RU2818020C1 - Rolling stock wheel pair defect control system - Google Patents

Rolling stock wheel pair defect control system Download PDF

Info

Publication number
RU2818020C1
RU2818020C1 RU2023134461A RU2023134461A RU2818020C1 RU 2818020 C1 RU2818020 C1 RU 2818020C1 RU 2023134461 A RU2023134461 A RU 2023134461A RU 2023134461 A RU2023134461 A RU 2023134461A RU 2818020 C1 RU2818020 C1 RU 2818020C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
horn
rail
input
fiber
reflectometer
Prior art date
Application number
RU2023134461A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Алексей Николаевич Белов
Александр Владимирович Вуколов
Владимир Валерьевич Кудюкин
Валерий Иванович Кузнецов
Сергей Сергеевич Кукушкин
Агоп Ервандович Хатламаджиян
Original Assignee
Акционерное общество "Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт информатизации, автоматизации и связи на железнодорожном транспорте"
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт информатизации, автоматизации и связи на железнодорожном транспорте" filed Critical Акционерное общество "Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт информатизации, автоматизации и связи на железнодорожном транспорте"
Application granted granted Critical
Publication of RU2818020C1 publication Critical patent/RU2818020C1/en

Links

Abstract

FIELD: railway automation and telemechanics.
SUBSTANCE: rolling stock wheel pair defect control system comprises a single-mode fibre-optic cable laid in the ground, one side of which is made with a sealed plug, other side is connected to input/output of coherent reflectometer, by other output connected to input of processing unit, and a sensitive element connected to the fibre of the fibre-optic cable, which includes k turns of single-mode optical fibre, fixed on the sensitive membrane of the rear wall of the horn, horn is installed on a support at a given distance from the rail and height from the level of the railroad bed with the direction of the central axis of the horn to the point of contact of the wheel rolling surface with the rail surface, also used is a horn with geometrical dimensions, providing maximum coefficient of sound wave energy concentration on sensitive membrane, number of turns is selected depending on pulse width of coherent optical radiation of reflectometer laser.
EFFECT: improving reliability and accuracy of diagnostics and identification of faults of passing rolling stock wheels in real time.
3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области железнодорожной автоматики и телемеханики и может быть использовано для диагностики технического состояния колесных пар проходящего железнодорожного состава.The invention relates to the field of railway automation and telemechanics and can be used to diagnose the technical condition of wheel sets of passing trains.

Известна система контроля поверхности катания колеса железнодорожной колесной пары, содержащая датчики динамических нагрузок, закрепленные на рельсе, датчики зоны контроля и блок обработки, выходами соединенный с первым информационным входом блока принятия решений, датчики динамических нагрузок выполнены в виде волоконно-оптических датчиков давления, размещенных на измерительном участке пути длиной не меньше длины окружности колеса между шпалой и рельсом по разные стороны пути, датчики зоны контроля расположены вдоль рельса в начале и в конце измерительного участка и соединены через блок сопряжения с входом включения блока питания, а также с входами счетчика колесных пар и блока вычисления скорости движения поезда, в систему введены датчики температуры щебеночного балласта, установленные по обе стороны пути на глубине уровня подошвы шпалы, блок эталонных значений температур, блок сравнения, входы которого подключены к выходам датчиков температур и блока эталонных значений температур, а выход - к входу блока корректировки, выходы которого подключены к входам блока обработки, а другие входы - к выходам преобразователя, входами подключенного к выходным концам волоконно-оптических датчиков, входные концы которых соединены с источником оптического излучения, блок вычисления динамического коэффициента, выходом подключенный ко второму информационному входу блока принятия решений, блок выделения динамической составляющей усилий и блок выделения статической составляющей усилий, включенные между выходом блока обработки и входами блока вычисления динамического коэффициента, блок идентификации вагонов, блок индикации и блок хранения информации, при этом выходы счетчика колесных пар и блока идентификации вагонов подключены к третьему и четвертому информационным входам блока принятия решений, соответствующие входы/выходы которого соединены с выходами/входами блока хранения информации, а другие выходы - соответственно с блоком индикации, блоком корректировки и посредством канала связи с персональным компьютером автоматизированного рабочего места работника диспетчерского центра (RU 92840, В61К 9/12, 2010.04.10).A known system for monitoring the rolling surface of a railway wheelset contains dynamic load sensors mounted on the rail, control zone sensors and a processing unit, outputs connected to the first information input of the decision-making unit, the dynamic load sensors are made in the form of fiber-optic pressure sensors placed on measuring section of the track with a length not less than the circumference of the wheel between the sleeper and the rail on opposite sides of the track, the control zone sensors are located along the rail at the beginning and end of the measuring section and are connected through an interface unit to the input of the power supply, as well as to the inputs of the wheel set counter and block for calculating the train speed, the system includes crushed stone ballast temperature sensors installed on both sides of the track at the depth of the sleeper sole, a block of reference temperature values, a comparison block, the inputs of which are connected to the outputs of the temperature sensors and the block of reference temperature values, and the output - to the input of the correction unit, the outputs of which are connected to the inputs of the processing unit, and the other inputs are connected to the outputs of the converter, the inputs of which are connected to the output ends of fiber-optic sensors, the input ends of which are connected to the source of optical radiation, the dynamic coefficient calculation unit, the output of which is connected to the second information input decision-making block, a block for isolating the dynamic component of forces and a block for isolating the static component of forces, connected between the output of the processing block and the inputs of the block for calculating the dynamic coefficient, a car identification block, an indication block and an information storage block, while the outputs of the wheel pair counter and the car identification block are connected to the third and fourth information inputs of the decision-making block, the corresponding inputs/outputs of which are connected to the outputs/inputs of the information storage block, and the other outputs are connected, respectively, to the display block, the adjustment block and through a communication channel with the personal computer of the automated workstation of the dispatch center employee (RU 92840, V61K 9/12, 2010.04.10).

