Использование волоконно-оптических датчиков для определения неравномерной загрузки вагонов

Ададуров А.С.,

Тюпин С.В.,

Бушуев Р.Ю.

СПбФ ОАО НИИАС

В ноябре 2013 г. во Франкфурте-на-Майне состоялась вторая конференция по системам мониторинга подвижного состава. Представители Европейского железнодорожного агентства ознакомили собравшихся с законодательной базой, регулирующей использование железнодорожных систем наблюдения и контроля всех типов в правовом поле Европейского союза. Участники форума получили возможность убедится в экономической эффективности систем мониторинга.

На сегодняшний день на Российских железных дорогах введены в эксплуатацию Системы контроля вертикальных динамических нагрузок (СКВДН), предназначенные для обнаружения дефектов поверхности катания колесных пар и определения неравномерной загрузки вагонов. Реализованные алгоритмы обработки измерений, производимых с помощью волоконно-оптических датчиков, позволяют устойчиво выявлять такие виды дефектов, как ползуны, выщербины и навары.

Опыт эксплуатации системы СКВДН показал ее высокую эффективность при обнаружении неравномерной загрузки. В то же время точная оценка величины дефекта поверхности катания является сложной задачей и на сегодняшний день определяется с гораздо большей погрешностью. Это связано с тем, что ударное воздействие дефекта сильно зависит не только от размера дефекта, но и от его геометрической формы.

Прохождение колеса вагона над волоконно-оптическим датчиком (ВОД) приводит к уменьшению светового потока лазерного излучения, проходящего через ВОД. Структурная схема ВОД представлена на Рис.1.

02516633602516623362516592642516613122516602880

ОВ

0

Рис.1. Структурная схема волоконно-оптического датчика

Излучение полупроводникового лазера или светодиода(ПЛ) проходит через оптическое волокно(ОВ), часть которого размещается в силоизмерительной панели(СИП). СИП является аналогом подрельсовой прокладки, внутри которой находится ОВ. Второй конец ОВ подключен к оптико-электронному преобразователю(ОЭП), предназначенному для формирования электрического сигнала, амплитуда которого пропорциональна мощности светового потока на входе ОЭП.

В общем случае можно считать, что значение выходного сигнала ВОД определяется изменением коэффициента пропускания светового потока ОВ :

при этом значение пропорционально силе, приложенной к СИП и приводящей к изменению оптических свойств ОВ.

Компания Sensor Line Gmbh приводит следующую зависимость выходного сигнала ВОД от прилагаемой силы (Рис.2)

Рис.2

Следует отметить, что характеристика ВОД на Рис.2 имеет иллюстративный характер, демонстрирующий возможности ВОД, и не может быть использована для калибровки ВОД.

Для определения зависимости выходного сигнала ВОД от прилагаемой статической нагрузки был проведен лабораторный эксперимент путем приложения к СИП калиброванной нагрузки с использованием комплекса для калибровки силоизмерительных датчиков (Рис.3а, 3б).

Рис.3а Рис.3б

Установка позволяет изменять усилие, прикладываемое к СИП, в диапазоне от 2 до 2000 кН с относительной погрешностью 0,001. Для калибровки ВОД усилие изменялось дискретно в диапазоне от 50 до 450 кН. На Рис. 4 приведен график изменения выходного напряжения ВОД при нагружении и разгружении СИП.

Рис.4

По горизонтальной оси на Рис.4 отложено время в секундах, по вертикальной – выходное напряжение ОЭП ВОД в Вольтах. Максимальное отклонение выходного сигнала при нагрузке в 450 кН составило 2,28 В. Зависимость от приложенной нагрузки приведена на Рис.5.

Рис.5

Полученные данные свидетельствуют о практически линейной зависимости в диапазоне нагрузок от 50 до 450 кН, что расходится с данными, полученными от компании-изготовителя ВОД, согласно которым линейный участок выходного сигнала ВОД заканчивается при нагрузке около 100 кН.

