способ и устройство диагностики и мониторинга состояния стрелок, пересечений, стрелочных переводов или рельсовых стыков

Формула изобретения

1. Способ диагностики и мониторинга изношенного и функционального состояния стрелки, и/или пересечения, и/или стрелочного перевода, и/или рельсового стыка рельсового пути, отличающийся тем, что при проезде рельсового транспортного средства по стрелке, пересечению, стрелочному переводу или рельсовому стыку

на по меньшей мере одном конструктивном элементе рельсового транспортного средства, в по меньшей мере одном пространственном направлении измеряют и запоминают вибрационные ускорения, создаваемые в конструктивном элементе рельсового транспортного средства при его проезде по стрелке, пересечению, стрелочному переводу или рельсовому стыку,

измеряют и запоминают скорость рельсового транспортного средства, и определяют и запоминают направление движения,

определяют и запоминают местоположение стрелки, пересечения, стрелочного перевода или рельсового стыка,

посредством расположенного на рельсовом транспортном средстве устройства сбора данных обрабатывают измерительные сигналы датчиков ускорения, скоростемера и навигационного устройства, запоминают их и оценивают, при этом прогнозируют необходимый срок ремонтных работ и соответствующие затраты на ремонтные работы,

и осуществляют контроль превышения характеристических заданных предельных значений измеренных вибрационных ускорений, и в случае превышения заданных предельных значений вибрационных ускорений принимают решение о последующем, более тщательном контрольном измерении состояния конструктивных элементов стрелки, пересечения, стрелочного перевода или рельсового стыка.

2. Способ диагностики и мониторинга состояния по п.1, отличающийся тем, что измерение вибрационных ускорений осуществляют вблизи точки контакта колеса и рельса.

3. Способ диагностики и мониторинга состояния по п.2, отличающийся тем, что измерение вибрационных ускорений осуществляют в области крышки подшипника колесной пары.

4. Способ диагностики и мониторинга состояния по п.1, отличающийся тем, что измерение вибрационных ускорений осуществляют на железнодорожном колесе в области точки контакта колеса и рельса.

5. Способ диагностики и мониторинга состояния по п.1, отличающийся тем, что местоположение стрелки, пересечения стрелочного перевода или рельсового стыка определяют с помощью спутникового позиционирующего устройства.

6. Устройство для диагностики и мониторинга состояния стрелки, и/или пересечения, и/или стрелочного перевода, и/или рельсового стыка рельсового пути, отличающееся тем, что при проезде рельсового транспортного средства по стрелке, пересечению, стрелочному переводу или рельсовому стыку

на по меньшей мере одном конструктивном элементе рельсового транспортного средства расположен по меньшей мере один датчик ускорения,

на рельсовом транспортном средстве расположены скоростемер и навигационное устройство,

устройство сбора данных, расположенное на рельсовом транспортном средстве, обрабатывает, записывает и оценивает измерительные сигналы датчиков ускорения, скоростемера и навигационного устройства и прогнозирует необходимый срок ремонтных работ и соответствующие затраты на ремонтные работы.

7. Устройство для диагностики и мониторинга состояния по п.6, отличающееся тем, что в качестве датчика ускорения используется пьезоэлектрический датчик ускорения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение касается способа и устройства для диагностики и мониторинга степени износа и функционального состояния стрелки и/или пересечения и/или стрелочного перевода и/или рельсовых стыков рельсового пути, состоящего из нескольких ходовых рельсов. Способ и устройство, заявленные в формуле изобретения, также пригодны для диагностики и мониторинга износа и функционального состояния неровностей пути.

