 1-F (ρ), and | ƒ (ρ) | <1 everywhere.
Тогда:Then:
где - обратное преобразование Лапласа.Where is the inverse Laplace transform.
Прогибы определяются из (5) следующим образомDeflections are determined from (5) as follows
где - операция свертки.Where - convolution operation.
Выражение (12) алгоритмизируется в программе вычислительного устройства при обработке сигнала по стандартным подпрограммам типа свертки. Таким образом, конечная точность линейного алгоритма связана с быстротой сходимости ряда обращения аппаратной функции измерительного инструмента.Expression (12) is algorithmized in the program of the computing device when processing the signal using standard subroutines such as convolution. Thus, the finite accuracy of the linear algorithm is related to the speed of convergence of a series of inversions of the hardware function of the measuring tool.
Практически в предложенном способе контроля аппаратная функция определяется огибающей волнового пакета опорного сигнала. Для огибающей прямоугольной формы разложение ядра оптимально в смысле сходимости по сфероидальным функциям (Комаров И.В., Пономарев Л.И.,, Славянов С.Ю. Сфероидальные и кулоновские сфероидальные функции. - М.: Наука, 1976, с. 131-138), для гауссовой формы по полиномам Эрмита или по функциям параболического цилиндра.Practically in the proposed control method, the hardware function is determined by the envelope of the wave packet of the reference signal. For a rectangular envelope, the decomposition of the nucleus is optimal in the sense of convergence in spheroidal functions (Komarov I.V., Ponomarev L.I., Slavyanov S.Yu. Spheroidal and Coulomb spheroidal functions. - Moscow: Nauka, 1976, p. 131- 138), for the Gaussian form in Hermite polynomials or in the functions of a parabolic cylinder.
Однако даже применение современных средств обработка сигнала не избавляет линейный алгоритм от свойств накапливания ошибок прогиба по длине поверхности 1.However, even the use of modern means of signal processing does not relieve the linear algorithm of the properties of the accumulation of deflection errors along the
Зададимся целью получить наиболее точные значения координат y, zi на правом краю поверхности 1 относительно левого края. Для этой цели представим распределения кривизны KZ(η) на отрезке η∈zoi ∈(0÷L), где L - длина по z недеформированной поверхности 1 в виде обобщенного ряда Фурье по некоторой полной системе ортонормальных функций ϕn(η):We set ourselves the goal of obtaining the most accurate values of the coordinates y, z i on the right edge of
По этой же системе разложим и распределение u(z):In the same system, we expand the distribution u (z):
Коэффициенты βm связаны с коэффициентами αn следующим образомThe coefficients β m are related to the coefficients α n as follows
гдеWhere
Коэффициенты qnm не связаны с измеряемым объектом и могут быть заранее заложены в алгоритм обработки измерений кривизны в вычислительном устройстве.The coefficients q nm are not related to the measured object and can be pre-embedded in the algorithm for processing the measurements of curvature in a computing device.
"Концевые" координаты zL и yL будут определяться выражениями:The "end" coordinates z L and y L will be determined by the expressions:
Представленные здесь алгоритмы очевидно позволяют определить не только "концевые" координаты zL и yL, но и координаты любых промежуточных точек криволинейного профиля каждой рельсовой нити в пределах длины рельсовой колеи L. Контролируя их изменения при изменении окружающей температуры, осуществляются измерения растяжение-сжатия каждой рельсовой нити вследствие температурного влияния.The algorithms presented here obviously make it possible to determine not only the “end” coordinates z L and y L , but also the coordinates of any intermediate points of the curved profile of each rail filament within the rail gauge L. By monitoring their changes with changing ambient temperature, tensile-compression measurements of each rail filament due to temperature influence.
При размещении проекций кривых двух рельсовых нитей в общую систему декартовых координат в горизонтальной плоскости xoz и установлении точного расстояния между их начальными точками по оси x (см. позицию 7 на фиг. 7с) определяют ширину рельсовой колеи при задании значения координаты z.When placing the projections of the curves of two rail yarns in a common Cartesian coordinate system in the horizontal xoz plane and establishing the exact distance between their starting points along the x axis (see
Таким образом представленные алгоритмы позволяют восстановить в трехмерном пространстве в декартовых координатах по измеренным распределениям кривизн двух крайних образующих (левой и правой рельсовых нитей) несущей поверхности геометрию рельсовой колеи, что позволяет сравнивать ее текущие характеристики в дуговых координатах с предельными, заданными нормативными документами железнодорожного транспорта.Thus, the presented algorithms make it possible to reconstruct the geometry of the rail track in three-dimensional space in Cartesian coordinates from the measured distributions of the curvatures of the two extreme generatrices (left and right rail threads) of the bearing surface of the rail track, which allows us to compare its current characteristics in arc coordinates with the limit specified by the regulatory documents of railway transport.
На фиг. 7а, b, с приведены характеристики геометрии рельсовой колеи в декартовых координатах, используемые в научно-технической литературе по железнодорожному транспорту, например, монографии В. Гарга и Р. Дуккипати «Динамика подвижного состава», - М.: Транспорт, 1988, рис. 3.11, с. 85. На фиг. 7а) изображен типичный железнодорожный путь, где позициями 4 и 5 обозначены соответственно левая и правая рельсовые нити. На фиг. 7b) показаны: возвышение 9 одного рельса 4 над другим 5 и номинальный вертикальный профиль 10 железнодорожного пути; база 11 для отметки уровня в горизонтальной плоскости 8. На фиг. 7с) показаны: номинальное горизонтальное положение оси 6 пути и ширина 7 колеи. Именно с установленными предельными значениями этих характеристик при разных скоростях поезда должны сравниваться измеренные ИИОК через распределения кривизн правой и левой рельсовых нитей в дуговых координатах и обработанные по вышеописанным алгоритмам их текущие величины.In FIG. 7a, b, c shows the characteristics of the geometry of the rail track in Cartesian coordinates used in the scientific and technical literature on railway transport, for example, the monograph by V. Garg and R. Dukkipati “Dynamics of rolling stock”, - M .: Transport, 1988, Fig. 3.11, p. 85. In FIG. 7a) shows a typical railroad track, where the
Далее представлены дополнительные технические предложения по усовершенствованию заявленного способа контроля состояния длинномерного объекта в виде рельсовой колеи бесстыкового железнодорожного пути, позволяющие повысить эффективность предложенного способа.The following are additional technical suggestions for improving the claimed method for monitoring the condition of a long object in the form of a rail track of a continuous railroad track, which can improve the efficiency of the proposed method.
Для защиты стекловолокон всех каналов каждого информационно-измерительного оптоволоконного кабеля от ударных воздействий и одновременного повышения коэффициента оптической связи между стекловолокнами их помещают в общую светоотражающую оболочку, заполненную тиксотропным гелем с иммерсионными свойствами и показателем преломления nз не ниже показателя преломления стекловолокна опорно-информационного канала n1, а также рабочим диапазоном температур (- 60+60)°C.To protect the fiberglass of all channels of each information-measuring optical fiber cable from shock and simultaneously increase the optical coupling coefficient between the fiberglass, they are placed in a common reflective sheath filled with a thixotropic gel with immersion properties and a refractive index of n s not lower than the refractive index of the fiberglass of the reference information channel n 1 , as well as the operating temperature range (- 60 + 60) ° C.
Обоснованием повышения коэффициента связи взаимодействующих оптических волокон с помощью иммерсионного геля являются следующие факты.The rationale for increasing the coupling coefficient of interacting optical fibers using immersion gel are the following facts.