Следует отметить, что в лабораторных условиях усилие на ВОД передавалось через толстую металлическую пластину, а сам датчик лежал на массивной плите(Рис.3б). Поэтому можно считать, что ВОД находился между двумя абсолютно твердыми телами, что существенно отличается от использования ВОД при нахождении его между рельсом и шпалой.

Одной из основных характеристик железнодорожного пути является жесткость. Под жесткостью понимается отношение приложенной к головке рельса соответствующей силы (вертикальная, горизонтальная) к возникающему в точке приложения силы прогибу в вертикальной или поперечной горизонтальной плоскости. Значение жесткости влияет на максимальную величину прогиба рельса под нагрузкой, на характеристики колебаний, возникающих в балластном слое, а также на силу, действующую со стороны шпалы на ВОД, находящийся между шпалой и рельсом.

До того момента когда система «шпала-балластный слой» достигнет предела упругости будет существовать разность силы действующей на ВОД со стороны рельса и силы реакции опоры, определяемой жесткостью системы «шпала-балластный слой», вследствие чего выходной сигнал ВОД в реальных условиях практически всегда будет меньше, чем в условиях эксперимента. Причем чем менее жестким будет путь, тем значительнее будет эта разница.

В рамках настоящей работы не предполагалось проведение исследований жесткости железнодорожного пути, поэтому для калибровки ВОД был выбран способ с использованием состава с известными нагрузками на ось.

Для калибровки выходных сигналов ВОД был проведен натурный эксперимент с использованием тестового состава, который состоял из локомотива ТГМ-4 ( количество осей – 4, общая масса – 78,6 т, нагрузка на ось – 19,65 т, средняя нагрузка на колесо – 9,82 т) и порожнего вагона (количество осей – 4, общая масса – 22,85 т, нагрузка на ось – 5,57 т, средняя нагрузка на колесо – 2,29 т).

Тестовый состав совершил четыре цикла проездов через измерительный участок СКВДН. Каждый цикл состоял из проезда в прямом направлении со скоростями (20,30,40 и 55 км/час) и проезда в обратном направлении со скоростью около 30 км/час. Причем поскольку при проезде в обратном направлении локомотив двигался позади вагона, то сторона локомотива относительно установленных ВОД не изменялась (каждое колесо при движении и в прямом, и в обратном направлении проезжало через одни и те же ВОД).

Поскольку в тестовом составе на всех колесных парах отсутствовали дефекты катания, то по результатам эксперимента предполагалось

· определить возможность общей калибровки ВОД для оценки веса вагонов и нагрузки на ось;

· оценить возможность использования ВОД для выявления неравномерной загрузки вагона;

· определить зависимость выходного сигнала ВОД от скорости движения состава.

На Рис.6 приведены выходные сигналы семи ВОД, установленных на последовательно расположенных шпалах при движении состава со скоростью около 30 км/час.

Рис.6а.

Рис.6б.

При этом на Рис.6а состав двигался в прямом направлении(локомотив впереди), а на Рис.6б – в обратном(локомотив позади вагона).

Полученные зависимости позволяют выделить как моменты прохождения осей через каждый из ВОД, так и оценить разность сигналов от локомотива, вес которого сопоставим с весом загруженного вагона, и порожнего вагона. Однако также хорошо заметно, что максимальные значения выходных сигналов разных ВОД, соответствующие моментам прохождения оси непосредственно над ВОД, различаются по величине более, чем в два раза.

Поскольку ВОД обладают идентичными характеристиками, проверенными в лабораторных условиях на абсолютно жестком основании, причиной такой значительной разницы амплитуды сигналов могут быть только различия параметров жесткости системы «рельс-шпала-балластный слой» в месте установки каждого из ВОД. Действительно, визуально было заметно наличие упругих прогибов рельса при прохождении состава с амплитудой в десятки миллиметров. Причиной столь значительных колебаний рельса является недостаточная жесткость балластного слоя, приводящая к «гиперчувствительности» ВОД по отношению к значению максимального упругого прогиба рельса над каждой из шпал.