Недостатком известного решения является невозможность выявления дефектов буксовых узлов при контроле поверхности катания колеса вагонов.The disadvantage of the known solution is the impossibility of identifying defects in axlebox units when monitoring the rolling surface of a car wheel.

Наиболее близким аналогом является система ранней диагностики подшипников буксовых узлов колесной пары движущегося поезда, содержащая, по меньшей мере, двенадцать приемников акустических сигналов, выход каждого из которых соединен с соответствующим входом блока усиления, блок обработки, включающий последовательно соединенные полосовой фильтр, формирователь сигнала, аналого-цифровой преобразователь и амплитудный детектор, блок анализа, содержащий блок вычисления диагностических параметров, входы которого подключены к выходам амплитудного детектора, блок принятия решения и блок сравнения, включенный между блоком вычисления диагностических параметров и блоком принятия решения, блок задаваемых диагностических параметров, подключенный к третьему входу блока сравнения, блок памяти, блок выдачи информации, блок определения скорости поезда, выходом подключенный к соответствующему входу блока вычисления диагностических параметров и блока принятия решений, выходом соединенного с входом блока памяти и блока выдачи информации, последовательно соединенные база типов подвижного состава, блок определения типа подвижной единицы и счетчик подвижных единиц, выходом подключенный к соответствующему входу блок принятия решений, три магнитных датчика, счетчик колесных пар, при этом каждый из приемников размещен в отдельном боксе, его чувствительный элемент установлен на высоте расположения буксового узла колесной пары вагона движущегося поезда, боксы установлены равномерно вдоль полотна железной дороги на заданном участке пути, по меньшей мере, по шесть с каждой стороны железнодорожной колеи напротив друг друга, одна из сторон каждого бокса, обращенная к железнодорожному полотну, снабжена шторкой, механизм открывания которой расположен в самом боксе и подключен управляющим входом к выходу блока управления шторками боксов, в каждом боксе установлена система термостатирования, вход/выход которой соединены с выходом/входом блока управления системами термостатирования, причем первый и второй магнитные датчики установлены по разные стороны колеи на рельсах напротив первого и последнего приемника соответственно и выходами подключены к соответствующим входам блока определения типа подвижной единицы и счетчика колесных пар, выходом соединенного с соответствующими входами блока вычисления диагностических параметров, блока принятия решения, блока определения типа подвижной единицы и блока определения скорости движения поезда, третий магнитный датчик размещен на заданном расстоянии от последнего приемника акустического сигнала непосредственно на рельсе и выходом подключен к входу блока управления шторками боксов (RU 89053 U1, В61К9/00, 2009.11.27).The closest analogue is a system for early diagnostics of axle box bearings of a moving train wheel pair, containing at least twelve acoustic signal receivers, the output of each of which is connected to the corresponding input of the amplification unit, a processing unit including a series-connected bandpass filter, a signal conditioner, an analog - a digital converter and an amplitude detector, an analysis unit containing a block for calculating diagnostic parameters, the inputs of which are connected to the outputs of the amplitude detector, a decision-making block and a comparison block connected between the block for calculating diagnostic parameters and the decision-making block, a block of specified diagnostic parameters connected to the third input of the comparison block, memory block, information output block, train speed determination block, output connected to the corresponding input of the block for calculating diagnostic parameters and decision-making block, output connected to the input of the memory block and information output block, serially connected base of rolling stock types, determination block type of mobile unit and a counter of mobile units, the output of a decision-making unit connected to the corresponding input, three magnetic sensors, a wheel pair counter, with each of the receivers located in a separate box, its sensitive element is installed at the height of the axle box unit of the wheel pair of a moving train car, the boxes are installed evenly along the railway track on a given section of the track, at least six on each side of the railway track opposite each other, one of the sides of each box facing the railway track is equipped with a curtain, the opening mechanism of which is located in the box itself and is connected control input to the output of the box curtain control unit, each box has a thermostating system installed, the input/output of which is connected to the output/input of the thermostat system control unit, with the first and second magnetic sensors installed on opposite sides of the track on the rails opposite the first and last receiver, respectively, and outputs are connected to the corresponding inputs of the block for determining the type of mobile unit and the wheel pair counter, the output connected to the corresponding inputs of the block for calculating diagnostic parameters, the decision-making block, the block for determining the type of mobile unit and the block for determining the speed of the train, the third magnetic sensor is placed at a given distance from the last the acoustic signal receiver is directly on the rail and its output is connected to the input of the box shutter control unit (RU 89053 U1, B61K9/00, 2009.11.27).

