Особенности использования лазерных весов на железнодорожном транспорте

Около десяти лет назад в Институте проблем механики РАН были найдены технические решения измерения деформаций при помощи лазера и создан способ, позволивший обнаруживать скачки смещений величиной менее 0,01 мкм. Был запатентован лазерный датчик для измерения деформаций. На базе этого датчика были созданы и сертифицированы лазерные весы для измерения осевых нагрузок автотранспортных средств в движении.

Работы по адаптации лазерных весов применительно к взвешиванию вагонов в движении были начаты в 1999 г. при поддержке Департамента грузовой и коммерческой работы МПС РФ. К настоящему времени в результате совместных работ, проведенных ВНИИАС и разработчиком весов ЗАО «САХ и Ко», были выбраны и обоснованы технические решения по концепции и устройству весов, способам крепления датчиков к рельсам, алгоритмам обработки и представления измерительной информации. Эффективность разработанных технических решений и программного обеспечения была подтверждена натурными испытаниями. На лазерные весы для взвешивания вагонов в движении Госстандартом России выдан сертификат об утверждении типа средств измерений, который зарегистрирован в Государственном реестре средств измерений под № 20732 - 00. Весы допущены к применению в Российской Федерации.

Весы предназначены для взвешивания вагонов в движении в составе поезда с документальной регистрацией массы каждого вагона, определения нагрузки на каждую тележку, ось, колесо, а также величины продольного и поперечного смещения общего центра тяжести, обнаружения отклонения массы фактически перевозимого груза от заявленного в натурном листе, определения скорости движения каждой оси, счета осей.

Блок-схема лазерных весов приведена на рисунке 1.

Весы бесфундаментного типа состоят из двух лазерных датчиков веса (ЛДВ), закрепленных на рельсах, линии связи (оптический кабель), персонального компьютера, в системном блоке которого размещены два контроллера с лазерными модулями и фотоприемниками, а также монитора, принтера и блока бесперебойного питания.

Принцип работы весов основан на измерении деформации рельсов при движении вагонов.

Датчики устанавливают при помощи устройств крепления в пролете между шпалами на двух рельсах имеющегося пути. Устройство крепления датчика представляет собой конструкцию с трехпозиционной фиксацией к подошве рельса. Конструкция с высокой точностью передает деформацию рельса на ЛДВ.

Блок-схема вагонных лазерных весов

Рис. 1. Блок-схема вагонных лазерных весов.

Лазерное излучение поступает в датчики веса, внутри которых под действием деформации образует интерференционный сдвиг. Информация о сдвиге от датчика поступает на фотоприемники контроллера.

Датчик лазерного дискретно-волоконного принципа действия состоит из пружинной пластины, на которой средствами волоконной оптики реализована схема интерференционного деформометра. Лазерные датчики связаны с контроллерами волоконно-оптической линией связи. Внешнее лазерное излучение отсутствует. Лазерные весы безопасны в использовании.

Процессор контроллера производит первичную обработку поступающей информации и передает ее в компьютер.

Отличительные особенности лазерных весов:

- простота монтажа при сохранении целостности имеющихся рель сов, время монтажа при подведенном оптическом кабеле- 30 минут;

- помехоустойчивость из-за отсутствия электрических и магнитных цепей в лазерном датчике и оптической линии связи;

- отсутствие влияния на рельсовые цепи, устройства СЦБ и связи;

- высокая устойчивость к климатическим воздействиям;

- использование эталона высшей точности— длины волны лазерного излучения;

- долговечность ввиду простоты конструкции датчика, внутри которого нет ничего кроме пружинной пластины с высоким запасом прочности и элементов волоконной оптики;

- быстродействие (система выполняет сто тысяч измерений за одну секунду);

- отсутствие ограничения на скорость прохождения состава по весам;

- безопасность в использовании.

Актуальность создания лазерных весов подтверждается интенсивными работами по созданию промышленных лазерных датчиков для измерения деформаций и нагрузок, которые развертываются в последнее время за рубежом. Так, немецкая фирма FRANZ ROTTNER GmbH сообщила о разработке лазерных весов LAWA 2000 для взвешивания вагонов в движении. Датчики этих весов оперативно крепятся на рельсы. Специалисты фирмы идут по пути создания конструкций, не вносящих ограничений на путь и имеющих небольшое время монтажа и демонтажа.