Как известно (см., Ваганов Р.Б. и др. Многомодовые волноводы со случайными нерегулярностями. - М.: Советское радио, 1972. С. 70), параметры, характеризующие взаимодействие волн в волноводах, например, коэффициент связи волн, линейно зависят от кривизны ИВЛ. Общую величину относительной мощности (см. там же), расходуемой на измерения на участке ИВЛ длиной ΔS, можно оценить какAs is known (see Vaganov RB and others. Multimode waveguides with random irregularities. - M .: Soviet radio, 1972. P. 70), the parameters characterizing the interaction of waves in waveguides, for example, the wave coupling coefficient, linearly depend from the curvature of the ventilator. The total value of the relative power (see ibid.) Spent on measurements in the section of mechanical ventilation with a length ΔS can be estimated as
где λ - длина волны несущего колебания; а - характерный размер волновода в плоскости изгиба; S - текущая координата; ΔS - разрешающая способность измерений вдоль S; g - безразмерный конструктивный коэффициент ≤1.where λ is the wavelength of the carrier wave; a is the characteristic size of the waveguide in the plane of bending; S is the current coordinate; ΔS is the resolution of measurements along S; g is the dimensionless
Чувствительность применяемой в экспериментальной установке аппаратуры составляет величину порядка 10-10 Вт.The sensitivity of the equipment used in the experimental setup is of the order of 10 -10 W.
Оценку реализуемости предлагаемого способа контроля приведем для λ=1,3⋅10-6 м; а=400⋅10-6 м; K=10-5 м; ; ΔS - требуемое разрешение измерений по техническому заданию для экспериментального образца составляет 0,5 м. Тогда g≥10-1. Физический смысл коэффициента g - начальный уровень связи опорной и измерительной мод в ИВЛ при отсутствии деформирующих ее воздействий. Таким образом, для решаемой задачи необходимо обеспечить ИВЛ с начальной мощностью связи между стекловолокнами каналов 5 дб/м.Assessment of the feasibility of the proposed control method is given for λ = 1.3 · 10 -6 m; a = 400⋅10 -6 m; K = 10 -5 m; ; ΔS - the required resolution of measurements according to the technical specifications for the experimental sample is 0.5 m. Then g≥10 -1 . The physical meaning of the coefficient g is the initial level of coupling of the reference and measuring modes in mechanical ventilation in the absence of deforming effects. Thus, for the problem to be solved, it is necessary to provide mechanical ventilation with an initial communication power between fiberglass channels of 5 dB / m.
Исходя из использования в эксперименте оптоволоконных линий в ИК-диапазоне (λ=1,3 μk), в качестве основы выполнения ИВЛ использовалось кварцевое цилиндрическое оптоволокно диаметром d1=400 μk. Конструктивно ИВЛ выглядит так, как показано на фиг. 8. Здесь изображен поперечный разрез ИВЛ, в которой два параллельно идущих стекловолокна 12 и 13, расположены на расстоянии а в плоскости yoz, совпадающей с вертикальной плоскостью прогиба рельсовой нити 16. Внутренняя полость между этими стекловолокнами 12 и 13 заполнена иммерсионным гелем 15, помещенными вместе в светотражающую оболочку 14. ИВЛ закреплена на внутренней поверхности шейки 16 рельсовой нити по всей ее длине.Based on the use in the experiment of optical fiber lines in the IR range (λ = 1.3 μk), a quartz cylindrical optical fiber with a diameter of d 1 = 400 μk was used as the basis for the mechanical ventilation. Structurally, the ventilator looks like that shown in FIG. 8. Here is a cross-sectional view of a ventilator in which two parallel-running
Схематично продольный разрез ИВЛ изображен на фиг. 9, где выделены пары входов 17, 18 и выходов 19, 20 стекловолокон 12 и 13.A schematic longitudinal section of the ventilator is shown in FIG. 9, where pairs of inputs 17, 18 and
На фиг. 10 изображен поперечный разрез информационно-измерительного оптоволоконного кабеля (ИИОК), содержащий ИВЛ с пятью стекловолокнами 12, 13, 21 и 22. Причем два ортогонально расположенных стекловолокна 13 предназначены для измерения распределений кривизн в вертикальной и горизонтальной плоскостях, а стекловолокна 21 и 22 соответственно полей температуры и вибраций. Эти стекловолокна расположены параллельно оси стекловолокна 12 опорного канала и все пять стекловолокон 12, 13, 21, 22 помещены в общую светоотражающую, например, акриловую, оболочку 14, заполненную тиксотропным иммерсионным гелем 23. В свою очередь эта оболочка 14 защищена твердым диэлектриком 23 и стальным кожухом 24 прямоугольной формы в поперечном сечении, закрепленным на с помощью сварного соединения 25 на внутренней поверхности 16 шейки рельса.In FIG. 10 is a cross-sectional view of an informational-measuring optical fiber cable (IIEC) containing mechanical ventilation with five
Кроме защиты от ударов, например, щебенки из подрельсового основания, этот стальной кожух 24, имеющий коэффициент теплового расширения одинаковый или близкий с рельсом, удлиняется или укорачивается вместе с рельсом, твердым диэлектриком 23 и светоотражающей оболочкой 14, позволяя световолокнам 12, 13, 21, 22 за счет свободной укладки разворачиваться, не допуская их предельного натяжения и обрыва.In addition to protection against impacts, for example, gravel from a rail base, this
Для заполнения светоотражающей оболочки 14 выбирают иммерсионный тиксотропный гель 15 (см., например, Материал из Википедии-свободной энциклопедии https://ru.wikipedia.org/wiki/ Иммерсия-микроскопия) с показателем преломления равным или большим показателя преломления стекловолокон 12 и 13 (фиг. 8-10). Исходящие от одной точки стекловолокна 12 опорно-информационного канала лучи проходят без преломления и рассеивания через иммерсионную пленку и «принимаются» стекловолокном 13 измерительного канала. В этом случае числовая апертура увеличивается, а предел разрешения уменьшается. Возникающие на поверхностях покровного стекла оптоволокон 12 и 13 паразитные отражения существенно меньше, нежели у «сухих», а в некоторых случаях паразитные переотражения могут быть полностью устранены. Это улучшает контраст изображения и позволяет поднять освещенность стекловолокна 13 без вредного влияния на излучение. Толщина слоя геля 15 между стекловолокнами 12 и 13 может меняться, и за счет этого можно в некоторых пределах изменять компенсацию сферической аберрации и коэффициент оптической связи. С учетом того что рабочий диапазон температур железнодорожных электронных приборов обычно рассматривается в интервале -50…+50°C, в качестве геля используют, например, силиконовый гель.To fill the
В статье авторов В. Катока, А. Ковтуна и И. Руденко «Оптоволокно: неразъемные соединения» (http://www.ruscable.ru/doc/analytic/statya-129.html) указано на широкое практическое применение иммерсионного геля в механических соединителях при ремонте стекловолокон. Внутреннее пространство соединителей заполняется тиксотропным гелем для защиты открытых участков оптических волокон от воздействия влаги. Одновременно гель обладает иммерсионными свойствами - его показатель преломления близок к показателю преломления сердцевины волокна. Такими свойствами обладают, например, двухкомпонентный силиконовый гель «WACKER ® SilGel 612 А/В» (https://www.wacker.com/cms/en/products/product/product.jsp?product=10549) и текучий двухкомпонентный каучук «SEMICOSIL 920 LT» (https://www.wacker.com/cms/media/publications/downloads/6982_EN.pdf), причем последний работает не меняя свойств при температуре от -100°С до +200°С.The article by the authors V. Katok, A. Kovtun and I. Rudenko “Optical fiber: permanent connections” (http://www.ruscable.ru/doc/analytic/statya-129.html) refers to the wide practical application of immersion gel in mechanical connectors for the repair of fiberglass. The inner space of the connectors is filled with a thixotropic gel to protect exposed areas of the optical fibers from moisture. At the same time, the gel has immersion properties - its refractive index is close to the refractive index of the fiber core. These properties are possessed, for example, by the two-component silicone gel “WACKER ® SilGel 612 A / B” (https://www.wacker.com/cms/en/products/product/product.jsp?product=10549) and the flowing two-component rubber “ SEMICOSIL 920 LT ”(https://www.wacker.com/cms/media/publications/downloads/6982_EN.pdf), the latter working without changing its properties at temperatures from -100 ° C to + 200 ° C.
