оценка состояния рельсовой колеи с учетом видеонаблюдений
advertisement
На правах рукописи Голубев Олег Ведимирович ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ РЕЛЬСОВОЙ КОЛЕИ С УЧЕТОМ ВИДЕОНАБЛЮДЕНИЙ 05.22.06 – Железнодорожный путь, изыскание и проектирование железных дорог АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва – 2013 Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Уральский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО УрГУПС). Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Аккерман Геннадий Львович Официальные оппоненты: Певзнер Виктор Ошерович – доктор технических наук, профессор, ОАО «Всероссийский научноисследовательский институт железнодорожного транспорта», отделение «Комплексные исследования по взаимодействию пути и подвижного состава», главный научный сотрудник Замуховский Александр Владимирович – кандидат технических наук, МГУПС (МИИТ), кафедра «Путь и путевое хозяйство», доцент Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО ПГУПС) Защита состоится 27 декабря 2013 г., в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 218.005.11 на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» по адресу: 127994, г. Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9, ауд. 1235. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУПС (МИИТ). Автореферат разослан «___» ноября 2013 г. Ученый секретарь диссертационного совета Савин Андрей Николаевич 2 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Обеспечение безопасности железнодорожных перевозок, комфортабельности пассажиров зависят как от состояния ходовой части подвижного состава, так и от состояния железнодорожного пути, которыми определяются условия возникновения колебаний виляния. На величину этих колебаний существенное влияние оказывают такие параметры как масса и скорость движения вагона. Величина этих колебаний при определенных условиях может достичь критических значений с наступлением резонансных явлений. Не превышение допускаемых динамических показателей экипажа (вертикальные и горизонтальные ускорения рамы тележки и кузова вагона) обеспечивается, в том числе сохранением стабильности рельсовой колеи на определенном уровне. Стабильность рельсовой колеи – свойство сохранять геометрию рельсовой колеи в пределах норм и допусков на ее содержание в течение заданной наработки тоннажа в соответствующих условиях эксплуатации. В настоящее время все большее значение имеет применение имитационного моделирования движения вагона с учетом состояния экипажа и пути. Тем не менее, натурные эксперименты желательны и необходимы. Для предупреждения и профилактики состояний пути, вызывающие колебания виляния подвижного состава, и их развития большое значение имеет совершенствование системы оценки состояния геометрических параметров рельсовой колеи, основанное на применении новых параметров, которые связаны с динамическими показателями движения вагона и положением колесных пар во время движения. Необходимо выделять участки пути с неустановившимся движением тележки (колесной пары). Если частота собственных колебаний боковой качки вагона будет приближаться к количеству касаний гребнем колеса 3 головки рельса на участке определенной протяженности, то возникает явление резонанса, при котором повышается износ взаимодействующих элементов и нарушается стабильность движения. Цель работы. Оценка состояния рельсовой колеи с совместным учетом временного и силового факторов с применением видеонаблюдений в прямых участках железнодорожного пути. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 1. Создать способ и конструкцию, позволяющую определять перемещение колесной пары в движении по пути с существующими отступлениями геометрии рельсовой колеи (ГРК) с автоматизацией измерения зазора в колее; 2. Определить параметры взаимодействия экипажа и пути, отражающие реакцию экипажа на состояние ГРК; 3. Разработать алгоритм определения участков железнодорожного пути с неблагоприятным сочетанием временного и силового факторов взаимодействия колесной пары и рельсовой колеи с помощью видеонаблюдения. 