Недостатком известного технического решения является невозможность обнаруживать дефекты колес у вагонов движущегося поезда.The disadvantage of the known technical solution is the inability to detect wheel defects in moving train cars.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении достоверности, точности диагностики и идентификации неисправностей колёс проходящего подвижного состава в реальном масштабе времени.The technical result of the proposed invention is to increase the reliability, accuracy of diagnosis and identification of faults in the wheels of passing rolling stock in real time.

Технический результат достигается тем, что система контроля дефектов колёсных пар подвижного железнодорожного состава содержит проложенный в грунте на заданном расстоянии от железнодорожного пути одномодовый волоконно-оптический кабель, одна сторона которого выполнена с герметичной заглушкой, а другая сторона подключена к входу/выходу когерентного рефлектометра, другим выходом соединенного с входом блока обработки, и соединенный с волокном волоконно-оптического кабеля по меньшей мере один чувствительный элемент, включающий k витков из одномодового оптического волокна, закрепленные на чувствительной мембране задней стенке рупора, установленного на опоре на заданном расстоянии от рельса и высоте от уровня насыпи железнодорожного полотна с направлением центральной оси рупора в точку соприкосновения поверхности катания колеса с поверхностью рельса, при этом используют рупор с геометрическими размерами, обеспечивающими максимальный коэффициент концентрации энергии звуковой волны на чувствительной мембране, а количество витков одномодового оптического волокна выбирают в зависимости от ширины импульса когерентного оптического излучения лазера рефлектометра.The technical result is achieved in that the system for monitoring defects in wheel pairs of rolling stock contains a single-mode fiber-optic cable laid in the ground at a given distance from the railway track, one side of which is made with a sealed plug, and the other side is connected to the input/output of a coherent reflectometer, the other output of the processing unit connected to the input, and connected to the fiber of the fiber-optic cable, at least one sensitive element, including k turns of single-mode optical fiber, mounted on a sensitive membrane on the rear wall of the horn mounted on a support at a given distance from the rail and height from the level embankment of the railway track with the direction of the central axis of the horn to the point of contact of the wheel tread surface with the rail surface, while using a horn with geometric dimensions that ensure the maximum concentration coefficient of sound wave energy on the sensitive membrane, and the number of turns of single-mode optical fiber is selected depending on the width of the coherent pulse optical radiation from a reflectometer laser.

Для осуществления точной привязки местоположения чувствительный элемент системы установлен рядом с пикетом или столбом контактной сети.To carry out precise location reference, the sensitive element of the system is installed next to a picket or overhead power pole.

Для повышения достоверности и точности диагностики и идентификации событий чувствительный элемент системы установлен на расстоянии от рельсовых стыковых соединений.To increase the reliability and accuracy of diagnostics and event identification, the sensitive element of the system is installed at a distance from the rail butt joints.

Система поясняется чертежами на фиг.1-3.The system is illustrated by drawings in Figs. 1-3.

На фиг.1 представлена схема реализации системы контроля акустических воздействий посредством чувствительного элемента; на фиг. 2А представлен пример расчёта горизонтальной развёртки рупора, а на фиг. 2Б приводится пример определения размеров рупора чувствительного элемента, на фиг. 3А представлены рефлектограммы акустического сигнала прохождения подвижного состава (ПС) без дефекта колес, на фиг.3Б отображено изменение акустического сигнала при наличии дефектного колеса.Figure 1 shows a diagram of the implementation of a system for monitoring acoustic influences using a sensitive element; in fig. 2A shows an example of calculating the horizontal sweep of a horn, and FIG. 2B shows an example of determining the dimensions of the horn of the sensitive element; Fig. Figure 3A shows reflectograms of the acoustic signal of the passage of rolling stock (TS) without a wheel defect, Fig. 3B shows the change in the acoustic signal in the presence of a defective wheel.