Как известно тиксотропия (тиксотропность) - способность субстанции, в данном случае геля, уменьшать вязкость (разжижаться) от механического воздействия и увеличивать вязкость (сгущаться) в состоянии покоя, что позволяет защитить стекловолокна ИИОК от ударных воздействий, возникающих от неровностей поверхностей рельсов и колес при движении поезда.As is known, thixotropy (thixotropy) is the ability of a substance, in this case, a gel, to reduce viscosity (liquefy) from mechanical stress and increase viscosity (thicken) at rest, which helps protect IIRK glass fiber from impacts arising from irregularities in the surfaces of rails and wheels during the movement of the train.
Кроме указанного выше, ударопрочность ИИОК повышается, например, при использовании в качестве твердого диэлектрика 23-полиэстера (полиэтилентерефталата), обладающего высокой механической прочностью и ударостойкостью, устойчивостью к истиранию и многократным деформациям при растяжении и изгибе и сохраняет свои высокие ударостойкие и прочностные характеристики в рабочем диапазоне температур от -40°С до +60°С и при этом является хорошим теплоизолятором (см. статью «Полиэтилентерефталат (Лавсан, полиэстер) - ПЭТ» по адресу http://vensnab.ru/articles/view_articles/53).In addition to the above, the impact resistance of IIEC is increased, for example, when using 23-polyester (polyethylene terephthalate) as a solid dielectric, which has high mechanical strength and impact resistance, resistance to abrasion and repeated deformation during tension and bending and retains its high impact and strength characteristics in working temperature range from -40 ° С to + 60 ° С and at the same time it is a good heat insulator (see the article "Polyethylene terephthalate (Lavsan, polyester) - PET" at http://vensnab.ru/articles/view_ar ticles / 53).
На фиг. 11 изображен фрагмент рельса с поперечным сечением 26 и нулевой осью, создающей по всей длине рельсовой нити поверхность нулевых осей, в результата пересечения которой внутренней поверхности шейки рельса образуется линия закрепления ИИОК 27 с защитным кожухом 24.In FIG. 11 shows a fragment of a rail with a
Для контроля распределения растяжения-сжатия каждой рельсовой нити в связи с изменением окружающей температуры и предотвращения разрушения информационно-измерительных оптоволоконных кабелей от этих изменений в каждом кабеле осуществляют свободную с запасом по длине укладку всех стекловолокон в светоотражающую оболочку кабеля, защитное покрытие этой оболочки выполняют из твердого диэлектрика, например, армированного стекловолокном поликарбоната или полиэстера, имеющего линейное температурное расширение равное рельсовой стали, затем оба кабеля помещают в стальные защитные кожуха с поперечным сечением прямоугольной формы, которые приваривают к внутренней поверхности шейки каждого рельса по всей его длине.To control the distribution of tension-compression of each rail filament due to changes in ambient temperature and to prevent the destruction of information-measuring fiber optic cables from these changes, each cable is free to store with a margin in length along the length of the glass fibers in the reflective sheath of the cable, the sheeting of this sheath is made of solid dielectric, for example, fiberglass-reinforced polycarbonate or polyester having a linear thermal expansion equal to rail steel, for thus, both cables are placed in steel protective casing with a rectangular cross-section, which are welded to the inner surface of the neck of each rail along its entire length.
Как известно (http://temperatures.ru/pages/temperaturnyi_koefficient_lineinogo_rasshireniya) температурный коэффициент линейного расширения поликарбоната, армированного стекловолокном равен 21,5, а полиэстера - 25,0×10-6 °C-1. В свою очередь у рельсовой стали α=11,8⋅10-6 °С-1 (https://ru.wikipedia.org/wiki/Температурный_выброс_пути). Поэтому за счет изменения содержания армирующего стекловолокна в этих твердых диэлектриках можно снизить величину их температурного коэффициента до уровня стали.As is known (http://temperatures.ru/pages/temperaturnyi_koefficient_lineinogo_rasshireniya) the temperature coefficient of linear expansion of polycarbonate reinforced with fiberglass is 21.5, and polyester - 25.0 × 10 -6 ° C -1 . In turn, for rail steel, α = 11.8⋅10 -6 ° С -1 (https://ru.wikipedia.org/wiki/Temperature_discharge_path). Therefore, by changing the content of the reinforcing fiberglass in these solid dielectrics, it is possible to reduce the value of their temperature coefficient to the level of steel.
Для калибровки обоих информационно-измерительных оптоволоконных кабелей используют данные последних измерений геометрии рельсовой колеи и распределений продольной и поперечной жесткостей рельсовых нитей с учетом действия рельсового основания, полученные с помощью путеизмерительного вагона.For the calibration of both information and measuring fiber optic cables, the data of the latest measurements of the rail track geometry and the distributions of the longitudinal and transverse stiffnesses of the rail threads taking into account the action of the rail base, obtained using a track measuring car, are used.
Главным нормативным документом для представленного изобретения является распоряжение ОАО «РЖД» от 20.12.2010 N 2650р «О введении в действие дополнительных нормативов по оценке состояния рельсовой колеи путеизмерительными средствами и мерам по обеспечению безопасности движения». Здесь приведены следующие важные определения.The main regulatory document for the presented invention is the order of Russian Railways dated 20.12.2010 N 2650r “On the implementation of additional standards for assessing the state of the rail gauge using measuring instruments and measures to ensure traffic safety”. The following important definitions are provided here.
Геометрия рельсовой колеи (ГРК) - параметры, характеризующие положение рельсовых нитей в профиле, плане, по уровню и по ширине колеи.Rail track geometry (GRC) - parameters characterizing the position of rail threads in the profile, plan, level and track width.
Установленная скорость движения (поездов) - скорость, установленная приказами начальника дороги (начальника региональной дирекции инфраструктуры) для данного участка пути.The established speed of movement (trains) is the speed set by the orders of the head of the road (head of the regional infrastructure directorate) for a given section of the track.
Отступление ГРК - отклонение от номинальных значений ГРК в пределах допусков, при которых не требуется ограничение установленной скорости движения, но подлежащее устранению в плановом или первоочередном порядке.GRK deviation - deviation from the nominal values of the GRK within tolerances, which does not require limiting the set speed, but must be eliminated in a planned or priority order.
Неисправность ГРК - отклонение от номинальных значений ГРК, превышающее предельные значения, требующие устранения и ограничения установленной скорости или закрытия движения поездов.GRK malfunction - deviation from the nominal values of the GRK, exceeding the limit values requiring the elimination and limitation of the set speed or closure of train traffic.
В соответствии с этим распоряжением N 2650р путеизмерителями контролируются, регистрируются и оцениваются следующие параметры:In accordance with this decree N 2650р, the following parameters are monitored, recorded and evaluated by track meters:
- ширина колеи (сужения и уширения);- track gauge (narrowing and broadening);
- положение рельсовых нитей по уровню (перекосы и плавные отклонения уровня);- the position of the rail yarns in terms of level (skews and smooth deviations of the level);
- положение рельсовых нитей в плане (горизонтальные стрелы изгиба от хорды длиной 21,5 м в точке, расположенной на расстоянии 4,1 м от ее конца) - рихтовка;- the position of the rail threads in the plan (horizontal bending arrows from the chord 21.5 m long at a point located at a distance of 4.1 m from its end) - straightening;
- просадки рельсовых нитей в вертикальной плоскости (стрелы изгиба рельсовых нитей от хорды длиной 17 м в точке, расположенной на расстоянии 2,4 м от ее конца);- subsidence of rail threads in a vertical plane (bending arrows of rail threads from a chord 17 m long at a point located at a distance of 2.4 m from its end);
- сочетания отступлений по рихтовке с перекосами и просадками;- combination of straightening deviations with warps and subsidence;
- параметры устройства кривых в плане и по возвышению наружного рельса;- parameters of the device curves in plan and elevation of the outer rail;
- длинные неровности в плане и профиле (длиной до 150 метров).- long irregularities in plan and profile (up to 150 meters long).