4. Определить порядок действий по выявлению наиболее значимых отступлений в содержании ГРК, влияющих на формирование траектории перемещения колесной пары (далее – «ведущие» отступления). Научная новизна. Разработан алгоритм определения участков железнодорожного пути с неблагоприятной динамикой с совместным учетом временного и силового факторов и предложен метод дополнительной оценки состояния ГРК по интенсивности колебаний виляния подвижного состава, определенных с помощью видеонаблюдения используя параметры: количество Nкасаний и длительность касаний Tкасаний гребнем колеса головки рельса. 4 Практическая ценность. 1. Создан способ и конструкция, позволяющая определять перемещение колесной пары в движении по пути с отступлениями ГРК с помощью видеонаблюдения и автоматизацией измерения зазора в колее, что позволит в дальнейшем изучать процесс взаимодействия колеса с рельсом на реальных участках железнодорожного пути. 2. Определены зависимости предлагаемых параметров от состояния ГРК и подвижного состава; 3. Определен алгоритм, выявления участков железнодорожного пути с неблагоприятной динамикой при совместном учете временного и силового факторов с использованием видеонаблюдения, а также с применением имитационного моделирования движения вагона. Определен порядок действий выявлению «ведущих» отступлений рельсовой колеи; 4. Определена связь касаний гребнем колеса головки рельса с боковым износом рельсовых нитей в прямых. Методы исследования. В теоретических исследованиях использованы методы сравнения и классификации, положения теории взаимодействия подвижного состава и пути, теории планирования эксперимента. Выполнены численные эксперименты с использованием программного комплекса «Универсальный механизм» и STATGRAPHICS Plus 3.0 for Windows на ЭВМ. Экспериментально на различных участках железной дороги изучен процесс перемещения колесных пар тележки поперек рельсовой колеи. Для обработки полученных данных использованы методы теории вероятности и математической статистики, а также методы программирования на языке MATLAB, использованы методы обработки видеоизображения. Используя предлагаемый алгоритм экспериментально определены неблагоприятные участки железной дороги и параметры связанные с некоторыми динамическими показателями вагона: количество Nкасаний и длительность касаний Tкасаний гребнем колеса головки рельса. 5 Обработка результатов расчетов выполнена в среде Microsoft Office Exel 2007. Научные положения выносимые на защиту. На защиту выносится: - алгоритм определения участков железнодорожного пути с неблагоприятной динамикой с совместным учетом временного и силового факторов с помощью видеонаблюдения с выделением «ведущих» отступлений. Достоверность научных положений. Предлагаемый алгоритм и параметры являются комплексными геометрии рельсовой колеи Б.Н. Зензинова, В.Б. и дополняют методы оценки отраженные в работах О.П. Ершкова, Каменского, З.Л. Крейниса, В.В. Мишина, В.О. Певзнера, Ю.С. Ромена и др. Влияние различных показателей динамики вагона и геометрических неровностей рельсовой колеи на взаимодействие колеса с рельсом подтверждается многочисленными теоретическими и экспериментальными исследованиями, проводимыми М.А. Фришманом, С.В. Вершинским, А.Я. Коганом, Е.С. Ашпизом, В.В. Виноградовым, А.В. Замуховским и др. В работе впервые предложен способ совместного учета временного и силового факторов с помощью видеонаблюдению, реализованный в виде алгоритма. В работе впервые для оценки качественного состояния геометрических параметров рельсовой колеи предложены параметры: количество Nкасаний и длительность касаний Tкасаний гребнем колеса головки рельса. Достоверность результатов моделирования движения вагона по рельсовой колее экспериментальных полученных на подтверждается исследований кафедре сходимостью (отклонение «Вагоны» университета путей сообщения. 