Система контроля дефектов колёсных пар подвижного железнодорожного состава содержит проложенный в грунте на заданном расстоянии от железнодорожного пути одномодовый волоконно-оптический кабель 1, одна сторона которого выполнена с герметичной заглушкой 2, а другая сторона подключена к входу/выходу когерентного рефлектометра 3, другим выходом соединенного с входом блока 4 обработки, и соединенный с волокном волоконно-оптического кабеля по меньшей мере один чувствительный элемент, включающий k витков из одномодового оптического волокна, закрепленные на чувствительной мембране 6 задней стенки рупора 7, установленного на опоре на заданном расстоянии от рельса и высоте от уровня насыпи железнодорожного полотна с направлением центральной оси рупора 7 в точку соприкосновения поверхности катания колеса с поверхностью рельса, при этом используют рупор 7 с геометрическими размерами, обеспечивающими максимальный коэффициент концентрации энергии звуковой волны на чувствительной мембране 6, а количество витков 5 одномодового оптического волокна 1 выбирают в зависимости от ширины импульса когерентного оптического излучения лазера рефлектометра 3.The system for monitoring defects in wheel pairs of rolling stock contains a single-mode fiber-optic cable 1 laid in the ground at a given distance from the railway track, one side of which is made with a sealed plug 2, and the other side is connected to the input/output of a coherent reflectometer 3, the other output of which is connected to input of the processing unit 4, and connected to the fiber of the fiber-optic cable at least one sensitive element, including k turns of single-mode optical fiber, mounted on the sensitive membrane 6 of the rear wall of the horn 7, mounted on a support at a given distance from the rail and height from the level embankment of the railway track with the direction of the central axis of the horn 7 to the point of contact of the wheel tread surface with the rail surface, while using a horn 7 with geometric dimensions that ensure the maximum concentration coefficient of sound wave energy on the sensitive membrane 6, and the number of turns 5 of single-mode optical fiber 1 is selected in depending on the pulse width of the coherent optical radiation of the reflectometer laser 3.

При этом чувствительный элемент системы установлен рядом с пикетом или столбом контактной сети.In this case, the sensitive element of the system is installed next to a picket or a contact network pole.

Чувствительный элемент системы установлен на расстоянии от рельсовых стыковых соединений.The sensitive element of the system is installed at a distance from the rail butt joints.

Система контроля дефектов колёсных пар подвижного железнодорожного состава работает следующим образом.The system for monitoring defects in wheel pairs of rolling stock works as follows.

При прохождении поезда места размещения чувствительного элемента энергия акустической волны 8 от источника шума (фиг. 1), попадая в рупор 7, конструктивно устроенного так, чтобы исключить или минимизировать возможность обратного отражения наружу части акустической энергии, в результате переотражений акустических волн от стенок резонаторной части рупора 7, энергия акустической волны 8 фокусируется (аккумулируется) на чувствительной мембране 6 (акустической диафрагме) задней стенки резонаторной части рупора 7. Сфокусированная резонатором чувствительного элемента энергия акустической волны вызывает вибрационные колебания 9 чувствительной мембраны 6 совместно с закрепленными к ней витками 5 одномодового оптического волокна, свободные концы которого включены в волокно волоконно-оптического кабеля 1 (ВОК) путем оптической сварки или через оптические муфты.When a train passes the location of the sensitive element, the energy of the acoustic wave 8 from the noise source (Fig. 1), entering the horn 7, which is structurally designed to eliminate or minimize the possibility of back reflection outward of part of the acoustic energy, as a result of re-reflections of acoustic waves from the walls of the resonator part horn 7, the energy of the acoustic wave 8 is focused (accumulated) on the sensitive membrane 6 (acoustic diaphragm) of the rear wall of the resonator part of the horn 7. The energy of the acoustic wave, focused by the resonator of the sensitive element, causes vibration vibrations 9 of the sensitive membrane 6 together with the turns 5 of single-mode optical fiber attached to it , the free ends of which are included in the fiber of the fiber-optic cable 1 (FOC) by optical welding or through optical couplings.

Источник когерентного излучения 10 (лазер) рефлектометра 3 генерирует прямое оптическое излучение 11, которое через оптический циркулятор 12, ВОК 1, проходит через витки 5 одномодового оптического волокна, закреплённые к чувствительной мембране 6 рупора 7 чувствительного элемента. В результате этого акустические волны от источника шума оказывают колебательное и вибрационное воздействие чувствительной мембраны 6, которая, будучи прикреплённой к виткам из оптического волокна, вызывает в последней соответствующие вибрациям мембраны 6 изменения отражённого лазерного излучения, в результате чего формируют дополнительный источник отраженного оптического сигнала в каждом витке 5 волоконно-оптического кабеля, которые в результате суммирования усиливают сигнал по мощности в k раз, где k - количество витков из оптического волокна. The source of coherent radiation 10 (laser) of the reflectometer 3 generates direct optical radiation 11, which, through the optical circulator 12, FOC 1, passes through turns 5 of single-mode optical fiber attached to the sensitive membrane 6 of the horn 7 of the sensitive element. As a result, acoustic waves from the noise source have an oscillatory and vibrational effect on the sensitive membrane 6, which, being attached to the turns of optical fiber, causes changes in the reflected laser radiation corresponding to the vibrations of the membrane 6, resulting in the formation of an additional source of reflected optical signal in each turn 5 of the fiber-optic cable, which, as a result of summation, amplify the power signal by k times, where k is the number of turns of the optical fiber.