Датчики весов LAWA 2000 основаны на измерении углового отклонения лазерного луча вследствие изменения формы нагруженного рельса. В ЛДВ используется другой способ, основанный на измерении сдвига интерференционных полос.

Эффективность технических решений, принятых при разработке лазерных весов, была проверена испытаниями, проведенными в течение четырех лет. Так, серия из шести испытаний на Экспериментальном кольце ВНИИЖТ позволила отработать конструкционные и технологические решения для устройств крепления датчиков к рельсу, сформулировать требования к измерительному и двум прилегающим к нему звеньям пути, влияющих на точность взвешивания вагонов в движении. Моделирование нестандартных ситуаций проводилось на стендовых испытаниях в Институте проблем механики РАН. На всех этапах проверялась работоспособность электронно-оптической преобразующей аппаратуры.

Были испытаны шесть разных конструкций креплений датчиков к рельсу.

Крепление № 1 было выполнено в виде двух жестких струбцин, каждая из которых имела трехточечное крепление к подошве рельса. Струбцины устанавливались раздельно. Крепление струбцины к рельсу осуществлялось при помощи вертикально расположенных шипов, врезающихся в нижнюю поверхность подошвы рельса при закручивании установочного болта с конической торцевой поверхностью, контактирующей с верхней частью подошвы рельса. Установочный болт расположен напротив двух неподвижных конусов, контактирующих с подошвой рельса с другой стороны. В процессе установки и при проезде поезда эти конусы скользят по верхней поверхности подошвы рельса.

В процессе испытаний произошло разрушение одного из термоупрочненных шипов крепления датчиков к рельсу. Это произошло потому, что в результате закручивания направляющей при установке струбцины на шипах возникает момент поперечных сил. При проезде вагонов из-за деформации рельса возникает дополнительный момент. Суммарный момент и явился причиной разрушения шипа.

Крепление №2 датчиков к рельсу было выполнено на основе термоупрочненных сферических фиксирующих элементов. Крепление создано на базе крепления №1 путем замены шипов на шарики. Струбцины предварительно закреплялись в шаблоне, который удалялся после установки и их фиксации. Использование шаблона обеспечивало соблюдение межосевого установочного расстояния датчика.

В процессе испытаний происходил неполный возврат датчиков в исходное состояние после проезда подвижного состава. При этом разрушения фиксирующих элементов не произошло. Однако эти сферические элементы не обеспечили жесткую фиксацию на подошве рельса, что и обусловило неполный возврат датчиков.

Крепление №3 датчиков к рельсу было выполнено с учетом результатов предыдущих испытаний на основе термоупрочненных сферических фиксирующих элементов в сочетании с жесткими призматическими фиксирующими элементами. Для исключения поломки фиксирующие элементы были изготовлены в виде призм. Струбцины предварительно закреплялись в шаблоне, который удалялся после установки и их фиксации. Использование шаблона обеспечивало соблюдение межосевого установочного расстояния датчика и уменьшало момент поперечных сил на призматических фиксирующих элементах, возникающих при закреплении струбцин на рельсе. Установочные болты с коническими торцами затягивались с нормированным усилием.

В процессе испытаний происходил существенный «уход нуля» датчиков от исходного состояния после проезда подвижного состава. Конструкция креплений №3 уменьшила микроскольжения фиксирующих элементов струбцин при проезде вагонов, обеспечивая более жесткое крепление к рельсу, но уменьшила и демпфирование возмущений от ударов колес на стыках. Конструкция стала передавать на датчик недопустимо высокие частоты, что привело к значительному «уходу нуля».

Для исключения «ухода нуля» датчика было принято решение о разработке нового устройства крепления. Анализ испытаний работы креплений № 1,2,3 показал, что необходимо совместить шаблон и струбцины в единую конструкцию. Такая конструкция должна обеспечить и демпфирование возмущений от ударов колес на стыках. Этим требованиям отвечает арочная конструкция, которая была реализована в креплениях №4,5,6.

Крепление № 4 создано на основе трехточечной арочной конструкции и имеет три горизонтальных конических фиксирующих элемента (шипа). Два шипа неподвижны и расположены с одной стороны рельса, а третий- подвижный- совмещен с фиксирующим болтом и расположен с противоположной стороны рельса. Крепление имеет два вспомогательных болта с шаровыми наконечниками, которые служат для предварительной силовой посадки неподвижных шипов вдоль их оси. Вначале затягивают с нормированным усилием вспомогательные болты, и шипы врезаются в боковые поверхности подошвы рельса. Затем затягивают с нормированным усилием фиксирующий болт с шипом. После этого откручивают вспомогательные болты.