В соответствии с «Требованиями к месту размещения системы контроля вертикальных динамических нагрузок(СКВДН) на основе волоконно-оптических датчиков» должна производиться подбивка пути так, чтобы «отклонения от установленных размеров расстояний в профиле пути при движении поезда не превышало 10 мм, а в месте измерительных напольных устройств не более 5 мм». Невыполнение этих требований приводит к значительной разнице амплитуды ВОД.

В то же время следует признать, что добиться отсутствия отклонений в жесткости системы «рельс-шпала-балластный слой» в реальных условиях эксплуатации железнодорожного пути невозможно. Поэтому одной из задач разработки алгоритмов обработки сигналов ВОД является введение нормирующих мультипликативных коэффициентов для каждого ВОД.

На Рис.6 хорошо заметно наличие высокочастотных шумов в сигнале каждого из датчиков, поэтому для устранения их влияния при вычислении нормирующих коэффициентов было произведено сглаживание сигналов с использованием алгоритма «скользящего окна» длительностью 5 миллисекунд. Общее количество ВОД во время эксперимента составляло 18, из них 7 ВОД с номерами 0..6 были установлены под левым рельсом, а 11 с номерами 11..21 – под правым рельсом. При этом номера ВОД на одной и той же шпалой отличаются на 11, т.е. ВОД с номерами 0 и 11 расположены на шпале порядковым номером 0 под левым и правым рельсами, соответственно. В целях упрощения анализа в таблице приведены средние значения максимальных сигналов ВОД, причем осреднение проводилось для изменения скорости с шагом 10 км/час независимо от направления движения состава.

В таблице 1 приведены максимальные значения выходных сигналов ВОД для различных осей.

таблица 1

номер ВОД	номер оси
	1	2	3	4	5	6	7	8
0	0,18	0,16	0,18	0,17	0,06	0,05	0,06	0,05
1	0,10	0,08	0,10	0,09	0,02	0,02	0,02	0,02
2	0,12	0,11	0,14	0,11	0,02	0,03	0,03	0,03
3	0,15	0,12	0,17	0,13	0,02	0,03	0,03	0,02
4	0,16	0,15	0,17	0,15	0,04	0,05	0,05	0,04
5	0,21	0,24	0,23	0,26	0,06	0,07	0,05	0,07
6	0,18	0,21	0,18	0,23	0,04	0,05	0,04	0,05
11	0,08	0,09	0,07	0,07	0,02	0,02	0,02	0,02
12	0,09	0,10	0,09	0,09	0,02	0,02	0,02	0,02
13	0,16	0,16	0,13	0,13	0,03	0,04	0,04	0,03
14	0,10	0,10	0,09	0,09	0,01	0,02	0,01	0,02
15	0,29	0,27	0,23	0,24	0,06	0,07	0,09	0,06
18	0,06	0,09	0,06	0,08	0,01	0,02	0,01	0,02
19	0,20	0,27	0,19	0,26	0,04	0,05	0,06	0,05
20	0,16	0,21	0,15	0,20	0,04	0,05	0,04	0,05
21	0,07	0,09	0,06	0,09	0,02	0,02	0,04	0,02
Максимальный сигнал	0,29	0,27	0,23	0,26	0,06	0,07	0,09	0,07
Минимальный сигнал	0,06	0,08	0,06	0,07	0,01	0,02	0,01	0,02
Динамический диапазон (макс/мин)	4,42	3,38	3,83	3,71	6,00	3,63	9,00	3,50

Принимая во внимание одинаковую загрузку всех колес каждой подвижной единицы тестового состава, определим зависимость выходного сигнала ВОД от прикладываемой нагрузки

;

где – нагрузка, приложенная к ВОД, кН

- среднее значение выходного напряжения j-го ВОД.

Для тестового состава значения приведены в таблице 2.