Появление вибраций от дефектного колеса, частотно-амплитудный спектр которых вносит соответствующие, заранее классифицируемые изменения в поток Рэлеевского отражения от витков 5 оптического волокна, преобразуется в изменения мощности отражённого лазерного излучения, которые определяют при помощи рефлектометра 3. Далее отражённое излучение 13 через циркулятор 12 поступает на вход фотодетектора 14 для обработки сигнала отражённого излучения и преобразования оптической энергии в электрическую, с выхода которого преобразованные электрические сигналы поступают на вход блока 15 предварительной цифровой обработки отражённого сигнала и представления их в виде рефлектограмм 16. Рефлектограммы 16 с изменениями оптического излучения в результате акустического воздействия, полученные при предварительной обработке 15, подают на вход блока 4 обработки, с целью обнаружения признаков события, их последующего анализа, выработки решения по результатам анализа о наличии или отсутствии дефекта колеса на основе сопоставления полученных результатов с эталонами, полученными на этапе обучения. После этого на выходе блока 4 обработки формируют сообщение о событии 17, которое передают в сеть информационного обмена для обеспечения доступа к ним потребителям. Кроме того, рефлектометр 3 другим входом соединен с выходом блока 4 обработки для осуществления калибровки (на фиг.1 не указан). Монтаж рефлектометра 3 осуществляется с обеспечением температурного режима при его эксплуатации.The appearance of vibrations from a defective wheel, the frequency-amplitude spectrum of which introduces corresponding, pre-classified changes in the flow of Rayleigh reflection from turns 5 of the optical fiber, is converted into changes in the power of reflected laser radiation, which are determined using a reflectometer 3. Next, the reflected radiation 13 enters through the circulator 12 to the input of the photodetector 14 for processing the signal of reflected radiation and converting optical energy into electrical energy, from the output of which the converted electrical signals are sent to the input of block 15 for preliminary digital processing of the reflected signal and presenting them in the form of reflectograms 16. Reflectograms 16 with changes in optical radiation as a result of acoustic influence , obtained during pre-processing 15, are fed to the input of processing block 4 in order to detect signs of an event, their subsequent analysis, and make a decision based on the analysis results about the presence or absence of a wheel defect based on a comparison of the results obtained with the standards obtained at the training stage. After this, at the output of processing block 4, an event message 17 is generated, which is transmitted to the information exchange network to provide access to consumers. In addition, the reflectometer 3 is connected by another input to the output of the processing unit 4 for calibration (not indicated in Fig. 1). The installation of reflectometer 3 is carried out to ensure the temperature conditions during its operation.

Географическую привязку местоположения чувствительного элемента (место установки рупора 7 чувствительного элемента) можно осуществить, привязавшись к ближайшему пикету или столбу контактной сети. Привязка географических координат осуществляется по номеру пикета (столба) + расстояние от него в метрах.Geographical reference of the location of the sensitive element (location of installation of the horn 7 of the sensitive element) can be done by reference to the nearest picket or overhead power pole. Geographical coordinates are referenced using the picket (post) number + distance from it in meters.

Поскольку рельсовый стык для чувствительного элемента является ярко выраженным источником помех, его лучше располагать как можно дальше или посередине бесстыкового участка пути.Since the rail joint for the sensitive element is a pronounced source of interference, it is better to place it as far as possible or in the middle of the continuous section of the track.

Система контроля дефектов колёсных пар при прохождении подвижного железнодорожного состава может использоваться для идентификации в реальном масштабе времени событий из перечня неисправностей колёс (таких как ползун, навар и др.), тележек вагонов (заклинивание), поверхности рельса (в зоне действия установленного рупора), и других событий, связанных с мониторингом состояния стационарных объектов и подвижных составов, оказывающих существенное влияние на безопасность движения железнодорожного транспорта, перевозку пассажиров и грузов.The system for monitoring defects in wheel pairs during the passage of a rolling stock can be used to identify in real time events from the list of defects in wheels (such as slider, weld, etc.), car bogies (jamming), rail surface (in the area of effect of the installed horn), and other events related to monitoring the condition of stationary objects and rolling stock, which have a significant impact on the safety of railway traffic, the transportation of passengers and cargo.

На фиг. 2А представлен пример расчёта горизонтальной развёртки рупора, а на фиг. 2Б приводится пример определения размеров рупора чувствительного элемента с расчётным коэффициентом концентрации энергии звуковой волны на мембране, равном, при данных размерах, 2,641.In fig. 2A shows an example of calculating the horizontal sweep of a horn, and FIG. 2B provides an example of determining the size of the horn of a sensitive element with a calculated coefficient of concentration of sound wave energy on the membrane equal, for these dimensions, to 2.641.

Для расчёта параметров рупора фиксируются следующие величины:To calculate the parameters of the horn, the following values are fixed:

- ширина горизонтальной развёртки рупора; - horizontal width of the horn;

- начальная глубина рупора - этот параметр необходим для задания угла отражения звуковой волны; - initial horn depth - this parameter is necessary to set the angle of reflection of the sound wave;

- дальность до точечного источника звука. - range to a point sound source.

