Спосіб та пристрій діагностики стану колійного шляху

Реферат: Винахід належить до способів безконтактного контролю та діагностики стану колійних шляхів. Спосіб діагностики стану колійного шляху полягає в тому, що виявлення та аналіз дефектів робочих поверхонь головок рейок виконується шляхом проведення вейвлет-аналізу динаміки змін двовимірних Фур'є-образів профілограм головок рейок. Одночасно проводиться аналіз змін ширини колійного шляху за допомогою оцінки змін відстаней між цими профілограмами та аналіз даних з акселерометрів і гіроскопів. Виявлені дефекти синхронізуються з даними системи супутникової навігації та записуються до пам'яті ЕОМ. Пристрій, що реалізує запропонований спосіб, містить два лазерні вимірювачі з джерелами когерентного випромінювання, закріплені на фіксованій відстані по одному над кожною із рейок, систему супутникової навігації, акселерометри та гіроскоп, дані з яких надходять на ЕОМ. При цьому кожний лазерний вимірювач додатково містить формувач плаского променя, оптичний когерентний процесор, з'єднаний з швидкісним матричним оптичним приймачем, та ПЗЗматрицю з фокусуючою оптичною системою. Спосіб та пристрій дозволяють збільшити достовірність і точність діагностики колійного шляху в безперервному режимі та прогнозувати стан колійного шляху за накопиченими даними. UA 106441 C2 (12) UA 106441 C2 UA 106441 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до способів безконтактної діагностики стану колійного шляху та може бути використаний при комплексній діагностиці колійних шляхів. Відомий безконтактний "Способ контроля состояния рельсового пути" (RU 2394714 С1, Бюл. №20, 20.07.2010), який полягає в тому, що вимірювання ширини колійного шляху виконується за допомогою оптичних датчиків, встановлених на вагоні шляховимірнику, при цьому крок між вимірюваннями складає не менше 25 см, що є недоліком, так як не виявляються дефекти рейок, які менші за 25 см. Відомий також "Мобильный комплекс для диагностики железнодорожного пути" (RU 2442713 С1, Бюл. №5 от 20.02.2012), який містить самохідний транспортний засіб з двох тягачів, на якому змонтовані: оптичний вимірювач ширини з лазерним підсвічуванням колії та пристрій для вимірювання параметрів профілю шляху. Недоліками цього комплексу є те, що у нього обмежена швидкість переміщення і, як наслідок, діагностика шляху, а також неможливість дефектоскопії робочої поверхні головок рейок. Найбільш близьким за технічною задумкою та результатом, що досягається, є "Способ контроля поперечного профиля и расстояния между рельсами железнодорожного пути и вагон измеритель" (патент RU 2418705 С1, опуб. 20.05.2011 Бюл. №14), в якому виявлення дефектів профілю головок рейок та відстані між рейками виконується за допомогою сканування головок рейок лазерними датчиками, розміщеними на фіксованій відстані на вагоні шляховимірнику, дані разом з даними про місцезнаходження, отриманими з системи супутникової навігації, записуються до електронно-обчислювальної машини (ЕОМ). Цей спосіб та пристрій прийняті як прототип. Недоліками прототипу є неможливість впевнено виявляти дефекти профілю менші ніж 1 метр, що несумісно зі збільшенням швидкостей руху сучасних потягів; використання механічного сканування променем лазера не виправдано ускладнює конструкцію при вирішенні питань синхронізації та швидкості вимірювання; використання спеціального вагона шляховимірника ускладнює та підвищує вартість задачі дефектоскопії. Задача створення винаходу - спрощення та здешевлення конструкції вимірювача дефектів, виявлення дефектів рейок без пропусків, універсальність: встановлення на будь-який колійний транспортний засіб, постійний моніторинг колійного шляху з накопиченням даних та прогнозуванням стану колійного шляху. Технічний результат винаходу полягає в використанні властивостей когерентності лазерного випромінювання, що дозволяє підвищити достовірність і точність діагностики стану колійного шляху в безперервному режимі та не залежить від швидкості руху. Технічний результат досягається тим, що виявлення та аналіз дефектів робочих поверхонь рейок проводиться шляхом вейвлет-аналізу динаміки змін двовимірних Фур'є-образів профілограм головок рейок, а відстань між рейками розраховують по зображенню їх профілограм, кутовий нахил колійного шляху вимірюють гіроскопами, кріплення рейок контролюють за даними акселерометрів, стан колійного шляху прогнозують по накопичених даних. Технічний результат досягається також тим, що рейки освітлюють пласким променем, отримання Фур'є-образу профілограми виконують в оптичному когерентному процесорі, результати обробки реєструють швидкісним матричним оптичним приймачем, відстань між рейками розраховують по зображеннях профілограм, які фіксують приладами з зарядним зв'язком (ПЗЗ-матрицями) з фокусуючими оптичними системами, вимірювання кута нахилу колійного шляху виконують за даними гіроскопів, вартість пристрою зменшують завдяки відсутності механічних вузлів та спеціальних вагонів шляховимірників. Конструкцією пристрою передбачають можливість встановлення вимірювача на будь-який колійний транспортний засіб. На Фіг. 1 зображена схема пристрою діагностики стану колійного шляху. На Фіг. 2 зображена схема лазерного вимірювача. На Фіг. 3 зображено приклад профілограми бездефектної поверхні рейки та її Фур'є-образ. На Фіг. 4 зображено приклад профілограми з боковим спрацьовуванням головки рейки та її Фур'є-образ. На Фіг. 5 зображено приклад профілограми рейки з вибоїною на контактній поверхні та її Фур'є-образ. На Фіг. 6 показано вейвлет-аналіз динаміки зміни Фур'є-образів профілограми бездефектної ділянки рейки. На Фіг. 7 показано вейвлет-аналіз, де високочастотні складові на ділянках: а) 100 м; б) 370 м; в) 500 м; г) 1000 м, вказують на координати дефектів поверхні рейки. 