Периодичность проверки приемоотправочных путей, где осуществляется безостановочный пропуск грузовых поездов, а также прием и отправление пассажирских поездов устанавливаются начальником службы пути, как правило, не реже 1 раза в квартал. Оценка проверенных приемоотправочных путей включается в общую оценку состояния рельсовой колеи по подразделениям путевого хозяйства.The frequency of checking acceptance routes where non-stop passage of freight trains is carried out, as well as the acceptance and departure of passenger trains are established by the head of the track service, as a rule, at least 1 time per quarter. Evaluation of proven pick-and-place tracks is included in the overall assessment of the state of the rail gauge by track facilities.
Для перевода измеренных двумя информационно-измерительными оптоволоконными кабелями физико-механических характеристик в виде распределений кривизны каждой рельсовой нити в вертикальной и горизонтальной плоскостях используют приведенный здесь специальный алгоритм преобразования этих характеристик геометрии рельсовой колеи в физико-механические характеристики, установленные нормативными документами на железной дороге, затем сравнивают эти характеристики с их предельными значениями для каждого участка железнодорожного пути и принимают решение о его состоянии, а также предельно-допустимой величине скорости движения поездов на каждом участке в соответствии с распоряжением ОАО «РЖД» от 20.12.2010 N 2650р «О введении в действие дополнительных нормативов по оценке состояния рельсовой колеи путеизмерительными средствами и мерам по обеспечению безопасности движения».To transfer the physical and mechanical characteristics measured by two information-measuring optical fiber cables in the form of distributions of the curvature of each rail filament in the vertical and horizontal planes, we use the special algorithm presented here to convert these characteristics of the rail track geometry into the physical and mechanical characteristics established by regulatory documents on the railway, then compare these characteristics with their limit values for each section of the railway track, etc. they make a decision about its condition, as well as the maximum permissible value of the speed of trains on each section in accordance with the order of Russian Railways dated 20.12.2010 N 2650r “On the implementation of additional standards for assessing the state of the rail gauge with travel measuring equipment and measures to ensure traffic safety. "
Место возникновения дефекта рельсовой нити или рельсового основания определяют по изменениям распределений ее продольной или поперечной жесткостей, а также поля температуры.The place of occurrence of a defect in the rail yarn or rail base is determined by changes in the distributions of its longitudinal or transverse stiffness, as well as the temperature field.
Первая часть этого положения обоснована в статье Барышевой В.Ю. «Исследование вертикальной жесткости рельсовых нитей при внутренних дефектах рельса» (https://sites.google.com/site/valentinkabar 777/jestkosty). В данной работе интерес представляет вертикальная жесткость рельсовой нити. Первостепенное значение придается 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. Внутренние трещины, возникающие в рельсовых нитях, имеют большое влияние на комфортность, скоростной режим и возможность эксплуатации рельсового пути. В настоящее время дефекты рельса выявляются только дефектоскопами, которые работают при малых скоростях и выявляют трещины только в головке рельса, а при рассмотрении вертикальной жесткости рельсовых нитей все эти недостатки отсутствуют. Вертикальная жесткость в совокупности с другими, измеряемыми путеизмерительным вагоном, параметрами может давать комплексную оценку эксплуатационного состояния рельсового пути, а анализ его изменения позволяет прогнозировать его дальнейшее состояние.The first part of this provision is substantiated in an article by V. Barysheva. “Study of vertical stiffness of rail threads with internal rail defects” (https://sites.google.com/site/valentinkabar 777 / jestkosty). In this paper, the vertical stiffness of the rail thread is of interest. The utmost importance is attached to the development of track diagnostics, since their condition is directly related to the safety of train traffic and the planning of repair work. The determining factor in this is the quality and timeliness of the diagnosis. In this regard, the need for modern means and methods of measurement is justified, allowing to control the parameters of the rail track at high speeds without compromising quality. Internal cracks that occur in rail threads have a great influence on comfort, speed and the ability to operate the rail. Currently, rail defects are detected only by flaw detectors, which operate at low speeds and detect cracks only in the rail head, and when considering the vertical stiffness of rail threads, all these disadvantages are absent. Vertical stiffness, in combination with other parameters measured by a track-measuring car, can provide a comprehensive assessment of the operational condition of the rail track, and an analysis of its change allows us to predict its further state.
Связь изменения температуры рельса с нахождением зоны концентрации напряжений показана в патенте РФ №2454344 «Способ контроля рельсовых плетей бесстыкового железнодорожного пути» авторов Фадеева B.C., Емельянова Е.Н., Конакова А.В. и др. Зоны с максимальной предрасположенностью к разрушению подвергают дополнительному контролю в случае превышения на 10-15 градусов или при снижении температуры на 50-60 градусов плети относительно температуры укладки плети в путь, при выявлении дефекта проводят его устранение. Именно поэтому в ИИОК (см. фиг. 10) имеется стекловолокно 21 для измерения поля температуры рельсовой нити.The relationship between changes in rail temperature and finding a zone of stress concentration is shown in RF patent No. 2454344 "Method for monitoring rail lashes of a jointless railway" by Fadeev B.C., Emelyanova EN, Konakova AV and others. Areas with a maximum susceptibility to destruction are subjected to additional control in the event of a 10-15 degree excess or a 50-60 degree decrease in temperature relative to the laying temperature of the whip in the path; if a defect is identified, it is eliminated. That is why in IIRK (see Fig. 10) there is
Для контроля усталостной прочности рельсовой колеи фиксируют количество циклических изменений распределений ее кривизны и суммарный вес перемещенных поездами грузов.To control the fatigue strength of the rail track, the number of cyclic changes in the distributions of its curvature and the total weight of the goods transported by trains are recorded.
Конечно, получив изменения во времени пространственных распределений кривизн обоих рельсовых нитей, целесообразно их сохранять, так как сравнивая их между собой через определенные интервалы времени можно выявить и зафиксировать цикличность их изменений, а тем самым при известных жесткостях рельсовых нитей по прогибам рельсов определить величины этих циклических нагрузок и характеристики усталостной прочности рельсовой колеи для сравнения с их предельными значениями.Of course, having received time-dependent changes in the spatial distributions of the curvatures of both rail threads, it is advisable to keep them, since comparing them with each other at certain time intervals, it is possible to identify and fix the cyclical nature of their changes, and thereby, with known stiffnesses of rail threads from the deflections of the rails, determine the values of these cyclic loads and fatigue characteristics of the rail gauge for comparison with their limiting values.
Для контроля возникновения дефектов ходовой части, например, колесных пар, перемещающихся по железнодорожному пути поездов, на его линейных участках фиксируют распределения спектров вибраций каждой рельсовой нити в диапазоне частот (1000-30000) Гц и после применения к этим сигналам быстрого преобразования Фурье их сравнивают с эталонными спектрами типовых дефектов, а при совпадении сравниваемых спектров определяют вид и место нахождения дефекта в ходовой части поезда.To control the occurrence of defects in the running gear, for example, wheelsets moving along the railway track of trains, the distributions of the vibration spectra of each rail thread in the frequency range (1000-30000) Hz are recorded on its linear sections and, after applying the fast Fourier transform to these signals, they are compared with reference spectra of typical defects, and when the compared spectra coincide, the type and location of the defect in the running gear of the train is determined.