6 с результатами составляет Уральского 4-23%), государственного Определение предлагаемых параметров может быть реализовано на железных дорогах. Реализация работы. Усовершенствованный метод оценки геометрии рельсовой колеи с учетом предлагаемых параметров, а также алгоритм выявления участков железнодорожного пути с неблагоприятной динамикой с совместным учетом силового и временного факторов применен на Свердловской железной дороге - филиале ОАО «РЖД». Апробация работы. Материалы диссертационной работы изложены и одобрены на научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования – транспорту. Молодые ученые транспорту», Екатеринбург (УрГУПС), 2005 г.; на Третьей научно-технической конференции с международным участием «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути», Москва (МИИТ), г.; 2006 на научно-технической конференции «Перспективы технического развития путевого комплекса ОАО «РЖД» в условиях его реформирования», Москва 2007 г.; научно–технических советах, проводимых в филиале ОАО «РЖД» – «Свердловская железная дорога» в 2006-2007 гг.; на научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования – транспорту. Молодые ученые транспорту», Екатеринбург (УрГУПС), 2011 г.; на VIII научнотехнической конференции с международным участием, Москва (МИИТ), 2012 г; на семинарах кафедры «Путь и железнодорожное строительство» УрГУПС в 2006-2012 гг; на расширенном заседании кафедры «Изыскания и проектирование железных дорог» ФГБОУ ВПО ПГУПС в 2012 г, на расширенном заседании кафедры «Изыскания и проектирование железных дорог» ФГБОУ ВПО МГУПС (МИИТ) в 2013 г, на заседании кафедры «Путь и путевое хозяйство» ФГБОУ ВПО МГУПС (МИИТ) в 2013 г; на XIV научно-практической конференции поездов», МИИТ, 2013. 7 «Безопасность движения Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложений и содержит 148 страниц, рисунков в тексте 54, таблиц 13, приложений 7. Список литературы содержит 115 наименований. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении дана оценка актуальности темы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна, достоверность научных положений и практическая значимость диссертационной работы. В настоящее время в системе оценки геометрических параметров рельсовой колеи неявны параметры, отражающие характер процесса взаимодействия колеса и рельса. Нельзя точно оценить, как расположена колесная пара вагона в колее в произвольном сечении пути при различных сочетаниях отступлений. В первой главе «ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ГЕОМЕТРЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПУТЕИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ РЕЛЬСОВОЙ СРЕДСТВ» проведен КОЛЕИ краткий И обзор существующих технологий оценки геометрических параметров рельсовой колеи, которые применяются как в нашей стране, так и за рубежом. Данные методы рассмотрены в работах Г. Балуха, О.П. Ершкова, Б.Н. Зензинова, В.А. Лазаряна, В.Б. Г.И. Каменского, Матусовского, Н.И. Карпущенко, В.В. Мишина, З.Л. Крейниса, В.О. Певзнера, Ю.С. Ромена, М.А. Фришмана, К. Эсвельда и многих других. Дана обобщенная классификация методов оценки геометрических параметров железнодорожного пути. Каждый из этих методов имеет свои достоинства и недостатки, отличается трудоемкостью выполнения и используемым математическим аппаратом, а также целью использования данной технологии. Рассмотрены результаты исследований, проведенные в области оценки геометрических параметров 8 рельсовой колеи различными методами и влияния различного рода отступлений ГРК, их сочетаний и последовательностей на показатели взаимодействия пути и подвижного состава. Данные исследования проводились в Москве (ВНИИЖТ, МИИТ), ДИИТе, РГОТУПСе, ПГУПСе, УрГУПСе и в других учебных и научных организациях. Рассмотрены основные достоинства и недостатки проведенных исследований. Анализ способов оценки геометрии рельсовой колеи и обзор путеизмерительных средств показал, что на сегодняшний день применяемые комплексные показатели (параметры) для оценки состояния геометрии рельсовой колеи неявно отражают характер процесса взаимодействия колеса и рельса. Кроме того, оценка состояния геометрии рельсовой колеи в большинстве случаев выполняется специальными путеизмерительными средствами (путеизмерительные вагоны) для тех скоростей и нагрузок, с которыми проводились измерения геометрических параметров железнодорожного пути. До сих пор оценка состояния рельсовой колеи в России и др. станах выполняется с помощью условных баллов, величина которых зависит от разницы между измеренным параметром и нормативной величиной. Причем для каждого параметра и скорости движения эта разница своя, и часто