Для расчёта горизонтальных геометрических размеров рупора осуществляют следующие вычисления (фиг.2А):To calculate the horizontal geometric dimensions of the horn, carry out the following calculations (Fig. 2A):

1) определяют углы α,β,γ:1) determine the angles α, β, γ :

; ; ; ; ; ;

2) рассчитывают соотношения:2) calculate the ratios:

; ; ; ;

; ;

; ; ; ;

; ;

3) определяют общую глубину конусной части рупора: .3) determine the total depth of the conical part of the horn: .

Для расчёта вертикальных геометрических размеров рупора осуществляют следующие вычисления (фиг.2Б):To calculate the vertical geometric dimensions of the horn, carry out the following calculations (Fig. 2B):

1) определяют высоту рупора, исходя из условия обеспечения вертикальной развертки:1) determine the height horn, based on the condition of ensuring vertical scanning:

при тех же исходных данных: и :with the same initial data: And :

; ; ; ; ; ;

; ; ; ;

; . ; .

2) определяют общую глубину конусной части рупора: .2) determine the total depth of the conical part of the horn: .

Основу обнаружения дефектов с использованием эффекта Рэлея составляют когнитивный график, представленный на фиг. 3 (верхние две части), и рефлектограммы, приведенные в нижней части фиг. 3. Рефлектограммы характеризуют изменение амплитуд сигнала когнитивного графика в определенные моменты времени, которые отмечены на когнитивных графиках (фиг. 3) вертикальными линиями.The basis for defect detection using the Rayleigh effect is the cognitive graph shown in FIG. 3 (upper two parts), and reflectograms shown in the lower part of FIG. 3. Reflectograms characterize changes in the amplitudes of the cognitive graph signal at certain points in time, which are marked on the cognitive graphs (Fig. 3) by vertical lines.

При проведении лабораторных экспериментов, а также в натуральных условиях на полигоне ОАО «РЖД» действующий макет был размещён на заданном расстоянии от крайнего рельса и на высоте 40 см от уровня насыпи с направлением центральной оси рупора в точку соприкосновения поверхности катания колеса с поверхностью рельса. Выполненные расчёты и проведенные испытания показали, что установка рупора на высоте 40 см является оптимальной с точки зрения максимума концентрации рупором мощности сигнала при определении дефектов, появляющихся при взаимодействии колеса и рельса.When conducting laboratory experiments, as well as in natural conditions at the training ground of JSC Russian Railways, the operating mock-up was placed at a given distance from the outer rail and at a height of 40 cm from the embankment level with the direction of the central axis of the horn to the point of contact of the wheel tread surface with the rail surface. The calculations and tests carried out showed that installing the horn at a height of 40 cm is optimal from the point of view of maximum concentration of the signal power by the horn when determining defects that appear during the interaction of the wheel and the rail.

На фиг. 3 представлены результаты проведения натурного эксперимента на участке ж/д пути, при котором в чувствительном элементе было свернуто витками и закреплено на мембране рупора 50 м оптического волокна, в котором каждые 2 метра физической длины волокна соответствуют одному участку контроля на рефлектограмме, в данном примере, имеющие условную нумерацию от 277 по 302 (шкала Х). Такое предварительное деление связано с обнаружением дефектов в виде заклинивания колёсной пары на проходящем ПС, который при проведении экспериментальных исследований был представлен тепловозом и тремя грузовыми полувагонами. В левом столбце А приводятся результаты обработки сигналов ПС для случая, когда дефектов колёс нет: сверху - когнитивный график рефлектограмм исходных сигналов; в середине столбца А - когнитивный график после обработки исходного сигнала с использованием математических методов предыскажения сигнала, сформированного рефлектометром, в нижней части столбца А - график прохождения ПС без дефекта в виде рефлектограммы, полученной после обработки сигнала рефлектометра, который соответствует выбранному для проведения экспериментальных исследований участку (№298) чувствительного элемента.In fig. Figure 3 shows the results of a full-scale experiment on a section of a railway track, in which 50 m of optical fiber was rolled up in the sensitive element and secured to the horn membrane, in which every 2 meters of the physical length of the fiber corresponds to one control section on the reflectogram, in this example, having a conditional numbering from 277 to 302 (X scale). This preliminary division is associated with the detection of defects in the form of a jammed wheel pair on a passing railway station, which during experimental studies was represented by a diesel locomotive and three freight gondola cars. The left column A shows the results of processing PS signals for the case when there are no wheel defects: at the top is a cognitive graph of reflectograms of the original signals; in the middle of column A - a cognitive graph after processing the original signal using mathematical methods of predistorting the signal generated by a reflectometer; in the lower part of column A - a graph of the passage of a PS without a defect in the form of a reflectogram obtained after processing the reflectometer signal, which corresponds to the area selected for experimental research (No. 298) of the sensitive element.