В качестве доказательств реализуемости данных операций на рисунке фиг. 12 (Коломиец А.О. Алгоритмическое и программно-техническое обеспечение тензометрического контроля колес вагонов в движении. Дисс. канд. техн. наук, Новосибирск, 2016. - С. 66) приведены графики зависимости симметричных деформаций шейки левого 28 и правого 29 рельсов от времени при статическом нагружении силой 100 кН (а), 200 кН (б), 300 кН (в), 400 кН (г) и 500 кН (д) при высоте подрельсового балластного слоя 0,35 м. На фиг. 13 (Диагностические сигналы в системе Quo Vadis [112] - Force Sensors Line Guide // Sensing and Control Honeywell. - 2013. - №2. - P. 1-4) приведены сигналы, регистрируемые тензометрическими датчиками, установленными на левом 30 и правом 31 рельсах пути при прохождении четырех вагонов. В сигналах наблюдаются пики и колебания, связанные с прохождением колес с дефектами поверхности катания типа «ползун». В программном обеспечении системы предусмотрена компенсация пиков для более точного определения осевых нагрузок (и впоследствии массы поезда). Сигналы не зависят от скорости движения поезда при условии, что она превышает 40 км/ч. Для учета особенностей состояния инфраструктуры в месте расположения датчиков они автоматически калибруются при прохождении «эталонной» единицы подвижного состава, например, локомотива определенной серии, имеющего заведомо известную массу. Применение процессора БПФ (быстрого преобразования Фурье) для предварительной обработки такого рода сигналов позволяет значительно снизить время их последующего анализа.As evidence of the feasibility of these operations in the figure of FIG. 12 (Kolomiets AO Algorithmic and software and hardware support of strain gauge control of wagon wheels in motion. Diss. Candidate of technical sciences, Novosibirsk, 2016. - P. 66) graphs of the dependence of the symmetrical deformations of the neck of the left 28 and right 29 rails on time under static loading with a force of 100 kN (a), 200 kN (b), 300 kN (c), 400 kN (g) and 500 kN (d) with a height of the under-rail ballast layer of 0.35 m. In FIG. 13 (Diagnostic signals in the Quo Vadis system [112] - Force Sensors Line Guide // Sensing and Control Honeywell. - 2013. - No. 2. - P. 1-4) shows the signals recorded by strain gauges installed on the left 30 and right 31 track rails when passing four wagons. Peaks and vibrations are observed in the signals associated with the passage of wheels with defects of the sliding surface of the “slider” type. The system software provides peak compensation to more accurately determine axial loads (and subsequently train masses). The signals do not depend on the speed of the train, provided that it exceeds 40 km / h. To take into account the peculiarities of the state of infrastructure at the location of the sensors, they are automatically calibrated when passing through the “reference” unit of rolling stock, for example, a locomotive of a certain series, which has a known mass. The use of an FFT processor (fast Fourier transform) for pre-processing such signals can significantly reduce the time of their subsequent analysis.
Необходимость спектрального контроля каждой рельсовой нити для выявления дефектов рельсов и колесных пар, кроме необходимости контроля геометрии рельсовой колеи однозначно подтверждают необходимость для осуществления контроля состояния рельсовой колеи установки не менее двух ИИОК, по крайней мере по одному ИИОК на каждой рельсовой нити.The need for spectral monitoring of each rail yarn to identify defects in rails and wheel sets, in addition to the need to control the geometry of the rail track, clearly confirms the need for monitoring the state of the rail track of at least two IIECs, at least one IIEC on each rail thread.
Таким образом сущность заявленного способа заключается в выполнении следующих новых операций:Thus, the essence of the claimed method is to perform the following new operations:
- изготовлении по крайней мере двух ИИОК с заполнением светоотражающей оболочки каждого из них, содержащей пять стекловолокон, тиксотропным иммерсионым гелем;- the manufacture of at least two IIEC with the filling of the reflective shell of each of them, containing five glass fibers, with a thixotropic immersion gel;
- осуществлении в каждом ИИОК свободной с запасом по длине укладки всех стекловолокон в светоотражающую оболочку кабеля и защитном покрытии этой оболочки из твердого диэлектрика, имеющего линейное температурное расширение равное или близкое рельсовой стали;- implementation in each RISC of free with a margin along the length of laying all the glass fibers in the reflective sheath of the cable and the protective coating of this sheath of solid dielectric having a linear thermal expansion equal to or close to rail steel;
- закреплении по крайне мере двух ИИОК на внутренней поверхности шейки рельса, причем первого по линии, образованной от пересечения ее поверхностью нейтральных осей поперечных сечений рельса по всей длине левой рельсовой нити, а второго - правой рельсовой нити;- fixing at least two IIEC on the inner surface of the neck of the rail, the first along the line formed from the intersection of its surface by the neutral axes of the cross sections of the rail along the entire length of the left rail thread, and the second - the right rail thread;
- размещении обоих ИИОК в стальных защитных кожухах с поперечным сечением прямоугольной формы, которые приваривают к внутренней поверхности шейки каждого рельса по всей его длине;- the placement of both IIEC in steel protective casings with a rectangular cross-section, which are welded to the inner surface of the neck of each rail along its entire length;
- подаче оптических импульсов на вход каждого стекловолокна опорно-информационного канала двух ИИОК от одного источника модулированной волновой энергии;- the supply of optical pulses to the input of each fiberglass of the reference information channel of two IIEC from one source of modulated wave energy;
- промежуточном усилении и синхронизации оптических сигналов путем их задержки по времени в обоих ИИОК одновременно через заданные отрезки рельсовой колеи;- intermediate amplification and synchronization of optical signals by delaying them in time in both IIRICs simultaneously through predetermined sections of the rail track;
- калибровке обоих ИИОК по данным последних измерений геометрии рельсовой колеи и распределений продольной и поперечной жесткостей рельсовых нитей с учетом действия подрельсового основания, полученным с помощью путеизмерительного вагона;- calibration of both IIEC according to the latest measurements of the geometry of the rail track and the distributions of the longitudinal and transverse stiffnesses of the rail threads, taking into account the action of the rail base, obtained using a track-measuring car;
- переводе измеренных двумя ИИОК распределений кривизны каждой рельсовой нити в вертикальной и горизонтальной плоскостях с помощью специального алгоритма преобразования этих характеристик геометрии рельсовой колеи в физико-механические характеристики, установленные нормативными документами на железной дороге, затем сравнении этих характеристик с их предельными значениями для каждого участка железнодорожного пути и принятии решения о его состоянии, а также предельно-допустимой величине скорости движения поездов на каждом участке;- the translation of the distributions of the curvature of each rail filament measured by two IIECs in the vertical and horizontal planes using a special algorithm for converting these characteristics of the geometry of the rail gauge into physical and mechanical characteristics established by regulatory documents on the railway, then comparing these characteristics with their limit values for each section of the railway ways and decisions about its condition, as well as the maximum permissible value of the speed of trains in each section;
- определении места возникновения дефекта рельсовой нити или рельсового основания по изменениям распределений ее продольной или поперечной жесткостей, а также поля температуры;- determining the place of occurrence of a defect in a rail yarn or rail base from changes in the distributions of its longitudinal or transverse stiffness, as well as the temperature field;
- фиксации количества циклических изменений распределений кривизны рельсовой колеи и суммарного веса перемещенных по ней поездами грузов;- fixing the number of cyclic changes in the distributions of the curvature of the rail gauge and the total weight of goods moved along it by trains;
- фиксации распределения спектров вибраций каждой рельсовой нити и их сравнении с эталонными спектрами типовых дефектов, а при совпадении сравниваемых спектров определении вида и места нахождения дефекта в ходовой части поезда.- fixing the distribution of the vibration spectra of each rail yarn and their comparison with the reference spectra of typical defects, and if the compared spectra coincide, determining the type and location of the defect in the running gear of the train.