завышена. Не возможно полностью учесть все сочетания отступлений ГРК при оценке их влияния на процесс качения колеса по рельсу. Таких сочетаний на непротяженном отрезке пути в совокупности с влиянием других параметров (скорость движения, нагрузка на ось, подуклонка рельсов, жесткость подрельсового основания, геометрия рельсовой колеи, режим движения поезда и др.) на небольшом отрезке пути может быть около 2 миллионов. Также необходимо знать реакцию экипажа (перемещение колесной пары), имеющего разную нагрузку на ось и скорости движения, под воздействием существующих отступлений ГРК. 9 Не ясен показатель, связанный с характером взаимодействия колеса и рельса. Нельзя определить, где колесная пара касается гребнем колеса головки рельса и, с каким ускорение гребень колеса приближается к головке рельса в процессе качения, как расположена колесная пара и тележка вагона в колее в произвольном сечении пути при различных сочетаниях отступлений ГРК. Во второй главе «ИССЛЕДОВАНИЕ ВИДЕОСЪЕМКОЙ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ КОЛЕСНОЙ ПАРЫ ПОПЕРЕК РЕЛЬСОВОЙ КОЛЕИ» для определения положения колесных пар при качении по рельсу предлагается определять зазор между гребнем колеса и головкой рельса. Для этих целей используется видеокамера, прикрепленная на специальной конструкции, которая крепится к поперечной балке тележки вагона-путеизмерителя ЦНИИ-4МД. Конструкция показана на рисунке 1. На рисунке 2 показано изображение линейки, наложенной на изображение видеоряда, полученное при движении вагона. Изображение линейки представлено в масштабе изображения видеоряда: зазор равен 8 мм. Для определения перемещений колесной пары внутри рельсовой колеи конструкцию устанавливали таким образом, чтобы видеокамеры были направлены на правое и левое колеса первой по ходу движения колесной пары. Для определения угла набегания колеса на рельс видеокамеры были направлены на колеса, расположенные с одной стороны тележки вагона. 10 1-вертикальный металлический стержень; 2- наклонный металлический стержень; 3-видеокамера; 4-источник света. Рисунок 1 – Конструкция для крепления видеокамеры при определении поперечного перемещения колесной пары внутри колеи Рисунок 2 – Изображение линейки, наложенное на изображение видеоряда Способ определения зазора между гребнем колеса и головкой рельса и устройство для его осуществления защищены патентом №2326782. Для автоматизации определения зазора в колее разработан алгоритм в программной среде MATLAB. Для использования данного алгоритма изображение видеоряда должно быть четким (с возможностью визуального разделения контуров колеса и головки рельса). Точность определения зазора составляет 0,5 мм. Сравнение зазоров в колее, определенных визуально по видеоряду и автоматически согласно алгоритму показало хорошую сходимость (отклонения 2 – 5%). При помощи данного метода можно определить: зазоры между гребнем колеса и головкой рельса; поперечное ускорение с которым гребень колеса приближается к головке рельса; участки с нулевым зазором 11 и, на которых он достигает максимального значения; угол набегания колеса на головку рельса; участки дополнительного силового воздействия на плети бесстыкового пути, участки длительного касания гребнем колеса головки рельса с целью прогнозирования бокового износа рельса. Для сравнительной оценки движения колесных пар вагона путеизмерителя и других экипажей был выполнен эксперимент по определению зазора при перемещении колесных пар других типов подвижного состава. Этот зазор определялся в характерных точках пути: - на прямой (сечение №1); - в крестовиной части стрелочного перевода (сечение №2). Конструкция для определения зазора в сечении железнодорожного пути приведена на рисунке 3. В сечении №1 и №2 средняя величина зазоров всех колесных пар практически совпадает с зазором, полученным при поездке вагона-путеизмерителя ЦНИИ-4МД, отклонение составляет для сечения №1 – 4%, для сечения №2 – 22%. Рисунок 3 – Конструкция для определения зазора в сечении железнодорожного пути На основании выполненных теоретических исследований и результатов экспериментов предлагается для оценки состояния рельсовой колеи и выявления участков с неблагоприятной динамикой применять критерии, которые отражают реакцию экипажа на неровности железнодорожного пути и связаны с динамическими показателями подвижного состава. 