В правой части фиг. 3Б приводятся результаты обработки сигналов ПС, в составе которого находился вагон с заклиненной колёсной парой: сверху - когнитивный график рефлектограмм исходных сигналов; в середине столбца Б - когнитивный график с результатами применения алгоритмов математической обработки исходного сигнала; нижний график столбца Б - график прохождения ПС с дефектом в виде рефлектограммы, полученной после обработки сигнала рефлектометра выбранном участке (№298) чувствительного элемента.On the right side of Fig. Figure 3B shows the results of signal processing from the PS, which included a car with a jammed wheelset: on top - a cognitive graph of reflectograms of the original signals; in the middle of column B is a cognitive graph with the results of applying algorithms for mathematical processing of the original signal; The lower graph of column B is a graph of the passage of a PS with a defect in the form of a reflectogram obtained after processing the reflectometer signal in a selected area (No. 298) of the sensitive element.

В результате сравнительного анализа данных графиков можно сделать вывод о высокой чувствительности предлагаемой системы обнаружения дефектов колёс ПС. На графиках столбца фиг.3А показано, что посредством анализа акустического сигнала можно получить данные о колёсных парах, количестве вагонов, длине состава, скорости движения и т.д. На графиках столбца фиг.3Б отображено изменение акустического сигнала при наличии дефектного колеса в составе, по характеристикам которого есть возможность выявления наличия заклинивания колёсной пары у ПС, точного определения точки движения юзом (точки соприкосновения поверхности колеса катания заклиненной колёсной пары с рельсом) при проскальзывании ею места стыков рельс.As a result of a comparative analysis of these graphs, we can conclude that the proposed system for detecting defects in PS wheels is high. The column graphs of Fig. 3A show that by analyzing the acoustic signal, it is possible to obtain data on wheelsets, number of cars, train length, speed, etc. The graphs of the column of Fig. 3B display the change in the acoustic signal in the presence of a defective wheel in the composition, according to the characteristics of which it is possible to detect the presence of jammed wheelset at the PS, accurately determine the point of skidding (the point of contact of the tread surface of the jammed wheelset with the rail) when it slips rail joints.

Высокая чувствительность предлагаемой системы обнаружения обеспечена за счёт введения операций предыскажений сигналов, формируемых, как самим распределённым ВОД, использующим эффект Рэлея, так и рефлектометром. В первом случае эффект предыскажений групповой сейсмоакустической волны, формируемой в распределённом ВОД, реализуют за счёт механических «маркеров», а во втором - на основе математических методов конструктивной теории конечных полей (КТТП) и адаптивной нелинейной фильтрации (АНФ).The high sensitivity of the proposed detection system is ensured by introducing operations of predistortion of signals generated both by the distributed FOD itself, using the Rayleigh effect, and by the reflectometer. In the first case, the effect of pre-distortion of a group seismoacoustic wave formed in a distributed water-wave is implemented due to mechanical “markers”, and in the second - on the basis of mathematical methods of constructive finite field theory (CTFT) and adaptive nonlinear filtering (ANF).

Проведенные экспериментальные исследования показывают, что предлагаемая система может использоваться не только для решения важных задач, которые связаны с диагностикой технического состояния колёсных пар и рельс, но и актуальных проблем определения местоположения скорости, длины и целостности ПС.The experimental studies carried out show that the proposed system can be used not only to solve important problems that are associated with diagnosing the technical condition of wheelsets and rails, but also actual problems of determining the location of speed, length and integrity of the railway.

Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает существенное повышение чувствительности предлагаемой системы обнаружения дефектов колёс за счет повышения соотношений сигнал/шум и сигнал/помеха в данных волоконно-оптических измерений (ВОИ).Thus, the proposed invention provides a significant increase in the sensitivity of the proposed wheel defect detection system by increasing the signal-to-noise and signal-to-interference ratios in fiber-optic measurement data (FOI).

Claims (3)

1. Система контроля дефектов колёсных пар подвижного железнодорожного состава, содержащая проложенный в грунте на заданном расстоянии от железнодорожного пути одномодовый волоконно-оптический кабель, одна сторона которого выполнена с герметичной заглушкой, а другая сторона подключена к входу/выходу когерентного рефлектометра, другим выходом соединенного с входом блока обработки, и соединенный с волокном волоконно-оптического кабеля по меньшей мере один чувствительный элемент, включающий k витков из одномодового оптического волокна, закрепленных на чувствительной мембране задней стенки рупора, установленного на опоре на заданном расстоянии от рельса и высоте от уровня насыпи железнодорожного полотна с направлением центральной оси рупора в точку соприкосновения поверхности катания колеса с поверхностью рельса, при этом используют рупор с геометрическими размерами, обеспечивающими максимальный коэффициент концентрации энергии звуковой волны на чувствительной мембране, а количество витков одномодового оптического волокна выбирают в зависимости от ширины импульса когерентного оптического излучения лазера рефлектометра.1. A system for monitoring defects in wheel pairs of rolling stock, containing a single-mode fiber-optic cable laid in the ground at a given distance from the railway track, one side of which is made with a sealed plug, and the other side is connected to the input/output of a coherent reflectometer, the other output connected to input of the processing unit, and connected to the fiber of the fiber-optic cable at least one sensitive element, including k turns of single-mode optical fiber, mounted on the sensitive membrane of the rear wall of the horn mounted on a support at a given distance from the rail and height from the level of the embankment of the railway track with the direction of the central axis of the horn to the point of contact of the wheel tread surface with the rail surface, while using a horn with geometric dimensions that ensure the maximum concentration coefficient of sound wave energy on the sensitive membrane, and the number of turns of single-mode optical fiber is selected depending on the pulse width of coherent optical laser radiation reflectometer. 2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что чувствительный элемент установлен рядом с пикетом или столбом контактной сети.2. The system according to claim 1, characterized in that the sensitive element is installed next to a picket or a contact network pole. 3. Система по любому из пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что чувствительный элемент установлен на расстоянии от рельсовых стыковых соединений.3. The system according to any one of paragraphs. 1 and 2, characterized in that the sensitive element is installed at a distance from the rail butt joints.
RU2023134461A 2023-12-21 Rolling stock wheel pair defect control system RU2818020C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2818020C1 true RU2818020C1 (en) 2024-04-23