Стрелки, пересечения и стрелочные переводы служат для соединения нескольких рельсов рельсового пути в один для связи между рельсами либо для проведения одного рельса через другой при пересечении путей. Беспрепятственное и почти абсолютно устойчивое прохождение колеса рельсового транспортного средства через стрелку, пересечение или стрелочный перевод обеспечивается благодаря так называемой крестовине, которая находится в точке пересечения перекрещивающихся рельсов. При этом различаются неподвижные и подвижные крестовины. У неподвижной крестовины имеется специальный разрыв реборды в точке пересечения, так называемый просвет крестовины. Из-за этого просвета колесо при прохождении через стрелку, пересечение или стрелочный перевод прокатывается по канавке, что приводит к возникновению ударных колебаний и нагрузок как на колесо, так и на неподвижную крестовину. В среднесрочном периоде это ведет к увеличению и ускорению износа неподвижной крестовины и всей стрелки, пересечения или стрелочного перевода. Для решения этой проблемы в стрелках, пересечениях или стрелочных переводах, через которые поезда проходят на высоких скоростях, используется подвижная крестовина, которая создает сплошную реборду для каждого рельса. Однако большая часть стрелок, пересечений или стрелочных переводов имеет неподвижную крестовину вследствие меньших расходов на производство и обслуживание, а также ограниченного пространства для монтажа.

Измерения с целью определения степени износа и функционального состояния стрелок, пересечений или стрелочных переводов требуют большого количества персонала и с материально-технической точки зрения зачастую производятся слишком редко и/или слишком поздно, так что, в частности, обмер крестовин после проведения плановых осмотров проводится только тогда, когда его необходимость видна невооруженным глазом. Визуальное определение состояния стрелок, пересечений или стрелочных переводов при плановых осмотрах не могут дать достаточно точной оценки степени их износа.

Согласно современным техническим требованиям диагностика стрелок, крестовин и пересечений производится путем визуального освидетельствования и оценки в соответствии с методикой внутриотраслевой инструкции DS 8200605 В5 и стандарта BN 821.2005. Сюда входят методы ручного измерения при помощи линеек, штангенциркулей, мерных шнуров, измерительных клиньев, зеркал и щупов. Особое внимание уделяется исследованию линии переходных кривых, проверке ровности и направления рельсов и определению уровня крестовин и усовиков. Для этого необходимы 3 человека, до 30 минут времени и набор из 8 измерительных инструментов, зачастую очень громоздкий.

Кроме того, в результате получают только геометрические данные о степени износа крестовины и усовика на момент проведения измерений без каких-либо сведений относительно состояния верхнего и нижнего строения пути. Кроме того, такая методика не дает возможности распознать расположение полостей в шпалах, информация о которых и по сей день не собирается ни одной системой.

Таким образом, недостатком такой методики является привлечение большого количества сотрудников и большие временные затраты, то есть редкое и недостаточное описание действительной степени износа и функционального состояния. Из-за этого прогнозирование и назначение своевременных восстановительных работ оказываются маловероятными. До сих пор отсутствуют пороговые значения, при которых уже необходимо вмешательство, в особенности для области перехода.

Из DE 102004014282 известны способ и устройство для диагностики и мониторинга состояния области перехода стрелки и пересечения или стрелочного перевода рельсового пути. В этом случае у неподвижной крестовины или точки пересечения (в по меньшей мере одном месте крестовины или точки пересечения в по меньшей мере одном направлении) производится измерение вибрационных ускорений крестовины или точки пересечения, производимых при переезде транспортного средства через крестовину или точку пересечения. При использовании этой методики износ конструктивных элементов стрелки, пересечения или стрелочного перевода исследуется непосредственно на этих элементах. При необходимости проведения проверки нескольких разных стрелок, пересечений или стрелочных переводов рабочие должны демонтировать соответствующее измерительное приспособление с одной стрелки, пересечения или стрелочного перевода, перенести к следующей стрелке, пересечению или стрелочному переводу и установить его там. Диагностика нескольких разных стрелок, пересечений или стрелочных переводов связана таким образом с использованием большого количества сотрудников и с большими временными затратами.

В US 2002056398 А1 описаны независимый от реакции дорожного полотна или соответственно рельсового пути способ и устройство для контроля ходовой части многоосного транспортного средства, где устанавливаются недопустимые отклонения от нормальной механической рабочей характеристики ходовой части. Для этого датчики ускорения измеряют ускорения, по меньшей мере, двух осей ходовой части, которые оцениваются с помощью преобразования Фурье. Так, при оценке образующихся через более длительные временные интервалы профилей средних значений может устанавливаться возникающее через более длительное время отклонение от первоначального состояния и автоматически запрашиваться соответствующее корректирующее мероприятие на колесной паре.