12 Для анализа характера взаимодействия колесной пары и рельсовой колеи в прямой предлагается определять количество касаний гребнем колеса рельса головки рельса Nкасаний и их длительность Ткасаний. Чем больше касаний гребнем колеса головки рельса и чем оно длительнее, тем больше суммарный боковой износ рельсовой нити по длине прямой. Чем больше касаний гребнем колеса головки рельса на малом промежутке пути (до 100 м) и чем меньше время этих касаний, тем больше ускорения, возникающие на раме тележки вагона и на кузове вагона (результаты получены при моделировании движения вагона в программном комплексе «Универсальный механизм» разработан в лаборатории вычислительной механики Брянского государственного технического университета). За касание считается нулевой зазор в колее (при определении зазора видеокамерой) или наличие силы крипа при контакте гребня колеса с головкой рельса (данная сила определена при помощи моделирования в программном комплексе «Универсальный механизм»). В третьей главе «ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ГЕОМЕТРИИ РЕЛЬСОВОЙ КОЛЕИ НА УСЛОВИЯ КАЧЕНИЯ КОЛЕСА ПО РЕЛЬСУ» выполнены численные эксперименты движения вагона по участку железнодорожного пути в программном комплексе «Универсальный механизм». Данная модель четырехосного вагона, разработана на кафедре «Вагоны» УрГУПС. В качестве входных факторов (параметров технического состояния) были использованы: - геометрия рельсовой колеи (вертикальные и горизонтальные неровности для каждой рельсовой нити); - скорость движения вагона (от 15 км/час до 100 км/час); - масса вагона (от 22 тонн до 85 тонн); - тип вагона (полувагон, цистерна, хоппер); - состояние вагона (изношенное, среднесетевое, новый). 13 В результате моделирования были получены следующие показатели для определения связи с предлагаемыми параметрами: - продольная и поперечная силы крипа во второй точке контакта; - смещение колеса относительно рельса; - вертикальные и горизонтальные ускорения кузова вагона; - вертикальные и горизонтальные ускорения рам тележек. Для того чтобы сократить число опытов, найти оптимальное решение и (параметров получить количественную технического состояния), оценку был влияния проведен факторов численный эксперимент, который выполнен с применением программного продукта STATGRAPHICS Plus 3.0 for Windows. В качестве параметров оптимизации были приняты: количество Nкасаний и длительность касаний Ткасаний гребнем колеса головки рельса. Для проведения численного эксперимента были выбраны следующие параметры пути: прямолинейный участок пути, параметры неровности пути заданы в виде максимальных и минимальных значений ширины колеи (от 1512 мм до 1548 мм) и уровня рельсовых нитей (от 6 мм до 50 мм) согласно ЦП 515. В предложенном эксперименте всего учтено шесть факторов, в результате чего число опытов равно H = 2 6 = 64 . После обработки результатов эксперимента были получены зависимости исследуемых параметров Nкасаний, Tкасаний от входных факторов. Определены регрессионные коэффициенты для каждой зависимости и построены карты Парето, графики отклонений от нормального распределения, представлена таблица дисперсионного анализа. С учетом выполненного анализа представлены зависимости для рассматриваемых параметров Nкасаний, Tкасаний, исключив из них статистически не значимые факторы (уровень надежности принят 95%). Новый вид зависимостей представлен формулами 1-2. 14 Nкасаний = 84,3438 - 13,1563*V - 25,4062*M - 33,375*gorizont + (1) + 28,875*vertikal + 8,90625*V*M - 11,375*V*sos_vagona + + 8,0625*V*gorizont -20,3125*V*vertikal + 8,625*M*gorizont - 10,125*M*vertikal + 8,40625*gorizont*vertikal Tкасаний = 15,4877 - 12,1158*V + 2,58734*M - 5,15953*gorizont (2) + 11,9592*vertikal - 2,02922*V*M + 4,24266*V*gorizont - 10,8173*V*vertikal + 3,33453*M*vertikal - - 2,30672*gorizont*vertikal где V – скорость движения вагона; М – масса вагона; gorizont – величина горизонтальных неровностей рельсовых нитей; vertikal – величина вертикальных неровностей рельсовых нитей; sos_vagona состояние вагона; значения величин