Крепление №5 имеет три узла прижима, каждый из которых состоит из двух жестко закрепленных на арочной конструкции вертикальных шипов, врезающихся в нижнюю поверхность рельса при затягивании фиксирующего болта с шипом, который врезается в свою очередь в верхнюю поверхность подошвы рельса. Два узла расположены со стороны установки датчика, один узел- с противоположной. При установке затягивание фиксирующих болтов производится с нормированным усилием.

Крепление №6 создано на основе трехпозиционной арочной конструкции и имеет три узла прижима, каждый из которых состоит из одного жестко закрепленного на арочной конструкции вертикального шипа, врезающегося в нижнюю поверхность рельса при затягивании соосного с ним фиксирующего болта с шипом, который врезается в свою очередь в верхнюю поверхность подошвы рельса. Два узла расположены со стороны установки датчика, один узел- с противоположной. При установке затягивание фиксирующих болтов производится с нормированным усилием.

Общий вид ЛДВ в креплении №6, установленном на рельсе, представлен на рисунке 2.

Общий вид ЛДВ в креплении №6

Рис.2. Общий вид ЛДВ в креплении №6

Для разработки креплений, отвечающих требованиям точности и надежности, на стендах Института проблем механики РАН были испытаны как отдельные элементы, так и полные конструкции креплений №1- №6.

Были проведены испытания на полнопрофильном отрезке рельса длиной 700 мм, а также прочностные испытания шипов с использованием динамометра сжатия.

Было обнаружено, что боковые усилия на крепления приводят к «уходу нуля» - на величину порядка 30-40 дискрет, а ударные возмущения по торцу, имитирующие удары на стыках, приводят к «уходу нуля» на величину порядка 300-400 дискрет.

Испытания на прочность шипов проводили путем вдавливания шипа в шлифованную поверхность рельса Р65 с различными нормированными усилиями. Нормировка усилий, создаваемых с помощью динамометрического ключа, проводилась по показаниям образцового динамометра сжатия типаДОСМ-3-5.

Целью этих испытаний было определение усилия вдавливания шипа в рельс, обеспечивающего надежную работу крепления.

Так как рельс Р65 имеет твердость HRC 45, твердость шипа должна ее превосходить. Поэтому были испытаны следующие материалы для шипов: сталь У10, закаленная до HRC 60 и сплав ВК с HRC 80.

Испытания шипа из стали У10 показали, что при усилиях вдавливания, превышающих 1840 кг, кончик шипа деформируется. Испытания шипа из сплава ВК с HRC 80 показали, что после первого вдавливания с усилием 830 кг произошло его хрупкое разрушение. В результате было принято решение о том, что шип должен изготавливаться из стали У10 с закалкой до HRC 60, а усилие на шип не должно превышать 1500 кг при установке крепления на рельс.

Крепления №4-№6 были испытаны на прочность при различных усилиях затягивания подвижных фиксирующих болтов.

Крепление №5 с шипами из сплава ВК оказалось непригодным из-за нарушения параллельности осей шипов в узлах прижима при затягивании фиксирующих болтов, что вызвало хрупкое разрушение шипов.

На разрывной машине 2054Р-5 были проведены испытания креплений №4 и №6. Деформационные испытания в режиме циклирования и ударные испытания, имитирующие удары колес на стыках, соответствовали реальным нагрузкам и возмущениям. Для этого момент сопротивления рельса был уменьшен так, чтобы при максимально возможном усилии стенда 5 тонн, деформации усеченного рельса соответствовали деформациям полнопрофильного рельса от усилия в 27 тонн.

Анализ деформационных и ударных испытаний показал, что крепления №4 и №6 эффективно исключают «уход нуля».

Компактная арочная конструкция упростила установку креплений №4 и №6 на рельсе.

Таким образом, были разработаны конструкции креплений, отвечающих требованиям точности и надежности. Крепления №4 и №6 были рекомендованы для дальнейших натурных испытаний.

Результаты испытаний в Институте проблем механики РАН, а также анализ результатов испытаний на Экспериментальном кольце ВНИИЖТ показали, что наряду с использованием усовершенствованных креплений для уверенных измерений веса движущихся вагонов необходимо снизить не менее, чем в два раза воздействие от ударов колес на стыках измерительного звена.