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU92840U1 (en) * 2009-11-18 2010-04-10 Открытое Акционерное Общество "Российские Железные Дороги" RAIL SURFACE CONTROL SYSTEM RAILWAY WHEEL PAIR
RU199709U1 (en) * 2020-06-15 2020-09-15 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Череповецкий государственный университет" Fiber optic force sensor
US10907958B2 (en) * 2017-09-07 2021-02-02 Frank J Smith Railroad track defect detection apparatus and method
RU2744644C1 (en) * 2020-10-22 2021-03-12 Общество с ограниченной ответственностью "Алтек" Automated complex for non-destructive control of wheel sets
RU2794238C1 (en) * 2021-12-21 2023-04-13 Акционерное общество "Рязанское производственно-техническое предприятие "Гранит" Method for operational control of railway stock location, its speed and integrity

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU92840U1 (en) * 2009-11-18 2010-04-10 Открытое Акционерное Общество "Российские Железные Дороги" RAIL SURFACE CONTROL SYSTEM RAILWAY WHEEL PAIR
US10907958B2 (en) * 2017-09-07 2021-02-02 Frank J Smith Railroad track defect detection apparatus and method
RU199709U1 (en) * 2020-06-15 2020-09-15 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Череповецкий государственный университет" Fiber optic force sensor
RU2744644C1 (en) * 2020-10-22 2021-03-12 Общество с ограниченной ответственностью "Алтек" Automated complex for non-destructive control of wheel sets
RU2794238C1 (en) * 2021-12-21 2023-04-13 Акционерное общество "Рязанское производственно-техническое предприятие "Гранит" Method for operational control of railway stock location, its speed and integrity
RU2807011C1 (en) * 2023-08-16 2023-11-08 Акционерное общество "Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт информатизации, автоматизации и связи на железнодорожном транспорте" Rolling stock derailment control system

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Salvador et al. Axlebox accelerations: Their acquisition and time–frequency characterisation for railway track monitoring purposes
Alemi et al. Condition monitoring approaches for the detection of railway wheel defects
Falamarzi et al. A review on existing sensors and devices for inspecting railway infrastructure
Barke et al. Structural health monitoring in the railway industry: a review
Tsunashima et al. Condition monitoring of railway track from car-body vibration using time–frequency analysis
Nielsen et al. Overview of methods for measurement of track irregularities
CN113324648B (en) Portable high-speed railway wheel rail vibration space-time synchronization test method and system
CN101900708A (en) Vibration and audio signal-based high-speed train track defect detecting method
Real Herráiz et al. Development of a system to obtain vertical track geometry measuring axle-box accelerations from in-service trains
CN104960546A (en) Flaw detecting car for inspecting steel rails of high-speed rail
Liu et al. An indirect method for rail corrugation measurement based on numerical models and wavelet packet decomposition
Mishra et al. Real time implementation of fiber Bragg grating sensor in monitoring flat wheel detection for railways
Kundu et al. A review on condition monitoring technologies for railway rolling stock
Dittrich et al. Improved measurement methods for railway rolling noise
Fu et al. Recent advances in wayside railway wheel flat detection techniques: A review
Chowdhry et al. Development of a smart instrumentation for analyzing railway track health monitoring using forced vibration
RU2818020C1 (en) Rolling stock wheel pair defect control system
RU2337031C1 (en) Method of railroad wheel pair contact surface wear monitoring
Tufano et al. On-board indirect measurements of the acoustic quality of railway track: state-of-the art and simulations
Papaelias et al. Advanced wayside condition monitoring of rolling stock wheelsets
Morais et al. Continuous monitoring and evaluation of railway tracks: system description and assessment
Bocz et al. Vibration-based condition monitoring of Tramway track from in service vehicle using time-frequency processing techniques
Ji et al. Research on Wheel‐Rail Local Impact Identification Based on Axle Box Acceleration
JP2005114637A (en) System for detecting abnormality of vehicle and method therefor
Kaewunruen et al. Severity and growth evaluation of rail corrugations on sharp curves using wheel/rail interaction