1 UA 106441 C2 5 10 15 20 25 30 35 Пристрій діагностики стану колійного шляху містить два лазерні вимірювачі 1 по одному над кожною із рейок 4, що реєструють зображення профілограм та їх Фур'є-образи, акселерометри 2, гіроскопи та супутникову систему навігації 3, дані зі всіх компонентів пристрою передаються до ЕОМ. Лазерний вимірювач 1 містить джерело когерентного випромінювання 5, формувач плаского променя 6, що формує смугу когерентного випромінювання 10 поперек головки рейки 13. Відбите рейкою випромінювання являє собою профілограму 12 освітленої ділянки, яка потрапляє на вхід оптичного когерентного процесора 8. Фур'є-образ профілограми 12 реєструється матричним швидкісним оптичним приймачем 7, паралельно зображення профілограми 12 фіксується фокусуючою оптичною системою 11 та ПЗЗ-матрицею 9. Конструкція пристрою призначена для монтажу на будь-якому колійному транспорті. Кути між робочими площинами головок рейок, оптичними осями освітлювачів та матричних фотоприймачів вибираються за умови досягнення максимальної чутливості. При цьому процес контролю виконують в безперервному режимі при реальному силовому впливу реального транспортного засобу. Спосіб діагностики стану колійного шляху здійснюють наступним чином. Когерентним випромінюванням лазерного випромінювача 5 за допомогою формувача 6 утворюють на контактній поверхні поперек головки рейки 13 вузьку смугу світла, при цьому формується профілограма 12, яка повторює форму реальної поверхні головки рейки 13. Зображення профілограми 12 рейки обробляють за допомогою оптичного когерентного процесора 8, матричним швидкісним оптичним приймачем 7 та реєструють Фур'є-образ профілограми 12. Роздільна здатність та кількість реєстрованих кадрів за секунду матричного швидкісного оптичного приймача 7 залежить від потрібної точності та поставлених задач. Кожен піксел реєструє середнє значення ділянки двовимірного Фур'є-образу лінії профілю 12. При зміщенні вимірювача відносно рейки 13, Фур'є-образ буде змінюватися відповідно до змін форми профілограми 12. Зміни значення кожного піксела в часі записуються в ЕОМ як окремі канали, далі виконують вейвлет-аналіз одного або групи каналів, в результаті якого розпізнають дефекти поверхні рейок та проводиться їх класифікація по типу. Відстань між рейками вимірюють за зображеннями профілограм від кожної із рейок, які фокусують оптичними системами 11 на ПЗЗ-матрицях 9. Кутовий нахил колійного шляху 4 вимірюють гіроскопами 3. Надійність кріплення рейок контролюють за даними акселерометрів 2. Використання винаходу дозволить: 1. Реалізувати безперервний (без пропусків) моніторинг профілю колійних шляхів на великих швидкостях переміщення вимірювача, з накопиченням даних та прогнозуванням стану колійного шляху. 2. Здешевити вартість моніторингу колійного шляху, завдяки відсутності механічних вузлів та спеціальних вагонів шляховимірників. 3. Конструкція передбачає можливість встановлення вимірювача на будь-який колійний транспортний засіб. 40 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 45 50 55 60 1. Спосіб діагностики стану колійного шляху, який полягає в тому, що головки рейок освітлюють когерентним світлом, оцінюють зміни профілю рейок та записують дані в електроннообчислювальну машину (ЕОМ) з прив'язкою до координат місцевості, отриманих з системи супутникової навігації, який відрізняється тим, що поперек напрямку головки кожної рейки спрямовують плаский промінь та формують профілограму, яка повторює форму реальної поверхні головки рейки, профілограму формують кожного разу при зміщенні діагностичного пристрою відносно рейок, зображення профілограм рейок оброблюють за допомогою оптичного когерентного процесора, отримані Фур'є-образи профілограм реєструють швидкісним матричним оптичним приймачем, записують в пам'ять ЕОМ та виконують вейвлет-аналіз зафіксованих у пам'яті ЕОМ Фур'є-образів, за результатами якого розпізнають дефекти поверхні рейок, крім того зображення профілограм кожної рейки фіксують приладами з зарядним зв'язком (ПЗЗ-матрицями) та розраховують відстань між рейками, а кріплення рейок контролюють шляхом аналізу даних з акселерометрів. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що кутовий нахил колійного шляху вимірюють гіроскопами. 3. Пристрій діагностики стану колійного шляху, що містить два лазерні вимірювачі з джерелами когерентного випромінювання, закріплені на фіксованій відстані по одному над кожною із рейок, систему супутникової навігації та акселерометри, дані з яких надходять на ЕОМ, який 2 UA 106441 C2 відрізняється тим, що кожний лазерний вимірювач додатково містить формувач плаского променя, оптичний когерентний процесор, з'єднаний з швидкісним матричним оптичним приймачем, та ПЗЗ-матрицю з фокусуючою оптичною системою. 4. Пристрій за п. 3, який відрізняється тим, що додатково містить гіроскопи. 3 UA 106441 C2 Комп’ютерна верстка І. Мироненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4