Устройство для контроля состояния длинномерного объекта в виде рельсовой колеи бесстыкового железнодорожного пути, реализующее предлагаемый способ, показано на фиг. 14. Оно содержит источник модулированной волновой энергии 33, выполненный в виде импульсного когерентного лазера 34, подключенного через оптический усилитель 35 и оптический разъем 36 в виде оптического ответвителя, на входы двух информационно-измерительных оптоволоконных кабелей ИИОК 1 и ИИОК 2. Каждый ИИОК (см. фиг. 10) содержит один опорно-информационный канал в виде цилиндрического кварцевого стекловолокна 12, вход которого и является входом указанного кабеля, и четыре измерительных канала, также в виде цилиндрических кварцевых стекловолокон 13, 21 и 22, изолированных между собой и взаимодействующих с опорно-информационным каналом по всей длине кабеля, при этом все пять указанных стекловолокон 12, 13, 21 и 22 помещены в одну общую светоотражающую оболочку 14 крестообразной формы в поперечном сечении, заполненную тиксотропным иммерсионным гелем 15, которая отделена твердым диэлектриком 23 от главной защитной оболочки ИИОК - стального кожуха 24 с прямоугольным профилем поперечного сечения, приваренного в точках 25 к внутренней поверхности 16 шейки рельса. Каждый ИИОК закреплен как показано на фиг. 11 и 14, причем ИИОК 1 на внутренней поверхности левой рельсовой нити 4, а ИИОК 2 - правой рельсовой нити 5 (фиг. 14). Выходы каждого из этих кабелей, в данном случае - выходы всех пяти указанных стекловолокон в кабеле, через второй оптический разъем 37 и блок фотоприемников 38, содержащий десять фотоприемников (по пять для каждого кабеля), подключены к входу демодулятора 39, имеющего в своем составе восемь схем синхронного детектирования с гетеродинным преобразователем частот электрических сигналов (на фиг. 14 не показаны для упрощения схемы устройства).A device for monitoring the condition of a long object in the form of a rail track of a jointless railway that implements the proposed method is shown in FIG. 14. It contains a modulated wave energy source 33, made in the form of a pulsed
Каждая схема синхронного детектирования в демодуляторе 39 выполнена в виде подключенных к выходам блока фотоприемников 38 (двух фотоприемников оптических сигналов опорно-информационного и одного измерительного каналов) двух синхронных детекторов, интегратора, подключенного к выходу одного из них, и связанного с выходами интегратора, второго синхронного детектора и операционного усилителя. Дополнительно, эта схема, снабжена гетеродинным преобразователем частот сигналов, включенным между выходами блока фотоприемников 38 и входами синхронных детекторов. Более подробное описание схемы содержится в патенте SU 1742615.Each synchronous detection circuit in the demodulator 39 is made in the form of two synchronous detectors connected to the outputs of the block of photodetectors 38 (two photodetectors of optical signals of the reference information and one measuring channel), an integrator connected to the output of one of them, and connected to the outputs of the integrator, the second synchronous detector and operational amplifier. Additionally, this circuit is equipped with a local oscillator frequency converter of signals included between the outputs of the block of photodetectors 38 and the inputs of synchronous detectors. A more detailed description of the circuit is contained in patent SU 1742615.
Выход демодулятора 39 в устройстве контроля на фиг. 14 соединен с входом блока АЦП 40, в свою очередь выход которого, является входом процессора БПФ 43, последовательно соединенного с вычислительным устройством 41 и видеотерминалом 42. Второй выход блока АЦП 40 непосредственно подключен к второму входу вычислительного устройства 41, третий вход которого в свою очередь соединен с выходом буферной памяти 44.The output of the demodulator 39 in the control device of FIG. 14 is connected to the input of the
В разрез кабелей ИИОК 1 и ИИОК 2 через определенные расстояния, определяемые допустимым отношением сигнал/помеха, установлены промежуточные оптические усилители 45 с задержкой времени, на основе принципа эшелонов Майкельсона (см. Материал из Википедии https://ru.wikipedia.org/wiki/Линия_задержки).Intermediate
Реализация предложенного способа при работе устройства контроля состояния длинномерного объекта, в данном случае рельсовой колеи бесстыкового железнодорожного пути, показанного на фиг. 14, осуществляется следующим образом.The implementation of the proposed method when the device is used to monitor the state of a long object, in this case, the rail track of the jointless railway shown in FIG. 14 is carried out as follows.
Источник модулированной волновой энергии 33, содержащий соединенные между собой, импульсный когерентный лазер 34, оптический усилитель 35 и оптический разъем 36 генерирует последовательность оптических импульсов длительностью Т=L/V, где V - скорость света в стекловолокне 12 (фиг. 10) опорно-информационного канала n1 с шириной спектра порядка 1/Т и временным интервалом T1 между импульсами. Эти импульсы поступают на входы стекловолокон 12 опорно-информационных каналов ИИОК 1 и ИИОК 2. Указанные кабели длиной L последовательно закреплены (см. фиг. 14) по образующим внутренних поверхностей левой и правой рельсовых нитей 4, 5. В процессе распространения опорного светового импульса в стекловолокне 12 за счет оптического светопроводящего контакта, созданного иммерсионным тиксотропным гелем 15, с четырьмя измерительными каналами стекловолокон 13, 21 и 22 (см. фиг. 10), в каждый из этих каналов поступает часть световой энергии, образуя на выходе канала измерительный световой импульс, в амплитудно-фазочастотных характеристиках которого содержится информация о контролируемых с помощью ИИОК 1 И ИИОК 2 физико-механических характеристиках левой и правой рельсовых нитей 4, 5 (фиг. 14). В частности, для контроля распределений кривизны левой рельсовой нити 4 в вертикальной и горизонтальной плоскостях в ИИОК 1 по всей его длине L помещены две, ортогонально расположенные, пары стекловолокон 12 и 13 с зоной светового контакта вдоль образующих их цилиндрических поверхностей (см. фиг. 10). На выходах этих стекловолокон 13 с запаздыванием, определяемым разностью скоростей распространения световых импульсов в опорном 12 и двух измерительных стекловолокнах 13 из-за разных показателей преломления n1>n2, появятся измерительные световые импульсы, содержащие информацию о распределениях производной кривизны левой рельсовой нити 4 (фиг. 14) в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Аналогичные процессы происходят и в ИИОК 2, в результате которых на выходе этого кабеля получают световой импульс с информацией в виде изменения его амплитуды о распределениях производной кривизны правой рельсовой нити 5 в вертикальной и горизонтальной плоскостяхA modulated wave energy source 33 comprising interconnected pulsed
В свою очередь, в ИИОК 1 и ИИОК 2 (фиг. 10) имеется дополнительная пара взаимодействующих между собой цилиндрических кварцевых стекловолокна 12 и 21 с одинаковыми показателями преломления n1=n2. При этом цилиндрическое кварцевое стекловолокно 21 измерительного канала n2 выбрано с линейной зависимостью диэлектрической проницаемости, в данном случае активного стекловолокна 21, от температуры, что обеспечивает появление разности скоростей световых импульсов в опорном 12 и измерительном 21 стекловолокнах пропорционально изменению окружающей температуры.In turn, in
Вторая дополнительная пара взаимодействующих между собой цилиндрических кварцевых стекловолокон 12 и 22 с разными показателями преломления n1>n2, создана в ИИОК 1 и ИИОК 2 (фиг. 10) для контроля распределений полей вибраций левой 4 и правой 5 рельсовых нитей (фиг. 14), возникающих в результате движения поездов. По сути здесь в измерительном световом импульсе, образованном в стекловолокне 22 из-за его колебаний под воздействием волн звукового давления фиксируются спектральные, амплитудно-фазочастотные характеристики вибраций. На фиг. 13 показан пример спектральных характеристик 30 и 31 вибраций левой 4 и правой 5 рельсовых нитей при прохождении поезда, полученных от тензометрических датчиков, наклеенных на шейку рельса. Здесь же выделены фрагменты спектров вибраций, соответствующих дефектам колесных пар подвижного состава. Диапазон частот этих вибраций составляет (1000-30000) Гц (см., например, Материалы форума «Диагностика на транспорте», http://vibro-expert.ru/forum/9-obshie-voprosi-diagnostiki/diagnostika-na-transporte/Page-3.html) и спектры этих вибраций в дальнейшем идентифицируются со спектрами вызывающих их дефектов, например, с помощью корреляционного анализа.The second additional pair of interacting