Поскольку должно отфильтровываться влияние рельсов на характеристику поворотной тележки, то с помощью этого способа или соответственно устройства можно составить представление о состоянии рельса, в частности о его повреждении.

Недостаток описанного способа и устройства состоит в том, что при переезде рельсового транспортного средства через стрелку, пересечение, стрелочный перевод или рельсовый стык невозможно установить их фактический износ с такой точностью, что даже без наличия поврежденного состояния может прогнозироваться возможно требующийся срок ремонтных работ с соответственно ожидаемыми при этом расходами.

Возможно лишь установить, что при превышении определенного граничного значения соответствующая область рельсового пути уже является поврежденной.

Кроме того, после всего лишь одного проезда по рельсовому пути нельзя получить никаких сведений о фактическом износе рельсового пути и связанных с ним неровностей пути. Возникающие на стрелках, пересечениях, стрелочных переездах или рельсовых стыках колебания/вибрации имеют более коротковолновыми, чем колебания, которые возникают в случае неровностей пути. Для оценки этих сравнительно длинноволновых колебаний должны сравниваться друг с другом серии измерений нескольких поездок.

Из ЕР 1236633 А2 известен способ для определения состояний "сход с рельсов" колес рельсового транспортного средства. Для этого определяются характеристические параметры и при превышении предварительно заданного значения выдается указательный сигнал и/или осуществляется аварийное торможение. Посредством этого способа невозможно сделать оценку изношенного и функционального состояние стрелок, стрелочных переводов, пересечений, рельсовых стыков или рельсов.

Таким образом, задачей данного изобретения является представление способа и устройства, при помощи которых можно было бы с небольшими затратами производить оценку всей системы стрелки, пересечения или стрелочного перевода, а также рельсовых стыков и неровностей пути еще до того, как необходимость такой оценки проявится визуально и без присущих уровню техники недостатков.

Эта задача решается согласно изобретению: для способа - при помощи признаков, указанных в пункте 1 формулы изобретения, а для устройства - при помощи признаков, указанных в пункте 6 формулы изобретения.

В пункте 1 формулы изобретения приведен способ диагностики и мониторинга состояния изношенного и функционального состояния стрелки и/или пересечения и/или стрелочного перевода, а также рельсовых стыков и неровностей рельсового пути. При этом при переезде рельсового транспортного средства через стрелку, пересечение или стрелочный перевод, а также рельсовые стыки и неровности рельсового пути на по меньшей мере одном конструктивном элементе транспортного средства в по меньшей мере одном пространственном направлении производится измерение и запоминание вибрационных ускорений, возникающих на этом конструктивном элементе при переезде через стрелку, пересечение или стрелочный перевод, а также рельсовые стыки и неровности рельсового пути.

Таким образом, в соответствии с изобретением при переезде рельсового транспортного средства производятся измерения и точная оценка по месту, в частности, вибрационных ускорений. Эти ускорения находятся в прямой связи с износом и функциональным состоянием стрелки, пересечения или стрелочных переводов, рельсовых стыков и неровностей пути, так как возрастающие вибрационные ускорения вызываются, в частности, увеличением отклонения их геометрической формы и положения от заданных. В частности, переезд колеса железнодорожного состава через просвет неподвижной крестовины становится все менее «мягким» при увеличении износа. Одновременно увеличение вибрационных ускорений означает увеличение энергии, прилагаемой к отдельным элементам стрелки, пересечения или стрелочного перевода, а также рельсового стыка и неровностей пути, которая дополнительно усиливает и ускоряет изнашивание.

Переезд через конструкционно обусловленные разрывы стрелки, пересечения, стрелочных переводов, а также рельсовых стыков и неровностей пути при увеличении их износа либо некачественной установке ведет к характерным изменениям параметров вибрационных ускорений на колесе или колесной паре рельсового транспортного средства. Такие вибрационные ускорения распространяются на все транспортное средство в соответствии с его конструктивными характеристиками демпфирования. Таким образом, возрастающие отклонения от геометрической формы, настройки и крепления элементов стрелки, пересечения стрелочного перевода, а также рельсового стыка и неровностей пути ведут к нарастанию вибрационных ускорений в транспортном средстве и наоборот.