таблица 2

номер ВОД	локомотив		вагон
0	0,17	1,79	0,05	2,46	2,12
1	0,09	0,94	0,02	0,89	0,92
2	0,12	1,25	0,03	1,23	1,24
3	0,14	1,48	0,02	1,12	1,30
4	0,16	1,63	0,04	2,01	1,82
5	0,24	2,46	0,06	2,82	2,64
6	0,20	2,09	0,05	2,06	2,08
11	0,08	0,80	0,02	0,89	0,85
12	0,09	0,95	0,02	0,86	0,91
13	0,14	1,49	0,03	1,56	1,53
14	0,10	0,99	0,02	0,71	0,85
15	0,26	2,67	0,07	3,13	2,90
18	0,07	0,77	0,01	0,67	0,72
19	0,23	2,38	0,05	2,23	2,30
20	0,18	1,86	0,04	2,01	1,93
21	0,08	0,80	0,02	1,12	0,96

Приведенные в таблице 2 значения вычислены для двух случаев – локомотива с нагрузкой на колесо в 96,3 кН и порожнего вагона с нагрузкой на колесо в 28,5 кН. Коэффициент вычислен как среднее этих величин.

Следует отметить, что во время проведения эксперимента состояние балластного слоя на измерительном участке не удовлетворяло требованиям, что приводило к значительным прогибам рельсов при прохождении состава. Это объясняет большую разницу в амплитудах выходных сигналов ВОД, что отрицательно сказалось на точности полученных оценок.

Одной из задач эксперимента было определение зависимости выходных сигналов ВОД от скорости движения состава, т.е. представление коэффициента в виде

где - коэффициент, учитывающий параметры размещения ВОД,

K - коэффициент, учитывающий изменение выходного сигнала ВОД при изменении скорости движения колеса .

Анализ выходных сигналов ВОД показал, что с увеличением скорости амплитуда сигнала уменьшается. Так в таблице 3 приведены средние значения сигналов для всех осей локомотива при различных скоростях движения.

таблица 3

ВОД	20	30	40	50
0	0,173	0,168	0,160	0,150
1	0,085	0,088	0,081	0,070
2	0,115	0,117	0,115	0,103
3	0,140	0,139	0,138	0,117
4	0,152	0,151	0,150	0,132
5	0,230	0,231	0,220	0,180
6	0,200	0,193	0,179	0,163
11	0,075	0,071	0,070	0,067
12	0,090	0,089	0,088	0,080
13	0,140	0,137	0,137	0,127
14	0,095	0,091	0,090	0,082
15	0,253	0,249	0,241	0,212
18	0,072	0,072	0,069	0,063
19	0,192	0,198	0,217	0,212
20	0,175	0,152	0,164	0,162
21	0,070	0,066	0,071	0,073

Для определения использовались значения 14 из 16 ВОД, так как зависимость для ВОД №19 и №21 были отбракованы из-за очевидного отличия характера зависимости других ВОД. Поскольку скорость 20 км/час является минимальной для движения составов на измерительном участке, то для каждого ВОД сначала были вычислены нормированные выходные сигналы

где

- среднее значение выходного сигнала j-го ВОД на скорости 20 км/час;

- среднее значение выходного сигнала j-го ВОД на скорости v.

Значения коэффициента , вычисленные как средние значения по всем ВОД на данной скорости, приведены на Рис.7.

Рис.7

Уменьшение выходного сигнала ВОД при увеличении скорости колеса можно объяснить следующим. Сокращение времени приложения нагрузки к ВОД приводит к тому, что упругий прогиб рельса не успевает достигнуть предельной величины, в то время как при малой скорости рельс прогибается до больших значений, соответственно, увеличивая силу действующую на ВОД со стороны шпалы.

Как видно из Рис.7, изменение наклона зависимости происходит на скорости около 40 км/час, т.е. при величине нагрузки на колесо около 100 кН на скоростях более 40 км/час сила реакции системы «шпала-балластный слой» имеет заметно меньшее значение, чем на низких скоростях, что делает целесообразным использование данного коэффициента.