При испытаниях на Экспериментальном кольце зазоры на стыках измерительного звена превышали 20 мм, а железобетонные шпалы не были подбиты. Испытания креплений, лазерных датчиков и аппаратуры лазерных весов специально проводились в этих неблагоприятных условиях. Это позволило выявить факторы, негативно влияющие на работоспособность лазерных весов. Таким образом, был накоплен опыт поведения аппаратуры и креплений в экстремальных условиях работы. В результате были сформулированы требования к измерительному и прилегающим к нему с двух сторон звеньям весового пути.

Следующие испытания были проведены на прямолинейном участке хорды Экспериментального кольца с железобетонными шпалами и рельсами Р65.

Испытания показали, что оптикомеханические свойства датчиков с креплениями к рельсу на основе единой арочной конструкции в сочетании с демпфирующими элементами № 4 (горизонтальный прижим к подошве рельса) и № 6 (вертикальный прижим к подошве рельса) в несколько раз устойчивее к ударным воздействиям, возникающим при движении состава. Было принято решение о том, что два варианта устройств крепления датчиков к рельсу могут быть рекомендованы для использования в лазерных весах.

Подбивка измерительного и прилегающих к нему по обе стороны звеньев, затяжка клеммных креплений, регулировка стыков по концам измерительного звена и установка на этих стыках шестидырных накладок позволили значительно снизить уровень шума и амплитуду возмущений от ударов колес на стыках, а также снизить «уход нуля» выходного сигнала.

На следующих испытаниях проводилась проверка технических и метрологических характеристик опытного образца лазерных весов. Испытания показали, что уровень шума и амплитуда возмущений от ударов колес на стыках снизились до уровней существенно ниже допустимых пороговых: для амплитуды возмущений от ударов колес на стыках- не более трех дискрет за 100 мксек, а для уровня шума- не более 10 дискрет. Это позволило значительно снизить «уход нуля» выходного сигнала (не более 2 дискреты при допустимой величине 10 дискрет).

Разброс результатов взвешивания движущегося состава из маневрового тепловоза и 11 вагонов, наблюдаемый при движении состава, не превысил 1% в диапазоне взвешивания от 70 тонн (35% от НПВ по ГОСТ 30414) до 200 тонн. В диапазоне от 10 до 70 тонн не превышает 700 кг (требования ГОСТ 30414).

С целью оценки срока безотказной работы креплений ЛДВ на рельсах на Экспериментальном кольце были проведены ресурсные испытания, которые продолжались в течение 6 месяцев.

Оборудование лазерных весов было подвергнуто воздействию от прохождения по рельсам 3 107 416 осей вагонов со скоростью свыше 60 км/ч и весах вагонов свыше 100 тонн. После окончания испытаний лазерные весы сохранили рабочие параметры.

После успешного завершения предварительных испытаний на Экспериментальном кольце и в Институте проблем механики РАН было принято решение об испытаниях опытного образца лазерных весов на IV Глухоозерском пути ст. Санкт-Петербург сортировочный Московский Октябрьской железной дороги.

Сравнительный анализ различных мест установки датчиков показал, что для всех мест установки параметры измерительного сигнала (соотношение положительной и отрицательной амплитуды и соотношение сигнал/шум) в процессе испытаний были практически одинаковы и соответствовали требованиям проведения измерений. При этом любое место установки могло рассматриваться как оптимальное для размещения датчиков. В качестве такового было выбрано первое место установки датчиков: 42 метра в сторону Москвы от стыка двух 125-метровых звеньев перегона Пост 5-км-ст. СПб СМ IV Глухоозерского пути.

Расчет весов 11 груженых полувагонов показал, что отклонения показаний весов составили менее 1 %, что соответствует метрологическим требованиям 2-го класса точности по ГОСТ 30414, причем половина вагонов были взвешены в соответствии с требованиями 1-го класса точности.

Анализ измерительных сигналов при прохождении составов, прибывавших на станцию, показал наличие колесных пар, производящих удары по рельсам во время движения. Для некоторых составов такие удары по рельсам вызывали скачки сигнала (2-4 на состав).

С целью адаптации аппаратуры лазерных весов для взвешивания движущихся вагонов при наличии ударных нагрузок в Институте проблем механики РАН были проведены стендовые испытания на удар.