подставляются в долях единицы, при этом минимальные значения равны -1, а максимальные 1. По данным зависимостям определяется величина факторов, которая соответствует сохранению необходимого уровня параметров Nкасаний, Tкасаний. Для показателей определения динамики взаимосвязи подвижного предлагаемых состава параметров было и выполнено моделирование движения вагона с изменением наиболее значимых факторов. За критерий взаимосвязи принят коэффициент корреляции. В исследовании были выбраны следующие динамические показатели движения вагона, согласно перечню показателей взаимодействия пути и подвижного состава для установления допускаемых скоростей движения: 1 – Вертикальные ускорения рамы тележки, м/с2, 0,85g – для груженных грузовых вагонов, 0,90g – для порожних грузовых вагонов; 2 – Горизонтальные ускорения рамы тележки, м/с2, 0,50g – для груженных грузовых вагонов, 0,35g – для порожних грузовых вагонов; 3 – Вертикальные ускорения кузова вагона, м/с2, 0,60g – для груженных грузовых вагонов, 0,70g – для порожних грузовых вагонов; 15 4 – Горизонтальные ускорения кузова вагона, м/с2, 0,25g – для груженных грузовых вагонов, 0,30g – для порожних грузовых вагонов; g=9,81 м/с2 – ускорение свободного падения. Из анализа результатов численного эксперимента сделаны следующие выводы: - параметр Nкасаний корреллирует с количеством превышений горизонтальных и вертикальных ускорений тележки вагона (значения коэффициента корреляции 0,64 и 0,55 соответственно при массе вагона 22 тонны, 0,95 и 0,75 при массе вагона 85 тонн) с горизонтальных ускорений кузова вагона 0,99 при массе вагона 85 тонн; - параметр Tкасаний корреллирует с количеством превышений горизонтальных ускорений кузова и тележки вагона (значения коэффициента корреляции 0,64 и 0,77 соответственно при массе вагона 85 тонны). В четвертой главе «ИССЛЕДОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ ВАГОНА ПО ПУТИ С РЕАЛЬНЫМИ НЕИСПРАВНОСТЯМИ РЕЛЬСОВОЙ КОЛЕИ» выполнено исследование движения вагона по пути с реальными отступлениями рельсовой колеи, которые получены по данным прохода вагона путеизмерителя ЦНИИ4-МД. Исследуемый участок ИзумрудАсбест обслуживается Баженовской дистанцией пути (ПЧ-8) Свердловской железной дороги. Экспериментально были определены количество и длительность касаний гребнем колеса головки рельса, а также рассчитан предлагаемый критерий – частота «боковых» касаний. На данном перегоне было выделено четыре прямых участка пути (рисунок 4). На рисунке 4 показаны участки, где гребень колеса касается головки рельса. 16 60 50 40 1 2 3 4 уровень, мм 20 0 -20 -40 -60 -70 -80 30700 31700 32700 33700 34700 35700 36700 37700 километры 50 - при уровне +50 мм места касания гребнем колеса головки левого рельса; -70 - при уровне -70 мм места касания гребнем колеса головки правого рельса; 1-4 – номера прямолинейных участков. Рисунок 4 График касаний гребнем колеса головки рельса на участке Изумруд – Асбест Анализ коэффициентов корреляции между параметрами Nкасаний, Ткасаний и условной бальностью показывает, что связь присутствует. Наибольший коэффициент корреляции равный 0,7 между условной бальностью и суммой касаний левой и правой рельсовых ниток. Коэффициент корреляции равный -0,82 между условной бальностью и длительностью касаний левой рельсовой нити. Порядок определения условной бальности следующий: на каждом из четырех участков были определены степени отступлений для ширины колеи, уровня, просадкам левым и правым, согласно установленным скоростям движения по участку; каждой степени отступления присваивалось условное количество баллов (первой степени – 0 баллов; вторая степень – 1 балл; третья степень – 2 балла; четвертая степень 3 балла). 