В соответствии с изобретением дополнительно производится измерение и запоминание скорости рельсового транспортного средства, а также направления движения и места расположения стрелки, пересечения или стрелочного перевода, а также рельсового стыка и неровностей пути.

Предварительная обработка измерительных сигналов на борту транспортного средства преимущественно производится последовательно, так что через интерфейсы транспортного средства требуется передавать только извлеченные данные, например направление движения, ускорение колесной пары, скорость движения, местоположение поезда.

С помощью расположенного на рельсовом транспортном средстве устройства сбора данных обрабатывают измерительные сигналы датчиков ускорения, скоростемера и навигационного устройства, запоминают их и оценивают. При этом прогнозируют необходимый срок ремонтных работ и соответствующие затраты на ремонтный работы.

Кроме того, при этом производится контроль, не превышены ли характеристические заданные граничные значения измеренных вибрационных ускорений. В том случае, если заданные предельные значения вибрационных ускорений превышены, производится последующее более тщательное контрольное измерение состояния элементов стрелки, пересечения или стрелочного перевода, в частности, согласно инструкциям DS 8200605 В5 либо BN 824.9005.

Особенно предпочтительно проводится измерение вибрационного ускорения с помощью датчиков ускорения, которые по пункту 2 устанавливаются вблизи точки контакта колеса и рельса, в частности по пункту 3 на крышке подшипника колесной пары либо по пункту 4 максимально близко к точке контакта колеса и рельса, в частности на специально для этого выбранной измерительной колесной паре.

По пункту 5 для определения местоположения поезда предпочтительно используется спутниковое позиционирующее устройство, в частности GPS, DGPS или Gallileo. Это позволяет установить местоположение даже на участках, не оборудованных системами управления поездами, сообщающим рельсовому транспортному средству его положение на участке.

В пункте 6 раскрыто устройство для осуществления способа по пункту 1.

При переезде рельсовым транспортным средством с определенной скоростью и определенным направлением движения стрелки, пересечения или стрелочного перевода, рельсового стыка или неровности пути по меньшей мере один датчик ускорения на по меньшей мере одном конструктивном элементе рельсового транспортного средства сообщает о вибрационном ускорении, возникающем на рельсовом транспортном средстве при переезде через крестовину или разрыв рельса. Датчики ускорения определяют вибрационное ускорение в одном или особенно предпочтительно в нескольких направлениях, в частности во всех трех взаимно перпендикулярных пространственных направлениях. Кроме того, для определения вращательных движений и/или продольной качки на по меньшей мере одном конструктивном элементе рельсового транспортного средства могут использоваться специальные датчики ускорения.

В качестве датчиков ускорения по пункту 7 используются пьезоэлектрические датчики ускорения. Они отличаются малым весом, компактным исполнением, а также прочностью и долговечностью.

Скоростемер определяет скорость рельсового транспортного средства. При этом, в частности, используется установленный в рельсовом транспортном средстве скоростемер, который также показывает скорость машинисту. В качестве альтернативы возможно, в частности, применение радиолокационных, ультразвуковых или лазерных измерительных устройств.

Навигационное устройство определяет местоположение измеряемой стрелки, пересечения или стрелочного перевода, а также рельсовых стыков и неровностей пути для позиционной привязки установленных вибрационных ускорений к соответствующей стрелке, пересечению или стрелочному переводу, рельсовым стыкам или неровностей пути. Преимуществом при этом является то, что при возникновении неполадок или превышении характеристических, заданных предельных значений вибрационных ускорений обслуживающий персонал вызывается точно на соответствующую стрелку, пересечение или стрелочный перевод, рельсовый стык или неровность пути. В навигационном устройстве преимущественно используются имеющиеся на рельсовом транспортном средстве данные положения в сочетании с положением датчиков ускорения на рельсовом транспортном средстве. Данные положения рельсового транспортного средства определяются, в частности, посредством систем управления поездом проезжаемого участка пути, которые передают на рельсовое транспортное средство его положение на этом участке, в частности система Linienzugbeeinflussung (LZB) или ein European Train Control System (ETCS), либо посредством спутникового позиционирующего устройства по пункту 5.