Для этого в ИПМ РАН были созданы специальные стенды. Во время испытаний имитировали удары на рельс, совпадающие по амплитудно-частотным характеристикам с ударами, зарегистрированными на IV Глухоозерском пути ст. Санкт-Петербург сортировочный Московский Октябрьской железной дороги. В качестве эффективных решений проблемы адаптации были найдены следующие: во-первых, была увеличена степень гашения высокочастотных колебаний механической системы крепление-датчик за счет увеличения площади демпфирующих накладок на рамку крепления и кожух датчика. Во-вторых, был расширен скоростной приемный буфер контроллера, что позволило отслеживать эволюцию прохождения ударных нагрузок в четыре раза большей интенсивности.

В дальнейшем на ст. Санкт-Петербург сортировочный Московский были проведены испытания, в результате которых была получена информация о динамических характеристиках опытного образца лазерных весов в условиях эксплуатации.

Информация была записана в автоматическом режиме на жесткий диск ПЭВМ. Результаты записи содержали информацию о прохождении 17 составов, причем 9 составов- в направлении на Санкт-Петербург и 8 составов- в направлении на Москву.

Лазерные весы как измерительная система многофункциональны. Весы способны выделять и описывать ударные нагрузки как специфический вид информации, что позволяет производить диагностику состояния подвижного состава. Интенсивные ударные нагрузки, воздействующие на рельсовый путь, свидетельствует о повреждениях в механических системах вагона. Лазерные весы способны фиксировать и предупреждать о таких повреждениях.

Необходимо отметить, что при очень резких ударах колес по рельсам во время движения, точность определения веса может оказаться невысокой. Такие вагоны выделяются программой обработки и сопровождаются рекомендаций к техническому осмотру. Из 905 прошедших по весам вагонов было 11 из этого списка.

Испытания подтвердили целесообразность проведенной доработки весов как в части механического демпфирования колебаний, так и в части параметров электронного оборудования, формирующего сигнал. Механическое демпфирование удара и связанных с ним паразитных колебаний в измерительной системе необходимо для ограничения интенсивности механического воздействия на датчик и уменьшении времени затухания ударного сигнала. Это позволило уменьшить влияние ударных нагрузок на регистрируемые параметры весовых характеристик вагонов и улучшить качество восприятия последующих динамических воздействий (например, повторных ударных нагрузок). В электронном оборудовании лазерных весов был расширен скоростной приемный буфер контроллера до 128 дискрет при уменьшении частоты опроса в 2 раза. Расширение увеличило эффективную емкость буфера до 64 дискрет (против имевшихся 8 дискрет), что позволило отслеживать без скачков эволюцию ударных нагрузок в четыре раза большей интенсивности, чем в начальном варианте.

В конце 2003 г. на ст. Санкт-Петербург сортировочный Московский федеральным государственным учреждением «ТЕСТ- С.-Петербург» проведена первичная поверка лазерных весов и выдано свидетельство о поверке. Весы подключены к информационной сети Октябрьской ж д. и получают информацию о таре и грузоподъемности вагонов из массива 122 АСОУП, а также информацию о бортовых номерах вагонов и массе перевозимого груза из ТГНЛ.

Выводы.

1. В результате исследований впервые в мировой практике были созданы весы на основе лазерного интерференционного деформометра для взвешивания вагонов в движении.

2. Отработанные и испытанные на Экспериментальном кольце ВНИИЖТ и в Институте проблем механики РАН конструкции креплений арочного типа с демпфирующими элементами (одна- с горизонтальным прижимом к подошве рельса, другая- с вертикальным) позволили обеспечить устойчивость оптикомеханических свойств лазерных датчиков к ударным воздействиям, возникающим при движении состава.

3. Модернизация весов, проведенная в рамках сертификационных требований по результатам стендовых и эксплуатационных испытаний в части механического демпфирования колебаний и совершенствования электронного оборудования, позволила улучшить эксплуатационные качества весов.










Системы передачи данных

 


Комплексные проектные решения

 


Управление распределенными системами

 


Автоматизированные рабочие места

 


Системы и средства обеспечения безопасности движения

 


Цифровые сети технологической связи

 


Информационные системы управления движением

 


Автоматизированное управление разработками проектов

 






 



Copyright (c) 2008, Infotest, Inc.