17 Для оценки качества геометрических характеристик рельсовой колеи определены границы параметра Nкасаний, приведенные в таблице 1. Таблица 1 – Границы параметра Nкасаний Количество касаний Nкасаний на базе вагона (10.45 м), при оценка состояния ГРК V более 50 км/час V менее 50 км/час порожний груженный порожний груженный удовлетворительно ≤4 ≤3 ≤3 1 неудовлетворительно >4 >3 >3 >1 Результаты определения количества касаний гребнем колеса головки рельса более удобно представить в процентном выражении как средневзвешанного по длине участка, на котором определяется Nкасаний: k ∑N 100% • i • Li i =1 k ∑L , (3) i i =1 где i – сечение участка пути, где определяется количество касаний (количество сечений равно количеству касаний на участке); L – длина участка пути, на котором определено количество касаний; N – количество касаний гребнем колеса головки рельса на участке длиной L. На развитие неблагоприятной динамики в течение некоторого времени tсх кроме силового фактора также влияет и продолжительность воздействия силы определенного характера и положение тележки относительно рельсовой колеи. Данное время зависит от угла набегания гребня колеса на головку рельса. Угол набегания в этом случае определяется по формуле 3. α = arcsin(a/L), (3) где а – зазор на втором колесе (по ходу движения), когда первое колесо прижато к головке рельса; L – длина жесткой базы тележки. 18 Для определения силового фактора используем ускорение приближения гребня колеса к головке рельса. a= где V2 - V1 Δt (4) V1– скорость, с которой колесо приближается к головке рельса между первой и второй точками перед касанием, м/с; V2 – скорость, с которой колесо приближается к головке рельса между второй и третьей точками (третья точка – точка, где происходит касание гребня колеса с головки рельса), м/с; ∆t – промежуток времени при определении скорости и зазора, принят 1/24 с, то есть частоте видеозаписи равной 24 кадра/с. Алгоритм для определения неблагоприятных участков качения колеса по головке рельса представлен на рисунке 6. Измерение при помощи видеокамеры зазора на всех колесных парах в тележке вагона Определение угла набегания α и расчет tсх Благоприятный участок пути Да tсх>Tкасаний Нет Определение ускорения приближения гребня колеса к головке рельса на участке перед касанием Определение боковой силы при контакте колеса и рельса и расчет Kуст Неблагоприятный участок пути пути Да [Kуст]> Kуст Нет Действия в соответствии с порядком по выявлению «ведущих» отступлений в содержании рельсовой колеи Благоприятный участок пути Рисунок 6 Алгоритм определения неблагоприятных участков качения колеса по головке рельса. 19 На основании выполненных численных и экспериментальных исследований определен порядок действий по выявлению «ведущих» отступлений в содержании ГРК: 1. Выполняют моделирование движения вагона с условиями, при которых определены зазоры между гребнем колеса и головкой рельса; 2. При этом выделяются отступления, которые больше всего влияют на длительность касания и ускорения приближения гребня колеса к головке рельса на данном участке пути; 3. Даются рекомендации по первоочередности устранения «ведущих» отступлений, влияющих на длительность касания гребнем колеса головки рельса и угол набегания гребня колеса на головку рельса. Графическая интерпретация пунктов 2-3 представленного порядка приведена на рисунке 7. Таким образом, появляется возможность влиять на траекторию качения колесной пары по рельсовой колее и длительность касаний гребнем колеса головки рельса. Что позволит снизить боковой износ рельса. Повышенный износ в 80% случаев наблюдается в местах касаний гребнем колеса головки рельса. Зона повышенного износа наблюдается на протяжении от 0 до 22 м до и после места касания гребнем колеса головки рельса. На участке железнодорожного пути Изумруд – Асбест выполнен анализ влияния касаний гребнем колеса головки рельса на величину износа рельсовой нити. На рисунке 8 представлен график среднего износа рельса на участках железнодорожного пути с касанием и без касаний гребнем колеса головки рельса. 20 а) α=0.003086 рад, tсх=0.085 с, Tкасаний=0,11 с. Куст=2.25 «ведущие» отступления б) α=0.002691 рад, tсх=0.098 с, Tкасаний=0,081 с. Куст=4.02 Адресная выправка пути а) при существующей геометрии рельсовой колеи с выделением «ведущих» отступлений; б) после адресного устранения «ведущих» отступлений. Рисунок 7 Определение «ведущих» отступлений. Износ, мм Абсолютная координата пути по данным вагона-путеизмерителя, м на уровне 8 мм отображены места касаний гребнем колеса головки рельса. Рисунок 8 График изменения среднего износа рельса на участках железнодорожного пути. 21 ЗАКЛЮЧЕНИЕ В диссертационной работе на основе проведенных исследований