Поскольку в ИИОК 1 и ИИОК 2 используется одно общее стекловолокно 12 опорно-информационного канала для всех четырех измерительных стекловолокон 13, 21 и 22 (см. фиг. 10), то с выхода каждого указанного кабеля через оптический разъем 37 на вход блока фотоприемников 38 (см. фиг. 14) поступают один опорный и четыре измерительных оптических импульса, содержащие информацию о распределениях производной кривизн левой 4 и правой 5 рельсовых нитей в вертикальной и горизонтальной плоскостях, а также полей вибраций и температуры вдоль этих нитей. Указанные оптические сигналы неоднократно усиливаются с помощью промежуточных оптических усилителей 45, установленных в разрез ИИОК 1 и ИИОК 2 вблизи источников электроэнергии, например, на территории железнодорожных станций. Для повышения селективности контроля в усилителе 45 в опорно-информационный канал каждого кабеля введена одинаковая оптическая линия задержки, реализующая принцип эшелонов Майкельсона. Затем с помощью блока фотоприемников 38 оптические сигналы с выходов обоих кабелей ИИОК 1 и ИИОК 2 преобразуются в электрические сигналы, поступающие на вход демодулятора 39. Здесь производится понижение частоты, выделение информационной огибающей, а также интегрирование и усиление измерительных электрических сигналов, синхронизированных по сигналу опорно-информационного канала.Since
С выхода демодулятора 39 все электрические сигналы поступают на вход блока АЦП 40, где они преобразуются в цифровые коды и на выходе блока АЦП 40 измерительные сигналы разделяются: цифровые коды, соответствующие распределениям кривизны рельсовых нитей 4 и 5 в вертикальной и горизонтальной плоскостях, а также поля температуры вдоль рельсовых нитей поступают сразу в вычислительное устройство 41, а цифровые коды гармонических сигналов, соответствующих распределению полей вибраций вдоль каждой рельсовой нити только после предварительной обработки в процессоре БПФ 43.From the output of the demodulator 39, all electrical signals are fed to the input of the
В вычислительном устройстве 41 по известным разностям скоростей распространения световых сигналов в опорном 12 и измерительных световолокнах 13, 21, 22 каждого ИИОК 1 и ИИОК 2 производится масштабное преобразование временных измерительных цифровых сигналов, поступивших с выходов блока АЦП 40 и процессора БПФ 43, в пространственные распределения кривизн рельсовых нитей 4 и 5 в вертикальной и горизонтальной плоскостях, а также полей температуры и вибраций вдоль осей ИИОК 1 и ИИОК 2.In the computing device 41, according to the known differences in the propagation speeds of the light signals in the
С помощью данных об изгибных жесткостях рельсовых нитей 4 и 5 с учетом подрельсовых оснований, а также других конструктивных параметров рельсовой колеи и ИИОК 1, ИИОК 2, хранящихся в буферной памяти 44, по измеренным распределениям кривизны в вычислительном устройстве 41 производится расчет распределений изгибающих моментов, сил и напряжений, действующих в горизонтальной и вертикальной плоскостях каждой рельсовой нити 4 и 5. При прохождении локомотива или поезда с известным весом, по полученной кривизне этих нитей определяют существующие распределения жесткостей рельсов в вертикальной и горизонтальной плоскостях для их последующего анализа.Using data on the bending stiffnesses of the
С учетом измеренных полей температуры рельсов, а также сравнения измеренных распределений нагрузок с данными о предельно допустимых значениях (пределах упругой прочности), поступающим в вычислительное устройство 41 из буферной памяти 44, делается вывод о прочностном состоянии рельсовой колеи.Taking into account the measured temperature fields of the rails, as well as comparing the measured load distributions with data on the maximum permissible values (elastic strength limits) entering the computing device 41 from the
Кроме контроля статической прочности рельсовых нитей 4 и 5 в вычислительном устройстве 41 производится оценка динамической (усталостной) прочности рельсов за счет учета количества циклических изменений и величины нагрузок на рельсы. Полученные при прохождении пассажирских и грузовых поездов распределения нагрузок по времени и в пространстве сохраняются в буферной памяти 44. Далее производится сравнение полученных характеристик с заданными пределами усталостной прочности рельса.In addition to monitoring the static strength of
Следующей важной функцией вычислительного устройства 41 является перевод измеренных ИИОК 1 и ИИОК 2 характеристик геометрии рельсовой колеи в виде распределений кривизны каждой рельсовой нити 4 и 5 в вертикальной и горизонтальной плоскостях в зависимости от дуговой координаты, задаваемой продольной осью каждого кабеля или рельсовой нити, в обычные декартовые координаты. Вызвано это тем, что характеристики геометрии рельсовой колеи, установленные нормативными документами на железной дороге (распоряжение ОАО «РЖД» от 20.12.2010 N 2650р «О введении в действие дополнительных нормативов по оценке состояния рельсовой колеи путеизмерительными средствами и мерам по обеспечению безопасности движения») представлены именно в декартовых координатахThe next important function of the computing device 41 is the translation of the measured
Для этого используют известные из дифференциальной геометрии формулы, а также специальные алгоритмы, помещенные в описании данной заявки. Затем сравнивают полученные характеристики геометрии колеи с их предельно-нормативными значениями для каждого участка железнодорожного пути и принимают решение о его состоянии, а также предельно-допустимой величине скорости движения поезда 32 на каждом участке.For this, formulas known from differential geometry are used, as well as special algorithms placed in the description of this application. Then, the obtained characteristics of the gauge geometry are compared with their maximum normative values for each section of the railway track and a decision is made about its condition, as well as the maximum permissible value of the speed of
Для анализа распределения полей вибраций вдоль рельсовых нитей 4 и 5 при движении поезда 32 в вычислительном устройстве 41 производится сравнение измеренных ИИОК 1 и ИИОК 2 спектров вибраций с эталонными (соответствующими типовым дефектам рельсов и колесных пар), хранящимися в цифровом виде в буферной памяти 44. Причем для некоторых источников вибраций, например, локальном разрушении контактной поверхности колеса (см. фиг. 13) или трещины в рельсе, спектры вибраций рельса давно известны и хорошо изучены. Для идентификации спектра обычно применяются методы прямого сравнения оцифрованных гармоник или корреляционного анализа.To analyze the distribution of the vibration fields along the
Дополнительным источником подтверждения вида и места нахождения дефекта рельса (например, трещины) является скачок температуры в зоне дефекта. Поэтому в вычислительном устройстве 41 при определении дефектов рельсов по результатам анализа полей вибраций параллельно контролируется поле температуры вдоль рельсовых нитей 4 и 5. Эти же данные по температуре используются не только при расчетах прочностных и усталостных характеристик рельсовой колеи, а также определении возникновения пожаров подвижного состава и в зоне железнодорожной колеи.An additional source of confirmation of the type and location of the rail defect (for example, cracks) is a temperature jump in the defect zone. Therefore, in the computing device 41, when determining rail defects by analyzing vibration fields, the temperature field is simultaneously controlled along the
Все вышеперечисленные геометрические и физико-механические характеристики рельсовой колеи, формируются с помощью вычислительного устройства 41 и отображаются на экране видеотерминала 42 для принятия решения оператором об устранении неисправностей рельсовой колеи или подвижного состава, предотвращении аварии или изменении режима движения поездов.All of the above geometric and physico-mechanical characteristics of the rail gauge are generated using the computing device 41 and displayed on the screen of the video terminal 42 for the operator to make a decision on troubleshooting the rail gauge or rolling stock, preventing an accident or changing the mode of train movement.
Импульсный когерентный лазер 34, оптический усилитель 35, оптические разъемы 36 и 37, блок фотоприемников 38, блок аналого-цифровых преобразователей (АЦП) 40, процессор быстрого преобразования Фурье (БПФ) 43, вычислительное устройство 41, видеотерминал 42, буферная память 44 и промежуточный оптический усилитель 45, входящие в состав устройства на фиг. 14, являются стандартными электронными изделиями.Pulse
Для проверки и подтверждения основных положений заявленного здесь способа и реализующего его устройства была создана экспериментальная установка с реализацией возможности контроля состояния защемленной пологой оболочки в виде стального листа и закрепленной по образующей его поверхности ИВЛ с двумя взаимодействующими световолокнами, помещенными в общую светоотражающую оболочку, заполненную иммерсионной жидкостью.To verify and confirm the main provisions of the method claimed here and the device implementing it, an experimental setup was created with the possibility of monitoring the state of a pinched gently sloping shell in the form of a steel sheet and fixed along the forming surface of the mechanical ventilation with two interacting optical fibers placed in a common reflective shell filled with immersion liquid .