Определение загрузки вагонов по весу его тележек обычно определяют с помощью вагонных электронных весов. Проходящий по станции состав вагонов пропускают по вагонным электронным весам (например, модели ВЭВ ВНИИЖТ), имеющим весовую платформу для взвешивания только одной тележки вагона. Массу брутто каждого вагона определяют при суммировании результатов взвешивания массы брутто его тележек.

В отличие от вагонных электронных весов совокупность ВОД, входящих в СКВДН, позволяют оценивать величину нагрузки от каждого колеса вагона. Поскольку каждое колесо проходит над несколькими ВОД, для повышения точности оценки используется статистическая обработка измерений. В простейшем случае нагрузка от колеса определяется как среднее арифметическое от значений выходных сигналов ВОД, а при наличии информации о характеристиках ВОД могут использоваться методы весового суммирования и т.п.

В Приложении 2 приведены результаты расчета нагрузки на ВОД в тоннах для различных скоростей движения тестового состава с использованием калибровочных коэффициентов из таблицы 3 и поправочного коэффициента на скорость состава(Рис.7). При этом, если с одной скоростью состав совершил несколько проездов в Приложении 2 указано среднее значение нагрузки.

Для определения точности оценки нагрузки на ось было произведено осреднение вычисленных значений силы по всем ВОД для каждого проезда тестового состава. Результаты приведены в таблице 4, причем отрицательная скорость соответствует движению состава в обратном направлении, когда вагон двигался впереди локомотива. Для удобства восприятия данные сгруппированы по каждой стороне состава.

таблица 4

Вычисленные средние нагрузки на ось, т

Сторона		номер проезда	Скорость, км/час	ось
				1	2	3	4	5	6	7	8
левая		1	54	9,22	8,81	9,96	8,33	1,73	2,15	2,23	1,77
		2	-33	9,47	8,81	10,15	8,37	1,77	2,15	2,28	1,78
		3	40	9,82	8,86	10,55	8,80	1,92	2,24	2,39	1,95
		4	-28	9,91	8,98	10,57	8,76	1,90	2,22	2,41	1,93
		5	21	9,70	8,92	10,02	10,04	2,25	2,54	2,35	2,26
6	-23	9,25	9,14	9,64	9,60	1,98	2,44	2,19	2,17
7	32	9,21	9,11	9,73	9,72	2,13	2,50	2,23	2,27
8	-24	9,30	8,91	9,93	9,35	2,05	2,40	2,23	2,15
правая	1	54	9,85	9,57	8,36	8,43	1,72	1,96	2,03	1,73
	2	-33	9,63	9,65	8,38	8,46	1,74	1,98	2,10	1,72
	3	40	9,46	9,56	8,05	8,08	1,73	2,00	2,19	1,76
	4	-28	9,39	9,52	8,03	8,12	1,75	1,96	2,25	1,77
	5	21	9,84	11,95	8,74	10,93	2,20	2,79	3,01	2,43
	6	-23	9,10	10,90	8,33	10,13	1,85	2,39	2,38	2,15
	7	32	8,97	10,49	8,07	9,36	1,85	2,37	2,11	2,19
	8	-24	8,72	10,65	8,01	9,36	1,76	2,28	2,18	2,15

Для определения точности оценивания веса подвижной единицы для каждого проезда состава были вычислены значения нагрузки от каждой подвижной единицы (таблица 5).

таблица 5

номер проезда	Скорость, км/час	локомотив			вагон
		левая сторона	правая сторона	всего	левая сторона	правая сторона	всего
1	54	36,32	36,21	72,53	7,87	7,44	15,31
2	-33	36,81	36,12	72,92	7,97	7,53	15,51
3	40	38,03	35,15	73,19	8,50	7,68	16,18
4	-28	38,22	35,06	73,28	8,46	7,73	16,19
5	21	38,68	41,46	80,14	9,40	10,43	19,84
6	-23	37,64	38,47	76,10	8,77	8,76	17,54
7	32	37,77	36,90	74,66	9,13	8,52	17,65
8	-24	37,49	36,73	74,22	8,83	8,37	17,20
среднее		37,62	37,01	74,63	8,62	8,31	16,93
СКО		0,76	2,09	2,51	0,53	0,99	1,47

Общий вес локомотива составлял 78,6 т, максимальная погрешность определения его веса – 6,07 т, что составляет чуть менее 8%. Если считать, что оценка веса распределена по нормальному закону, то относительное значение среднеквадратичного отклонения по полученной выборке менее 3,5%.