получены следующие основные результаты и выводы: 1. Создан способ и конструкция, позволяющие определять перемещение колесной пары в движении по пути с существующими отступлениями ГРК с автоматизацией измерения зазора в колее; 2. Определены параметры количество Nкасаний и длительность касаний Tкасаний гребнем колеса головки рельса, и выявлена их связь с динамическими показателями вагона и состоянием ГРК; 3. Определено количество касаний Nкасаний гребнем колеса головки рельса, соответствующее состоянию ГРК; 4. Предложен метод дополнительной оценки состояния ГРК по интенсивности колебаний виляния подвижного состава, определенных с помощью видеонаблюдения. 5. Разработан алгоритм определения участков железнодорожного пути с неблагоприятным сочетанием временного и силового факторов взаимодействия колесной пары и рельсовой колеи с помощью видеонаблюдения; 6. Определен порядок работ по выявлению «ведущих» отступлений в содержании ГРК, влияющих на формирование траектории перемещения колесной пары; 7. Определена взаимосвязь расположения зон повышенного бокового износа рельсов и мест касания гребнем колеса головки рельса. Зона повышенного износа наблюдается на протяжении от 0 до 22 м до и после места касания гребнем колеса головки рельса. 22 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ: I. в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России: 1. Аккерман, Г.Л. Оценка состояния железнодорожного пути [Текст] / Г.Л. Аккерман, С.Г. Аккерман, А.К. Гавриленко, Ю.М. Кравченко, П.А. Желтышев, О.В. Голубев // Транспорт Урала. – 2006. – №4. – С. 37-48. 2. Голубев, О.В. Определение сходоопасных участков пути [Текст] / О.В. Голубев, П.А. Желтышев // Путь и путевое хозяйство. – 2007. – №7. – С. 16-17. 3. Аккерман, Г.Л. Алгоритм выявления участков пути с неблагоприятной динамикой [Текст] / Г.Л. Аккерман, О.В. Голубев // Путь и путевое хозяйство. – 2013. – №1. – С. 19-21. II. в других изданиях: 4. Голубев, О.В. Сравнительный анализ некоторых геометрических характеристик железнодорожного пути, полученных по данным АПК «Профиль» и ВПС ЦНИИ-4МД [Текст] / О.В. Голубев С.Г. Аккерман // Современные информационные технологии, электронные системы и приборы железнодорожного транспорта: Сборник научных трудов. – 2005. – №36. – С. 32-39. 5. Голубев, О.В. Шум как источник информации при анализе геометрических характеристик пути [Текст] / О.В. Голубев // Молодые ученые – транспорту: Труды V межвузовской научно-технической конференции. – 2005. – С. 147-151. 6. Голубев, О.В. Видеокамера предскажет сход [Текст] / О.В. Голубев, П.А. Желтышев // Уральская магистраль. – 2007. – №11. – С. 5. 7. Голубев, О.В. Видео- и аудиоконтроль состояния пути [Текст] / О.В. Голубев, П.А. Желтышев // Сб. научн. трудов. ПТКБЦП. – 2007. 8. Голубев, О.В. Сходоопасные участки на железнодорожном пути и критерии их определения [Текст] / О.В. Голубев, П.А. Желтышев // Молодые ученые – транспорту: Труды VIII межвузовской научнотехнической конференции. – 2008. 9. Голубев, О.В. Алгоритм определения участков подъема гребня колеса на головку рельса [Текст] / О.В. Голубев // Молодые ученые – 23 транспорту: Труды XI межвузовской научно-технической конференции. – 2011. 10. Голубев, О.В. К вопросу определения сходоопасных мест на железных дорогах [Текст] / О.В. Голубев // Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации земляного полотна железных дорог: Труды IX научно-технической конференции с международным участием, посвященные 108-летию профессора Г. М. Шахунянца. – 2012. 11. Аккерман, Г.Л. Определение «ведущих» отступлений в содержании рельсовой колеи посредством видеонаблюдения и компьютерного моделирования [Текст] / Г.Л. Аккерман, О.В. Голубев // Безопасность движения поездов: Труды XIV научно-практической конференции с международным участием. – 2013. Голубев Олег Ведимирович ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ РЕЛЬСОВОЙ КОЛЕИ С УЧЕТОМ ВИДЕОНАБЛЮДЕНИЙ 05.22.06 – Железнодорожный путь, изыскание и проектирование железных дорог Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Подписано к печати __________. Объем 1,5 п.л. Тираж 80 экз. Заказ №___ Формат 60х84 1 16 УПЦ ГИ МИИТ, Москва, 127994, ул. Образцова, д. 9, стр. 9 24