На фиг. 15 приведена полученная в ходе экспериментов зависимость напряжения на выходе демодулятора от кривизны стальной пластины в экспериментальной установке.In FIG. Figure 15 shows the dependence of the voltage at the output of the demodulator on the curvature of the steel plate obtained in the experiments in the experimental setup.
На фиг. 16 изображены кривые изгиба стальной пластины, полученные при различных статических нагрузках от 0 до 300 Н. Причем для перевода измеренных с помощью ИВЛ распределений кривизны образующей поверхности пластины в зависимости от дуговой координаты в кривые изгиба в декартовых координатах использованы приведенные в описании данного изобретения алгоритмы.In FIG. Figure 16 shows the bending curves of a steel plate obtained at various static loads from 0 to 300 N. Moreover, the algorithms described in the description of the present invention were used to translate the distributions of the curvature of the forming surface of the plate, depending on the arc coordinate, depending on the arc coordinate into the bending curves in Cartesian coordinates.
Фиг. 17 а) и b) содержит фотографии основных частей экспериментальной установки. Здесь показаны следующие позиции. Сварная рама 48 с односторонне закрепленным болтами стальным листом 49 и приклеенной к его поверхности ИВЛ 50, а также нагрузочное устройство 51.FIG. 17 a) and b) contains photographs of the main parts of the experimental setup. The following items are shown here. Welded
Проведенные на установке эксперименты подтвердили реализуемость заявленного способа контроля и корректность формулирования его основных положений.The experiments conducted on the installation confirmed the feasibility of the claimed control method and the correctness of the formulation of its main provisions.
Изобретение может использоваться практически во всех научно-технических областях и сферах промышленного производства, где необходимо осуществлять контроль состояния длинномерных объектов по распределениям кривизны по крайней мере двух образующих поверхности этих объектов, а также полей температуры и вибраций.The invention can be used in almost all scientific and technical fields and spheres of industrial production, where it is necessary to monitor the state of long objects by the distributions of the curvature of at least two surface forming these objects, as well as temperature and vibration fields.
Наиболее целесообразным является применение предлагаемого изобретения для создания систем мониторинга протяженных грузонесущих конструкций в виде рельсовой колеи железнодорожного полотна местных и магистральных железных дорог, метрополитена, горнорудного и строительного производства, а также подвижного состава, перемещающегося по этим конструкциям. Контроль физико-механических характеристик таких длинномерных объектов, прежде всего их геометрии в пространстве, позволяет предотвратить значительное число аварий, происходящих на железной дороге.The most appropriate is the application of the present invention to create monitoring systems for long load-bearing structures in the form of a rail track of the local and main railways, subways, mining and construction, as well as rolling stock moving along these structures. Monitoring the physico-mechanical characteristics of such long objects, especially their geometry in space, helps to prevent a significant number of accidents occurring on the railway.
Claims (19)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017138070A RU2676176C1 (en) | 2017-11-01 | 2017-11-01 | Method of state control of a long object and device for its implementation for railway |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017138070A RU2676176C1 (en) | 2017-11-01 | 2017-11-01 | Method of state control of a long object and device for its implementation for railway |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2676176C1 true RU2676176C1 (en) | 2018-12-26 |
Family
ID=64753644
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017138070A RU2676176C1 (en) | 2017-11-01 | 2017-11-01 | Method of state control of a long object and device for its implementation for railway |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2676176C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2803609C1 (en) * | 2023-07-07 | 2023-09-18 | Общество с ограниченной ответственностью "ВНИИЖТ-ИНЖИНИРИНГ" | Method for strain gauge monitoring of the rolling surface of railway cars wheels |
CN117989995A (en) * | 2024-01-31 | 2024-05-07 | 唐山市神州科贸有限公司 | Long-distance irregular surface environment variable sensing device and assembly method thereof |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1742615A1 (en) * | 1987-05-05 | 1992-06-23 | Центральный научно-исследовательский геологоразведочный институт цветных и благородных металлов | Method for testing state of long object and device |
SU1791702A2 (en) * | 1987-10-30 | 1993-01-30 | Tsni Geologorazvedochnyj I Tsv | Method of checking state of long-measure object |
SU1791757A2 (en) * | 1987-10-30 | 1993-01-30 | Tsni Geologorazvedochnyj I Tsv | Method and device for controlling the state of a long-size object |
WO2017075712A1 (en) * | 2015-11-05 | 2017-05-11 | Hifi Engineering Inc. | A method and system for simulating a leak in a pipeline, and an outlet for coupling a conduit to a pipeline |
-
2017
- 2017-11-01 RU RU2017138070A patent/RU2676176C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1742615A1 (en) * | 1987-05-05 | 1992-06-23 | Центральный научно-исследовательский геологоразведочный институт цветных и благородных металлов | Method for testing state of long object and device |
SU1791702A2 (en) * | 1987-10-30 | 1993-01-30 | Tsni Geologorazvedochnyj I Tsv | Method of checking state of long-measure object |
SU1791757A2 (en) * | 1987-10-30 | 1993-01-30 | Tsni Geologorazvedochnyj I Tsv | Method and device for controlling the state of a long-size object |
WO2017075712A1 (en) * | 2015-11-05 | 2017-05-11 | Hifi Engineering Inc. | A method and system for simulating a leak in a pipeline, and an outlet for coupling a conduit to a pipeline |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2803609C1 (en) * | 2023-07-07 | 2023-09-18 | Общество с ограниченной ответственностью "ВНИИЖТ-ИНЖИНИРИНГ" | Method for strain gauge monitoring of the rolling surface of railway cars wheels |
CN117989995A (en) * | 2024-01-31 | 2024-05-07 | 唐山市神州科贸有限公司 | Long-distance irregular surface environment variable sensing device and assembly method thereof |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP3388812B1 (en) | Monitoring transportation systems | |
Lai et al. | Development of a Fiber‐Optic Sensing System for Train Vibration and Train Weight Measurements in Hong Kong | |
Velha et al. | Monitoring large railways infrastructures using hybrid optical fibers sensor systems | |
Wei et al. | Real-time train wheel condition monitoring by fiber Bragg grating sensors | |
Bocciolone et al. | Pantograph–catenary monitoring by means of fibre Bragg grating sensors: Results from tests in an underground line | |
Roveri et al. | Real-time monitoring of railway infrastructures using fibre Bragg grating sensors | |
Floris et al. | Measurement uncertainty of multicore optical fiber sensors used to sense curvature and bending direction | |
Tam et al. | Utilization of fiber optic Bragg Grating sensing systems for health monitoring in railway applications | |
Kang et al. | Design and development of structural health monitoring system for smart railroad-gauge-facility using FBG sensors | |
JP6346852B2 (en) | Optical fiber bending shape measuring apparatus and bending shape measuring method thereof | |
EP2112047B1 (en) | A method and installation for the measuring and extended monitoring of the stress state of a continuously welded rail (CWR) | |
Gao et al. | A simple method for dynamically measuring the diameters of train wheels using a one-dimensional laser displacement transducer | |
Moore | Shape sensing using multi-core fiber | |
RU2676176C1 (en) | Method of state control of a long object and device for its implementation for railway | |
Martincek et al. | Interferometric optical fiber sensor for monitoring of dynamic railway traffic | |
EP3568312B1 (en) | Optical monitoring system | |
CN102252627A (en) | Gauge detection device and detection method for high-speed railway track | |
Minardo et al. | Distributed optical fiber sensors for integrated monitoring of railway infrastructures | |
Karapanagiotis et al. | Distributed fiber optic sensors for structural health monitoring of composite pressure vessels | |
Molatefi et al. | Analysis of new method for vertical load measurement in the barycenter of the rail web by using FEM | |
JPH01503492A (en) | Method for monitoring the condition of a long object and device for implementing the method | |
Lee et al. | Exploration of using FBG sensor for derailment detector | |
Liu et al. | Structural health monitoring method of pantograph–catenary system based on strain response inversion | |
Kalizhanova et al. | Bridge vibration analysis using fiber-optic Bragg sensors with an inclined grid | |
Zhang et al. | Qibo Feng |