В тестовом составе использовался порожний вагон, вес которого был равен 22,85 т. Среднее значение вычисленного веса вагона составило 16,93 т, что соответствует относительной погрешности более 25%. При анализе формы сигналов при прохождении тестового состава (Рис.6) несложно заметить, что при прохождении тележек порожнего вагона спад в момент, когда ВОД находится посередине между колесами тележки, очень мал и почти не позволяет определить моменты прохождения колес над ВОД.

Это позволяет сделать вывод о том, что сигналы ВОД следует использовать для оценки веса вагонов можно только при общем весе вагона более 30 т, т.е. для груженых вагонов.

Одним важных аспектов использования ВОД может быть проверка соответствия максимального веса вагона норме, установленной по 23.5 т для каждой вагонной оси (ГОСТ 22780-93).

Неравномерность загрузки вагонов обычно определяют на вагонных электронных весах, которые взвешивают вагон или по тележкам, или по вагонным осям. Опыт эксплуатации показывает, что даже при загрузке каменным углем могут быть нарушены нормы погрузки, а именно разность веса тележек больше 10 т, и поперечное смещение центра тяжести больше 100 мм.

Для определения неравномерной загрузки вагона были вычислены средние значения нагрузок по каждой из осей, осреднение производилось по всем прохождениям тестового состава (таблица 6).

таблица 6

ось	средняя нагрузка,т		СКО нагрузки, т
	левая	правая	левая	правая
1	9,48	9,37	0,99	1,19
2	8,94	10,29	0,78	1,33
3	10,07	8,25	0,95	0,79
4	9,12	9,11	1,03	1,48
5	1,96	1,82	0,67	0,38
6	2,33	2,22	0,53	0,42
7	2,29	2,28	0,62	0,71
8	2,03	1,99	0,48	0,43

Рассматривая значения нагрузки от каждого колеса как независимые случайные величины, дисперсия оценки веса вагона может быть представлена как сумма дисперсий оценок нагрузки от каждого колеса. В этом случае СКО оценки веса локомотива тестового состава будет равно 3,1 т или 3,9%.

Полученные данные показывают, что средняя разность нагрузок на первую тележку (оси 1-2) и вторую тележку(оси 3-4) составляет 1,54 т, т.е. около 4% от нагрузки на тележку, что равно СКО оценки веса.

Неравномерная загрузка вагона приводит к смещению центра тяжести вагона, требования к положению которого определены в «Технических условиях размещения и крепления грузов в вагонах и контейнерах», утвержденных МПС России 27 мая 2003 г. N ЦМ-943.

Выводы

1. Проведены лабораторные испытания ВОД с целью определения их характеристик при нагрузках от 50 до 450 кН. Доказано, что на абсолютно жестком основании выходной сигнал ВОД представляет собой линейную зависимость от приложенной нагрузки.

2. Выполнены экспериментальные исследования калибровки ВОД по результатам прохождения состава (локомотив + вагон) с известными нагрузками по осям. Доказана необходимость введение мультипликативных коэффициентов, компенсирующих различия в жесткости балластного слоя как между различными ВОД, так и изменение жесткости в процессе эксплуатации.

3. По экспериментальным данным разработана методика и определены коэффициенты, учитывающие изменение выходного сигнала для различных скоростей движения состава.

4. Оценена возможность использования ВОД для оценки веса вагона. Показано, что использовать ВОД возможно только для определения веса груженых вагонов, общим весом более 30 т. Определена погрешность оценивания веса вагонов.

5. Разработан алгоритм адаптивной калибровки ВОД с использованием данных о типе и весе локомотива. С использованием разработанного алгоритма получены оценки веса и неравномерной загрузки составов, прошедших через СКВДН.