Особенно предпочтительно используется навигационное устройство, которое наряду с данными положения предоставляет также данные о скорости и направлении движения рельсового транспортного средства, как это возможно, в частности, в случае спутникового позиционирующего устройства. Таким образом, скоростемер и навигационное устройство объединены здесь в единое устройство, что снимает необходимость в отдельном скоростемере.

Устройство сбора данных представляет измерительные сигналы датчиков ускорения, скоростемера и навигационного устройства, запоминает, в частности, электронно или магнитно и оценивает их. Кроме того, устройство сбора данных контролирует превышение характеристических заданных предельных значений. В случае превышения заданных предельных значений, с помощью устройства сбора данных принимается решение о последующем, более тщательном контрольном измерении состояния стрелки, пересечения или стрелочного перевода, в частности согласно инструкциям DS 8200605 В5 или BN 824.9005. Таким образом, вспомогательное использование традиционных средств измерения требуется лишь когда устройство в соответствии с изобретением выявляет «потребность в техническом обслуживании» либо когда этого требует регулирующий механизм.

Преимущества способа и устройства в соответствии с изобретением заключаются, в частности, в диагностике и мониторинге состояния стрелки, пересечения или стрелочного перевода, рельсового стыка или неровностей пути между регулярными осмотрами и техническим обслуживанием. При этом делается первое точное заключение о состоянии стрелки, пересечения или стрелочного перевода посредством быстрой и простой проверки. Таким образом, будет своевременно выявляться износ и на основе этих данных будет составляться необходимый прогноз сроков и стоимости ремонтных работ, что обеспечит лучшую планируемость и оптимизацию затрат на жизненный цикл. Кроме того, существует возможность сравнения с более ранними измеренными значениями.

Особенно предпочтительно:

посредством изобретения, в частности при полностью автоматическом процессе измерения и обработки данных устранена необходимость в дополнительном персонале и временных затратах,

- посредством изобретения создается возможностью проведения своевременного автоматического анализа тенденций,

- посредством изобретения можно согласовать, оптимизировать и снизить инспекционные издержки на местах,

- повышается комфортность езды для пассажиров,

- может снижаться уровень шума.

Предполагается, что выполнение этой измерительной задачи может быть поручено соответствующим образом оборудованным обычным поездам со стандартными колесными парами (при соответствующей информационно-технической поддержке).

Ниже изобретение поясняется более подробно на примере варианта исполнения и посредством чертежа, на котором показано рельсовое транспортное средство с измерительным устройством в соответствии с изобретением, переезжающее разрыв рельса.

Особенно предпочтительный пример исполнения касается согласно фиг.1 рельсового транспортного средства 1, переезжающего разрыв 3 рельса 2. Разрыв 3 рельса 2 представляет собой промежуток крестовины стрелки с неподвижной крестовиной.

При переезде рельсовым транспортным средством с определенной скоростью и в определенном направлении через разрыв 3 датчик ускорения 4, установленный на крышке 5 подшипника колесной пары (либо максимально близко к точке контакта колеса и рельса), регистрирует вибрационные ускорения, возникающие на рельсовом транспортном средстве в момент переезда. Одновременно с этим навигационное устройство 7, в частности спутниковое позиционирующее устройство, регистрирует положение, скорость и направление движения рельсового транспортного средства.

Устройство 6 сбора данных выполняет первичную обработку и запись измерительных сигналов датчика 4 ускорения, а также навигационного устройства 7 и соответствующим образом оценивает их. Далее устройство 6 сбора данных контролирует превышение характеристических заданных предельных значений вибрационного ускорения. В случае превышения заданных предельных значений устройство 6 сбора данных принимает решение о последующем, более тщательном контрольном измерении положения и состояния конструктивных элементов стрелки, в частности согласно инструкциям DS 8200605 В5 или BN 824.9005. После этого выявленные изношенные конструктивные элементы проходят техническое обслуживание и соответствующую изобретению повторную проверку, в ходе которой проверяется и контролируется качество технического обслуживания этих конструктивных элементов.

Список ссылочных позиций:

1 - рельсовое транспортное средство,

2 - рельс,

3 - разрыв рельса,

4 - датчик ускорения,

5 - крышка подшипника колесной пары,

6 - устройство сбора данных,

7 - навигационное устройство.